Gamma (2) - EspectroscopÃa gamma con detectores de centello

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Gamma (2)Espectroscopía gamma con detectores de centello

Javier Linares TorresJesús González Senent

Técnicas Experimentales II (Grupo B)

25 de abril de 2019

Javier Linares Torres Jesús González Senent Gamma (2) 25 de abril de 2019 1 / 32

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Índice

1 Objetivos

2 Introducción teórica

3 Descripción de la práctica

4 Resultados


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Índice

1 Objetivos



4 Resultados


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Objetivos de la práctica

Comprender el funcionamiento de los detecterores de centelleo de NaIy su respuesta a la radiación γ. Para ello:• Ajuste de las condiciones experimentales (Espectro de 137Cs)• Calibración en energía, resolución y eficiencia. Interpretación de

espectros.• Identificación de una muestra desconocida y medida de su

actividad.• Cálculo del coeficiente de atenuación µ en el plomo


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Índice

1 Objetivos



4 Resultados


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Detectores de centelleo


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Interacción γ-materia

Efecto FotoeléctricoToda la energía del fotón incidente es absorbida por un electrón ligado quequeda libre.

γ

e−

Se tiene queEe− = Eγ − Eb

siendo Eb la energía de ligadura de e− al átomo.


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Efecto ComptonParte de la energía del fotón incidente es absorbida por un electróndébilmente ligado (Eb << Eγ) que queda libre.

γ

γ′θ

e−

Además se tiene que

Eγ′ =Eγ

1 +Eγ

mec2 (1 − cos θ)


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Creación de paresProceso por el cual una partícula de energía suficiente crea dos o máspartículas diferentes. Es característica la reacción γ → e+ + e−.

γ

e+

e−

El Principio de Conservación de la Energía se expresa aquí de la formasiguiente:

hν = 2m0c2 + E+ + E−

Generalmente este proceso viene seguido del inverso, en el que el positróngenerado se aniquila con un electrón.


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Respuesta ideal y real del detector de centelleo

Emax Eγ

Comptonplateau

BordeCompton

Fotopico

Energía

N◦

de cuentas

Respuesta ideal

Pico deBackscatettering

ComptonPlateau

BordeCompton

Fotopico

Energía

N◦

de cuentas

Respuesta real


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Índice

1 Objetivos



4 Resultados


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Montaje experimental y material necesario

Los aparatos trabajarán bajo una tensión de 1000 V e irán conectadossegún la siguiente figura:


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Montaje experimental y material necesario

Conjunto o "kit"de fuentes γ cuyas principales emisiones son:

Fuente T1/2 Emisiones Principales (keV) Intensidad ( %)

137Cs 30.2 a 661.660 84.7

60Co 5.3 a 1173.238 / 1332.502 99.89 / 99.983

57Co 271.8 d 122.0614 / 136.4743 85.68 / 10.67

22Na 2.6 a 511.003 / 1274.542 180.5 / 99.93

54Mn 312.2 d 834.843 99.976


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Metodología

La práctica consta de las siguientes partes:

1. Queremos registrar medidas de hasta 2 MeV en un total de 512canales. Ajustamos la ganancia para que el fotopico del 137Cs(661.660 keV) se sitúe en torno al canal 200.

2. Adquirimos los espectros de las muestras conocidas(137Cs,60Co,57Co,22Na y 54Mn) para calibrar en energía, resolución yeficiencia.

3. Medimos el espectro de la muestra desconocida y con ayuda de lascalibraciones identificamos de qué elemento se trata y cuál es suactividad.

4. Calculamos el coeficiente de atenuación del plomo a través deespectros obtenidos con la interposición entre el detector y la muestrade capas de plomo de diferentes grosores conocidos.


