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Instituto Peruano de Energía Nuclear CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE ESPECTROMETRÍA GAMMA USANDO DETECTOR DE INa(TL) Practicante: Andrés M. Gonzales Gálvez Asesor: Dr. Agustin Zúñiga Gamarra DIRECCION DE INSTALACIONES GRUPO DE CALCULO, ANÁLISIS Y SEGURIDAD – Andrés M. Gonzales G. IPEN, Enero 2010 Diapositiva 1

Espectrometría gamma i na-tl-practicante

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Instituto Peruano de Energía Nuclear

CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE ESPECTROMETRÍA GAMMA USANDO DETECTOR DE INa(TL)

Practicante: Andrés M. Gonzales GálvezAsesor: Dr. Agustin Zúñiga Gamarra

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Contenido• Resumen• Objetivo• Introducción• Aspectos Teóricos

– Sistema Nuclear de Medición (SNM)– Características del SMN

• Aspectos Experimentales– Voltaje de trabajo– Calibración en energía

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– Calibración en energía– Resolución– Eficiencia en función de la energía– Medición de periodo de semidesintegración de radioisótopo– Medición de actividad de radioisótopo

• Resultados• Conclusiones• Referencias

Resumen

• En este trabajo se muestran los conceptos básicos que se debende conocer para un buen estudio de un Sistema Nuclear deMedición (SNM), así como sus partes y característicasprincipales, para buscar tener el mejor funcionamiento yeficiencia de la cadena, teniendo en cuenta algunasexperiencias básicas, como la medición del voltaje de trabajo,calibración en energía,eficiencia en función de la energía,resolucióny actividadabsolutadeun isótoporadiactivoenuna

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calibración en energía,eficiencia en función de la energía,resolucióny actividadabsolutadeun isótoporadiactivoenunaCadena Nuclear de Medición (CNM) del RP0, del InstitutoPeruano de Energía Nuclear (IPEN). Estableciendo lacorrespondencia en energía de las alturas de los pulsosgenerados por los rayos gamma provenientes de las fuentesradiactivas Cs-137 y Co-60 para la calibración y usando undetector de centelleo INa(Tl).

Objetivo

• Conocer las partes de un sistema nuclear demediciones.

• Conocer las características de un sistema nuclearde mediciones.

• Realizaralgunasmedicionesde aplicacióncon un

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• Realizaralgunasmedicionesde aplicacióncon unsistema nuclear de mediciones.

Diagrama de bloques del Sistema Nuclear de Mediación (SNM)

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Sistema Nuclear de Medición (SNM)

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Fuente

Fuentes de Cesio y Cobalto para la

calibración en energía

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FuenteCadena de Desintegración del Cs-137

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FuenteCadena de Desintegración del Co-60

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• PRINCIPIO :Radiación atraviesacentellador, excitaátomos→ emisión de luz. La luz setransmite porguías al PMT : fotones→ e- Se amplifica la señal que seanaliza en elsist. electrónico.

• INFORMACION:

Centellador de INa(Tl)

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• INFORMACION:

• Energíadepositada o total de la partícula

• Tiempo de llegada del fotoe- (<1ns)• Posición(área que abarca en el

centellador)

MATERIAL

Longitud de

onda de max.

Emisión λm (nm)

Constante de

decaimiento

µs

Indice de

refracción

para λm

Densidad

(gr/cm2)

Eficiencia

relativa al

NaI (TI)

NaI (TI) 410 0.23 1.85 3.67 100%

CsI (TI) 565 1 1.8 4.51 45%

LiI (Eu) 470 - 485 1.4 1.96 4.08 35%

Algunos Centelladores

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ZnS (Ag) 450 0.2 2036 4.09 130%

CaF2 (Eu) 435 0.9 1.44 3.19 50%

Bi4Ge3O12480 0.3 2.15 7.13 8%

• IODURO DE SODIO ACTIVADO CON TALIO – NaI (TI)• IODURO DE CESIO ACTIVADO CON TALIO - CsI (TI)• IODURO DE LITIO ACTIVADO CON EUROPIO – LiI (Eu) • SULFURO DE CINC ACTIVADO CON PLATA – ZnS (Ag)• FLUORURO DE CALCIO ACTIVADO CON EUROPIO – CaF (Eu)

•• Sistema ColectorSistema Colector•• Eficiencia de DetectoresEficiencia de Detectores

Centellador de INa(Tl)

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Eventos en la vecindad del detector - fuente -blindaje

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Fotomultiplicador

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PORTANIM

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Amp 2015

Osciloscopio

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Analizador Multicanal Serie 40

