Espectrografia Gamma

8/2/2019 Espectrografia Gamma

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Prcticas de Fsica Nuclear II. 00/01 17

PRCTICA 2.

Ttulo: Espectrografa con detector de centelleo yanalizador multicanal.

1. Interaccin de la radiacin y X con la materia.1.1. Efecto fotoelctrico.1.2. Efecto Compton.

1.3. Creacin de pares.1.4. Interaccin monoenergtica con un espesor de materia.

2. Detectores de centelleo.2.1. Sustancias luminiscentes.2.2. Fotomultiplicador.2.3. Alta sensibilidad del ctodo.

3. Equipo electrnico.

4. Espectroscopa de radiacin mediante detectores de centelleo.


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1. Interaccin de la radiacin y X con la materia.

La radiacin proviene de transiciones de ncleos atmicos entre diferentes estadosenergticos.

La radiacin X resulta de transicin entre dos estructuras electrnicas de un mismotomo.

1.1. Efecto fotoelctrico.

El fotn incidente ( ) es completamente absorbido y toda su energa es comunicadaa un e - que escapa del tomo al que estaba ligado. Con E e-=E -E ligadura

No es posible la interaccin

con un e-

aislado, ya que debeintervenir otra partcula(ncleo) para que conserve elmomento total.

Por lo tanto, el proceso de interaccin ser ms probable cuanto ms est ligado el e -

tomo, es decir, en las capas K electrnicas. De tal manera que aumentarrpidamente con el Z del tomo.

BligK(Uranio) = 115 KeV

BligK(Hierro) = 7,10 KeVBligK(Carbono) = 0,28 KeV

La probabilidad de que tenga lugar el efecto fotoelctrico es mayor e E pequeas.Por otra parte, cuando la E se hace igual a la de ligadura de alguna de las capaselectrnicas, esta probabilidad aumenta rpidamente.

BligK(Iodo) = 33 Ke V

Cuando tiene lugar la interaccin fotoelctrica de una fotn con un e - de la capa Kdel tomo, este e - es arrancado de la capa K y un e- de una capa ms perifrica,ocupa el hueco dejado por ste, con la emisin de un rayo X.

1.2. Efecto Compton.

El fotn incidente slo cede al e- libre con el que choca parte de su energa,convirtindose en otro fotn ' de menor energa y desviado de su trayectoriaoriginal.


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Aplicando conservacin de Energa y de Cantidad de Movimiento se llega a:

1.3. Creacin de pares.

El fotn desaparece totalmente y en su lugar aparecen un e- y un positrn, setransforma la energa en materia. Debido a esto, habr una energa mnima umbralde 1,02 MeV para que se produzca tal fenmeno.

Este fenmeno se debe producir en la vecindad de otra partcula, cuya presenciaresulta necesaria para que se verifique la conservacin de Cantidad de Movimiento.Si esta partcula es un ncleo apenas ste se lleva energa, la Energa sobrante sereparte por igual entre el e- y el positrn.

Los electrones pierden su energa por

choques con el medio y si la energaes muy elevada se producenfenmenos de Bremsstrahlung. Los

positrones ms inestables,interaccionan rpidamente con otro e-del medio para aniquilarsemutuamente, dando lugar a un par defotones , cada uno con una energa de0,510 MeV en direcciones opuestas(para la conservacin de p). Son losllamados s de Aniquilacin.

Si el par e --positrn cede toda su energa cintica a un medio fsico limitado y steconvierte esta energa en un impulso elctrico, la amplitud de este impulso esproporcional a: (E - 2*m 0c2)

Adems de esto, un de aniquilacin de 0,510 MeV puede sufrir en el medioprocesos (fotoelctricos y Compton). El impulso total elctrico puede estarcomprendido entre 3 valores mximos:

Mximos:E - 2* m 0c2 Los dos s de aniquilacin escapan.E - 1* m 0c2 Slo escapa un de aniquilacin.E Se absorben todos, idntico al fotoelctrico.

( )

cos1120

+=

cm

E E

E

( )+=

cos11

11

20

_

cm

E E E e

Con m oc2=0,510 MeV

Produccin de un par electrn-positrn yaniquilacin sucesiva de ste ltimo.