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Índice

1 Objetivos



4 Resultados


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Espectro 137Cs

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

0

2000

4000

6000RX 137Ba

RX 208PbPico de

retrodispersión

Fotopico

Canal

N◦

decu

enta

s

13755Cs

30.2 y1.1756

137m56Ba

0.66172.55m

13756Ba

0.0estable

β− 1.174 MeV

5.4% β− 0.5120 MeV94.6%

γ1 0.6617 MeV85.10%

ce X0.23%


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Espectro 60Co

0 100 200 300 400 5000

200

400

600

800RX 208Pb

Pico deretrodispersión

BordesComton

Fotopicos

Canal

N◦

decu

enta

s

60m27Co

10.467 m2.8822

6027Co

2.82365.2714 y

60m27Ni

0.0Estable

2.0560

1.330

γ10.5120 MeV

100.0% ce

β+2

0.5120 MeV

0.23%

β−3

1.4909 MeV

0.059%

β−1

0.3179 MeV

99.9%

γ31.1730 MeV

99.9%

γ41.3330 MeV

100%

γ21.3330 MeV

0.24%


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Espectro 57Co

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0

500

1000

1500

2000

RX 208Pb

Fotopicos solapados

Canal

N◦

decu

enta

s

5727Co

271.79 d0.8364

0.1365

0.0144

5726FeEstable

0.0

EC2

99.85%

γ20.1221 MeV

85.6%

ce

ce γ10.0144 MeV

9.16%

γ30.1365 MeV

10.7%


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Espectro 22Na

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0

1000

2000

3000

4000

5000

RX 208PbPico de

retrodispersiónBorde

Compton

Pico deaniquilación

BordeCompton Fotopico

Canal

N◦

decu

enta

s

22Na2.6088 y

2.8420

1.2750

22NeEstable0.0

EC1

10.06%1.022 MeV

β+1 0.5454 MeV

89.8%

γ1 1.2750 MeV

99.9%


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Espectro 54Mn

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0

50

100

150

200

250RX 208Pb

Pico deretrodispersión

BordeCompton

Fotopico

Canal

N◦

decu

enta

s

5425Mn

312.12 y1.3771

0.8348

5424Cr

0.0estable

EC1 0.5120 MeV100.0%

100.0%

γ1 0.8348 MeV


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Calibración en energía

E = x · canal + y

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Canal

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

En

erg

ía (

Ke

V)

Recta Regresión Canal-Energía

Cs137

Co60(1)

Co60(2)

Co57(1y2)

Na22(1)

Na22(2)

Mn54

(*) No se aprecian los errores.

x (keV/canal) 3.402

4x (keV/canal) 0.020

y (keV) −23

4y (keV) 5

r 2 0.99992


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Calibración en resolución

FWHM2 = m · E + n

Energía (KeV)

FW

HM

2

Recta Regresión Energía-FWHM 2

Cs137

Co60(1)

Co60(2)

Co57(1y2)

Na22(1)

Na22(2)

Mn54

m (keV) 0.484

4m (keV) 0.011

n (keV2) −36

4n (keV2) 10

r 2 0.9987


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R =

√m · E + n

E

Energía (KeV)

R (

%)


Cs137

Co60(1)

Co60(2)

Co57(1y2)

Na22(1)

Na22(2)

Mn54


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Eficiencia

ε =n − fA · I log(εf ) = a + b · log(Eγ) + c · (log(Eγ))

2

4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5

log(E)

-6

-5.5

-5

-4.5

-4

-3.5

-3

-2.5

log(e

)

Calibración en eficiencia

Cs137

Co60(1)

Co60(2)

Co57(1y2)

Na22(1)

Na22(2)

Mn54

c −0.187

4c 0.024

b 1.18

4b 0.04

a −4.4

4a 0.4

r 2 0.97


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Análisis muestra desconocida

Espectro Problema

Canal

log (

Cuenta

s)


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Análisis muestra desconocida

Espectro Problema

Canal

log (

Cuenta

s)

RX Ba-137

RX Pb-208

Pico de

Retrodispersión

Borde Compton

Cs-137

Fotopico

Cs-137

Fotopico Zn-65

1.116 MeV

50%Borde Compton

Zn-65


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Actividad a partir de la eficiencia

A =n − fε · I

A partir de la eficiencia del 137Cs:

A (Bq) 1.54 · 104

4A (Bq) 0.04 · 104


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Espectros de emisión

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Energía (keV)

0

10

20

30

40

50

60

70

Cuenta

s/s

egundo

Espectro de Emisión de Cs-137 con Láminas de Pb de diferentes Espesores

Sin Lámina

1.13g/cm2

3.40g/cm2

6.80g/cm2

10.77g/cm2

15.88g/cm2

19.28g/cm2

23.25g/cm2


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Fotopicos

600 650 700 750

Energía (keV)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Cuenta

s/s

egundo

Fotopico de Cs-137 con Láminas de Pb de diferentes Espesores

Sin Lámina

1.13g/cm2

3.40g/cm2

6.80g/cm2

10.77g/cm2

15.88g/cm2

19.28g/cm2

23.25g/cm2


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Coeficiente de atenuación del plomo

Ley de Beer-Lambert:

log(N) = − µ

dPb· t · dPb + log(N0) = p · t · dPb + q

0 5 10 15 20 25

t·dPb

(g/cm2)

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

log(C

uenta

s(f

oto

pic

o)/

segundo)

Coeficiente de Atenuación del Pb

p (cm2 · g−1) −0.1029

4p (cm2 · g−1) 0.0014

q 0.340

4q 0.018

r 2 0.9994


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Coeficiente de atenuación del plomo

µPb (cm−1) 1.168

4µPb (cm−1) 0.004

µBiblio.(600Kev)Pb (cm−1) 1.419


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Referencias

Krane, Kenneth S. and Halliday, David and othersIntroductory nuclear physics1987G.F. KnollRadiation Detection and MeasurementWiley & Sons, Inc., 1979


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