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Analizador Multicanal• Comandos:

– Modo PHA (analizador de altura de pulsos)

– Collect y Clear All (iniciar la medición y borrar todo)

– Ecal (para calibrar automáticamente)

– Expand (expandir región alrededor del cursor)

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– Preset (prefijar los tiempos)

– ROI (para definir la región de interes)

– Read Out (para transferir datos al computador)

– ADE IN (para ingreso de la salida del amplificador)

– Ext (utiliza la amplificación externa)

Espectros

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1500

2000

2500

3000

3500

4000

Cs 137

Con

tage

ns

Espectro γγ de 137Cs

−+→ βBaCs 13756

13755

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0 100 200 300 400 5000

500

1000

Canais

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

Co 60

Con

tage

nsEspectro γγ de 60Co

−+→ βNiCo 6028

6027

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100 200 300 400 500 600 700 8000

250

500

750

1000

Con

tage

ns

Canais

Características de la cadena de INa(Tl)

� Voltaje de Trabajo� Calibración� Resolución� Eficiencia

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Voltaje de TrabajoVoltage Monocanal Multicanal

400 101 0

500 46 0

600 6881 17165

700 50619 21248

700 51120 21334

710 51353 21867

720 52305 21570

730 52797 21572

740 53629 21583

750 54192 20999

760 54575 21243

770 55153 21525

780 55537 21543

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790 55865 21749

800 54210 21986

800 54515 21562

800 54387 21978

810 54616 22016

820 54488 21982

830 54209 21843

840 54193 21833

850 44105 21858

850 53894 21915

860 53054 21934

870 53282 21968

880 53155 21866

890 53320 22082

900 24911 21550

900 24956 21873

Calibración en Energía

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Calibración en energía

Canal Energía (keV)235 662416 1173474 1333

Calibración en Energía

Calibración en Energía

662

11731333

y = 2.8113x + 1.7725

R2 = 1

600

800

1000

1200

1400

1600

En

erg

ía

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662

0

200

400

600

0 100 200 300 400 500

Canales

En

erg

ía

E(keV) = 2.811 x (canal) + 1.772

Espectro del Cs-137 y Co-60

Espectro Cs_137 y Co_60

4000

5000

6000

7000

8000

Cue

ntas

Canal Energía (keV)235 662416 1173474 1333

Calibración en Energía

Calibración en Energía

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0

1000

2000

3000

0 200 400 600 800 1000 1200

Canales

Cue

ntas

Calibración en EnergíaFeunte CanalCs-137 235Co-60 416Co-60 474

Espectro del Cs-137 y Co-60 en función de la Energía

Espectro _ Energía Vs Cuentas

5000

6000

7000

8000

Cue

ntas

Canal Energía (keV)235 662416 1173474 1333

Calibración en Energía

Calibración en Energía

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0

1000

2000

3000

4000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Energía (keV)

Cue

ntasCalibración en Energía

Feunte Energía (keV)Cs-137 662Co-60 1173Co-60 1333

E(keV) = 2.811 x (canal) + 1.772

Espectro del Cs-137, INa

Fondo

ÁreaÁrea = Int. - Fondo

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Energía Area TL Int C(i) C(d) Ch(i) Ch(d)

Cs-137 662.428 140477 600 158020 402 260 208 260

Co-60 1171.2733 15784 600 23944 142 113 384 447

Co-60 1334.3287 14067 600 18755 113 28 447 512.5

Fondo

Espectro Gamma del Co-60, INa

Fondo

Fondo

ÁreaÁrea

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Energía Area TL Int C(i) C(d) Ch(i) Ch(d)

Cs-137 662.428 140477 600 158020 402 260 208 260

Co-60 1171.2733 15784 600 23944 142 113 384 447

Co-60 1334.3287 14067 600 18755 113 28 447 512.5

Fondo

Áreas Netas

%32.0/140477137 ±=− scuentasACs

%17.2/1578460 ±=− scuentasACo

%44.2/1406760 ±=− scuentasACo

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Resolución

Ancho de picoa la altura

mitad

# de canal en el centroide del

pico

RESOLUCIÓÓÓÓN (%)

Cs-137 18 235 7.66

Co60 25 416 6.01

Co60 27 476 5.67

Es una medida de su habilidad para resolver (identi ficar) dos fotopicos cercanos.

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Donde:

R : Resolución en %δE: Ancho de pico a la altura

mitad del máximo nivel decontaje, medido en #canales.

E : # canal en la centroide delpico.