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1.4. Interaccin monoenergtica con un espesor de materia.

Si un haz colimado de radiacin monoenergtica atraviesa un espesor de materia(x), los fotones incidentes y emergentes de la misma energa y en la mismadireccin vienen expresados por:

xe = 0 =(coeficiente de absorcin lineal) = f(material, E )Se puede definir: / =(coeficiente de absorcin msico)

La absorcin de radiacin en determinado espesor se determina en virtud de tresefector: =++

Coeficiente de absorcin msicocm 2 /sg para s de distintas energas,en distintos materiales.

2. Detectores de centelleo.

Cuando una partcula nuclear cargada o fotn o X atraviesan ciertas sustanciasluminiscentes, pierden su energa en excitar la Luminiscencia del medio, dando lugar aluz visible o ultravioleta. Es decir, en sustancias con NaI(Tl) una fraccin constante deenerga disipada se transforma en fotones visibles.

Sin embargo, estos destellos son de intensidad tan pequea que para su deteccin serequiere del auxilio de un Fotomultiplicador (sistema fotoelctrico de alta sensibilidadque acusa la interaccin de un con el medio luminiscente, por la aparicin de unimpulso de corriente en el electrodo colector). Si el sistema est trabajando encondiciones adecuadas, el impulso tiene amplitud proporcional a la energa liberada enel medio luminiscente, es decir se puede determinar:

Deteccin de un Espectrometra o energa

2.1. Sustancias luminiscentes.

Las caractersticas de estas sustancias son:

Eficiencia de absorcin. Conversin de dicha energa absorbida en energa luminiscentes.

Energa(MeV)

Agua Al Fe Pb

0,5 ,090 ,085 ,087 ,1501,0 ,067 ,059 ,056 ,0681,5 ,057 ,052 ,051 ,0502,0 ,048 ,044 ,042 ,0453,0 ,038 ,033 ,038 ,0414,0 ,033 ,030 ,034 ,042


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Para aumentar la eficiencia de la deteccin se necesitan: Espesores grandes de material (mayor absorcin de E ) Transparencia mxima a la luz producida.

Qu es la Fluorescencia?

Cuando una partcula cargada pasa a travs de algunas sustancias, pierde parte de suenerga en llevar a algunos electrones de Valencia a la Banda de Conduccin.Dichos electrones pueden despus, volver a su estado normal por diversos procesos,de los cuales el ms importante es aquel que tiene lugar la emisin de luz de formaprcticamente inmediata al paso de las partculas.

Caractersticas del Nal(Tl):

Alta eficiencia de conversin luminosa de electrones. Alta transparencia para la emisin luminosa transmitida. Composicin de 80% de I(Z=53), con alto efecto fotoelctrico. Eficiencia del 60% de s, cuando el detector Geiger era slo del 1%. Cristales higroscpicos, pierden transparencia con la humedad. Forma cilndrica.

Generalmente, la partcula cargada atraviesa el cristal de centelleo en 10 -10sg,dejando los tomos o molculas excitadas a lo largo de la trayectoria, los cuales aldesexcitarse emiten fotones en el espectro ultravioleta. El decaimiento esaproximadamente exponencial, con una constante de tiempo de 0,25 msg para elNaI(Tl).

Densidad(gr/cm 3)

Imax emisin(A)

Eficiencia(Betas)

Constante detiempo

Caractersticas.

NaI(Tl) 3,67 400 2% 0,25 msg ExcelenteHigroscpico

2.2. Fotomultiplicador.

Es en esencia una clula fotoelctrica de gran sensibilidad, provista de un fotoctodoque desprende electrones bajo la accin de la luz. Junto a una serie de electrodosllamados dnodos contra los que van chocando sucesivamente los electronesdesprendidos del fotoctodo despus de estar acelerados por unas diferencias dePotencial convenientes. (Todo ello encerrado en vaco).

Los dnodos se conectan con potencialescrecientes. Al chocar un e- contra el dnodoarranca ms electrones que tambin sernacelerados, con un factor de multiplicacinde 10 5.

Por lo tanto:

1e - 105*(1,6*10 -19C)/(10 -12pF)=0,016 V


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2.3. Alta sensibilidad del ctodo.

a.- Caracterstica negativa.

Se pueden producir impulsos parsitos o de fondo, aun estando el fotomultiplicador

en oscuridad. Es debido, al efecto Termoelctrico, la llamada corriente de oscuridad.La solucin es mantener el detector enfriado con nube de CO 2.

b.- Solucin mediante un circuito DISCRIMINADOR.

Se disea un circuito electrnico que rechaza todos los impulsos de amplitudinferior a uno prefijado. (Se limita su uso slo para radiaciones intensas).

c.- Circuito de Coincidencias.

Se observa los centelleos de la sustancia luminiscente con dos fotomultiplicadores ala vez, y contando con un dispositivo electrnico (llamado circuito de coincidencias)tal que slo se cuentan los impulsos que se producen simultneamente. Con lo cual,se puede conseguir reducir el ruido parsito de 500 impulsos/sg a la salida delfotomultiplicador, a tan solo 0,01 impulsos/sg a la salida del circuito decoincidencias.

CONSIDERACIONES PRCTICAS.

La luz, provocada por la absorcin , sereparte por toda la superficie delfotoctodo, independientemente del puntoo zona del cristal donde hubiera sidoinicialmente producida.

Evitar la radiacin de fondo medianteblindaje, que puede provocar, porretrodispersin de los s, efecto Compton,con una energa de 200 KeV.

( )KeV

cm

E E

E 200cos11 2

0

+

=

= m0c2 0,501 MeV


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Con el Pb, si la E el Pb, si la E es pequea, se produce efecto fotoelctrico, generandounos rayos X de 72 KeV, provocando un falso pico. Se disminuye este efecto al ponerCd y Cu, que con su bajo Z, absorben los rayos X de los producidos por el plomo porefecto fotoelctrico.

3. Equipo electrnico.Esquema:

El Discrimador es un dispositivo electrnico que es capaz de entregar un impulso en susalida, si el de entrada rebasa un valor prefijado y ajustable (Umbral de discriminacin).

Se utiliza el sistema de Ventana Multicanal, es decir, slo se dispara la seal cuando serecibe el impulso de una sola parte del circuito.

CARACTERSTICAS DEL EQUIPO MULTICANAL.

1.- Nmero de canales y subgrupos de memoria.2.- Disponibilidad de ajustar el nivel restando el fondo.3.- Convertidor Analgico-Digital.

Concepto de Alinealidad integral (Para Calibraciones). Idealmente, laamplitud del Impulso es lineal con el canal de Almacenamiento.

Alinealidad diferencial. La desviacin mxima de la anchura del canalrespecto a la anchura media del conjunto de canales es inferior al 1%.

4.- Cronmetro de tiempo activo y oscilgrafo de presentacin.Se trata de impedir que durante el proceso de anlisis se produzcanperturbaciones por la llegada de nuevos impulsos. Existe un componenteelectrnico que bloquea y se mantiene en tal estado mientras dura el proceso

de conversin y acumulacin.


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4. Espectroscopa de radiacin mediante detectores de centelleo.

Con estos sistemas se pueden hacer medidas de energa de los s y determinarintensidades relativas, lo que permite no slo diferenciar diferentes tipos de istopos enun mezcla sino calcular su masa. Cada uno de los impulsos elctricos de salida ser deamplitud proporcional a la energa E perdida en el cristal de NaI(TI) para el fotn quelo provoc.

Ejemplo terico del espectro en un detector en un detector para un monoenergtico de2 MeV.

1.- Una proporcin determinada de fotones sufrirn interaccin fotoelctrica en elinterior del cristal. Existe una gran probabilidad de que el e - desprendido, as como losX y que lo acompaan, sean absorbidos totalmente dentro del cristal.

Conclusin : el im pulso resulte se corresponde a la energa de los incidentes, es la rayaA, llamado FOTOPICO del espectro.

2.- Otra parte de fotones sufre interaccin Compton, dando origen a un e- y un demenor energa, este tiene probabilidad de escarpar del cristal, mientras que el e-perder toda su energa en el cristal. El valor mximo de E. e - alcanzado, segn lafrmula, es de 1,77 MeV.

Conclusin : el impulso resultante se corresponde con una distribucin de amplitudes de

impulsos con un mximo en 1,77 MeV.