Eficiencia• Coeficiente que relaciona las actividades de una muestra (Am)

y el estándar (As):

fAA

S

m

.=ε LTArea

mA =

tS eAA λ−= 0

137Cs

60Co

T1/2 (años) 30.17 5.27

E(keV) 661,661 1173.237

1332.501

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S 0

Donde:• Área: área bajo el fotopico• TL: tiempo vivo• Ao: actividad del estándar• t : tiempo hasta hoy• λ: constante de decaimiento• f: intensidad relativa (fracción de decaimiento)

1332.501

Iγ 0.85 0.99

EficienciaEnergía Eficiencia

Cs-137 661.6 0.0103 ± δ=0.32%Co-60 1173.2 0.0045 ± δ=2.17%Co-60 1332.5 0.0040 ± δ=2.44%

Cálculos

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Cálculos

Espectro del In-116

Potencia 5WTiempo 90 min

Irradiación

Inicio Irradiacion: 9:58:00

Características de la irradiación y trabajo

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Fin Irradiacion: 11:28:00

Medicion:

Inicio Medicion: 12:10:00

Fin Medicion: 15:56:00

Fotopico del Indio

Fondo

Área

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Area Int Ci Chi Cd Chd TL

13035 15983 51 435 37 501 200

Fondo

Irradiación del IndioIsótopo Radiactivo – In-116

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Eficiencia del Indio

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Donde:

a = 80.349

b = -1.38068

Cálculo de a y b

Energía Eficiencia

In-116 1293.4 0.00406± δ=0.00060%

Periodo de Semidesintegración delIn-116

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Cálculos

Siendo: = 0.844

t = 2h 35min = 155min = 9300sT1/2 = 58.2511min

Actividad del Indio

)107.3)()(( 4xIEficienciaT

ÁreaNetaCi

L γµ =

)696.0

(

02/1.)( T

t

eCittCi−

== µµ

γI

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BqCiAIn 65.190130.5139116 ==− µ

BqttAIn 65.3007Ci0.0757)( 0116 ===− µ

Actividad después de la Irradiación:

Actividad finalizando las mediciones:

CONCLUSIONES• Para caracterizar un sistema de espectrometría gamma usando detector de

NaI(Tl) se debe de tener bien claro cuales son las partes de una cadena nuclearde medición (CNM), así como también las condiciones para unfuncionamiento óptimo.

• Para que el SNMfuncione de manera óptima, se debe conocer bien suscaracterísticas: Voltaje de trabajo, calibración de energía, eficiencia yresolución.

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• El valor del voltaje de trabajo esta en el rango de 750V hasta850V, ya que lacurva se estabiliza teniendo datos muy parejos y no tomamos los valoresextremos, porque hay menos probabilidad de estabilidad.

• El número de cuentas que se registra no depende del voltaje,si es que este seencuentra en el rango del voltaje de trabajo, pero si el voltaje escapa de esterango, si depende.

• Gracias al gráfico de la eficiencia en función de la energíaque se calculó,se puede hallar fácilmente cualquier otra eficiencia para otro elementoradiactivo.

• Conforme aumenta la energía del isótopo radiactivo, la resolución tambiénaumenta en valor, por lo tanto empeora. Mientras menor sea laresolución,sepodrátenerun resultadomásdetallado.

CONCLUSIONES

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sepodrátenerun resultadomásdetallado.

• El detector NaI(Tl) es muy eficiente en estos tipos de estudio, teniendo unaresolución de aproximadamente de 50 keV, no necesita refrigeración connitrógeno líquido como los detectores de Ge(HP)Germanio Hiperpuro,aunque la resolución de estos detectores es mucho mejor deaproximadamente de 1 a 2 keV. Por lo tanto no genera muchos gastos en lacompra de nitrógeno líquido. Y hace al NaI un detector muy eficiente paraestos estudios.

Referencias

• [1] TRAVESI, Análisis por Activación Neutrónica.

• [2] ORTEC, Camberra. Manuales de Venta y Mantenimiento decada Tipo xe Módulo.

• [3] LEDERER M. Table of the Isotopes, 6th ed., Wiley. N.Y.(1967)

• [4] SEELMANN W. Tabla de Núclidos, Karlsruhe (1974)

• [5] OIEAEDERERM. Tableof theIsotopes,6th ed., Wiley. N.Y.

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• [5] OIEAEDERERM. Tableof theIsotopes,6th ed., Wiley. N.Y.(1967)

• [6] http://mirador nuclearperu.blogspot.com

• [7] http://www.fisicarecreativa.com/datos/datos/fuentes_rsd.pdf

Muchas GraciasAndrés Gonzales Gá[email protected]

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