3.- Finalmente, el incidente puede dar lugar dentro del cristal a la creacin de pares.La E. cintica del e - y e+ producidos ser absorbida muy probablemente dentro delcristal. Se produce el fenmeno de aniquilacin del e+, con la emisin de los deaniquilacin de 0,501 MeV cada uno. Se puede dar el caso de que escapen los 2 , slouno o ninguno.

Conclusin : el impulso resultante se corresponde fundamentalmente a los llamadosPicos de escape Simple, Doble, o bien si los de Aniquilacin sontotalmente absorbidos, contribuyen al Fotopico.


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IMPORTANCIA DEL TAMAO DEL CRISTAL.

Para el cristal pequeo:

1 Efecto fotoelctrico. FOTOPICO 2 Distribucin COMPTON 3 e- y positrn, de aniquilacin.

DOBLE ESCAPE

Cuando el tamao sea mayor, ms se destacarel fotopico sobre el resto de la distribucin, ypor lo tanto ms claramente resultar laradiacin analizada.

El espectro proporcionado por un detector decentelleo sobre el que incide un

monocromtico no es tan simple. Se obtiene una distribucin parecida a una curvagaussiana, de mayor o menor anchura segn sea la calidad del equipo.

Por qu la forma gaussiana del Espectro?

La amplitud de los impulsos producidos en el nodo del fotomultiplicador por laabsorcin total de igual Energa vara de unos a otros.

Fenmenos de Dispersin del Nmero de electrones desprendidos del fotoctodo, yla multiplicacin de los dnodos.

Falta de homogeneidad de la sustancia luminiscente, o del fotomultiplicador.

La medida de la amplitud del impulso es dependiente del nmero de electrones quellegan al nodo. Existe una relacin con el pico y el ancho del fotopico, que permiteestimar la resolucin del detector.N de e - del nodo E. Perdida por los s Anchura del Fotopico E1/2

Luego se mide la resolucin como:

OBJETIVO : Disminuir en lo posible todo tipo de contribucin al espectro distinta alfotopico.

0,622MeVenCspara%5,7%100* 137 fotopico E

E


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Vemos en el siguiente grfico la diferencia normalizada al Fotopico para dos cristalesde diferente tamao:

El 55% para el cristal de: 7 x 7cm.El 33% para el cristal de: 4 x 2,5cm.

Se aprecian claramente los picosde escapes simple y doble, parael Se aprecian claramente lospicos de escapes simple y doble,para el de 2,75 MeV, con unaimportancia relativa mayor en elcristal pequeo que en el grande.

Para el de 1,37 MeV no seaprecian efectos de creacin depares, ya que la probabilidad dehacerlo es menor.

Segn se aprecia en el esquemade desintegracin, los dos de unmismo ncleo de Na 24 sonemitidos en cascada, y puedenconsiderarse coincidentes en eltiempo (siendo el tiempo dedesexcitacin de t*~10 -11 sg).Puede suceder que dos scoincidentes penetren y cedan toda su energa en el cristal, obteniendo en el espectroun pico de energa igual a la suma de los dos s = PICO SUMA.

La probabilidad de que estoocurra es proporcional a P 1*P 2(de que cada penetre en elcristal), y disminuye con elngulo slido con el que elcristal ve a la fuente, de talforma que si las fuentes sealejan, la probabilidad bajarmucho.


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Otro ejemplo de la importancia del tamao en el espectro.

Espectro de la radiacin del Cs137obtenido con cuatro cristales de NaI(Tl) dedistinto tamao.

A = 4x2,5 cmB = 5x5 cmC = 7x7 cmD = 12x12 cm

Ejemplo de Pico de Escape de los Rayos X del Iodo (28 KeV).

Otro efecto que suele darse al analizar el espectro deuna radiacin de baja energa, resulta al escapar delcristal el rayo X de 28 KeV caracterstico del Iodo.

La interaccin fotoelctrico es muy grande a bajasenergas, por lo que dicha interaccin se produceprincipalmente en la superficie del cristal por dondepenetr la radiacin. De ah que la probabilidad deescape sea ms alta.

No es observable para Energas mayores de 160 KeV.


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