Conceptos básicos en espectrometría de radiación gamma
Alejandro Martín SánchezDepartamento de Física
Universidad de Extremadura06071 Badajoz
IV WORKSHOP“RADIACIÓN NATURAL Y MEDIO AMBIENTE”
Desarrollo de técnicas de detección:
• pp. Siglo XX: Placas fotográficas (Becquerel y Villard)
• Contador Geiger-Müller (1928) y proporcional (1940): medida instantánea y cuantitativa de radiación gamma de bajas energías
• 1948: cristales centelleadores de NaI: adquisición de espectros en un amplio rango energético, con aceptable resolución y alta eficiencia.
• Años 60: Detectores de Si(Li) y Ge(Li): Revolución en espectrometría gamma. - Ventaja: Mejoran la resolución en un orden de magnitud. - Inconveniente: mantenimiento a T del Ni líquido, incluso durante almacenamiento.
• Años 70: Detectores de Ge hiperpuro (HpGe): sustituyen a los Ge(Li), pues sólo requieren enfriamiento durante su funcionamiento.
• Futuro: - Semiconductores con mayor Z y empleados a T ambiente (CdTe, AgAs)- Cristales centelleadores más compactos (CsI)- Detectores criogénicos con mayor resolución en energías
Espectrometría gamma
Ventajas respecto a otras técnicas de detección:
• Técnica de recuento multielemental
• Ausencia de tratamientos químicos previos en las muestras
• Técnica no destructiva
Campos de aplicación
• Radiactividad ambiental: estudios geológicos, de datación, migración de radionúclidos, etc
• Medida y control de la contaminación radiactiva: origen natural o artificial.
• Aplicación en áreas industriales
• Procesos básicos en física teórica: contraste de modelos teóricos
• Estudio de las secciones eficaces en espectroscopía nuclear• Reacciones nucleares• Núcleos especiales
•Aplicaciones más avanzadas: uso en experimentos de búsqueda de neutrinos solares, desintegración y materia oscura.
θcos-1
cm
E1E·E'
2o
E = Ee- + Ee+ + 2 moc2
Principales mecanismos de interacción del fotón
SECCIONES EFICACES
Absorción Fotoeléctrica
σ ≈ cte Zn E-3.5; 4 < n < 5
Dispersión Compton
σ ≈ cte Z / E
Producción de pares
σ ≈ cte Z2
PROBABILIDADES DE INTERACCIÓN
TIPOS DE DETECTORES
CENTELLEO
NaI(Tl); CsI(Tl); CsI(Na);…
SEMICONDUCTOR
HpGe; Si; Si(Li); CdTe; GaAs…
Detectores de Centelleo
La radiación gamma excita los átomos del detector.
Cuando éstos se desexcitan, emiten luz, que es recogida por un fotomultiplicador.
Detectores de NaI(Tl)
Fotomultiplicadores
Detector de INa(Tl)
Detectores de semiconductor
La radiación gamma excita electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción.
La aplicación de un campo eléctrico adecuado permite la recogida de cargas creadas por la radiación en los electrodos, formándose un impulso eléctrico, que es recogido por el sistema electrónico asociado.
Detectores de semiconductor
Detectores de semiconductor
Detectores HpGe
MCA
AMPLIFICADOR
ESQUEMA BÁSICO DE UN SISTEMA DE DETECCIÓN
muestra
PA FUENTE DE TENSIÓN
ADC
Energía
Cu
enta
s detector
core
Interacción Fotón-cristal
Partículas secundarias (e-)
Ionización en el cristal
TEORICO
EXPERIMENTAL
Detector ideal grande
Detector real
Detector real
Espectro monoenergético
Fig. Distribución energética electrónica para fotones de energía Eo
detector
Fuente Eo
Fotonesaniquilación
DETECTOR
E.F
P.PE.C
R.X
Extremo Compton
Contínuo Compton
Pico
múltiple Compton
Efectos debidos al blindaje
Esquema de interaccionesFuente monoenergética
detector
EscapeR.X Ge
R.X Pb
Fuente
Fotonesaniquilación
Fotón dispersado
Blindaje Pb Blindaje
PbDETECTOR
Compton blindaje
Fotonesaniquilación
E.F
E.F
P.P
P.P
E.C
E.C Bremsstrahlung
• R.X Pb (blindaje) = 72 keV
• Picos escape R.X
• R.X NaI (cristal) = 28 keV (Pico Eo – 28 keV)
• R.X Ge (cristal) = 11 keV (Pico Eo - 11 keV)
• Backscattering en blindaje para ángulos > 120o
Pico extenso [170 – 270 keV]
• Picos de escape en la producción pares: (Eo – 511 keV) y (Eo – 1022 keV)
• Múltiple Compton: Estructura continua entre pico y el extremo Compton
• Radiación de aniquilación: pico 511 keV
• Bremstrahlung: Interacción radiación
137Cs
ExtremoCompton
MultipleCompton
PicoBackscattering
R.XDETECTOR NaI
Espectro realmonoenergético
Espectros monoenergéticos
239Pu
235U
103,04103,04
81,74
51,70
46,21
13,04
0,0770
88,70 30,04
51,62 38,66
46,21
12,96
0,077
56,83
E(keV)103
81
51
13
0.07
ESQUEMAS DEDESINTEGRACIÓN
Temisión (fotón i) = A(239Pu) * I (i)
ESQUEMAS DE DESINTEGRACIÓN
Temisión (fotón i) = A(131I) * I (i)
Espectro real monoenergético
Espectro real multienergético
Espectro real multienergético
Varios radionúclidos
Conceptos importantes
Resolución
Capacidad del sistema de detección para separar dos fotopicos con energías muy parecidas. Se mide generalmente como la anchura a media altura en unidades de energía
RESOLUCIÓN
Conceptos importantes
EFICIENCIA AbsolutaRelación entre el número de fotones emitidos por la fuente y el
número de sucesos detectados. IntrínsecaRelación entre el número de fotones que llegan al detector y el
número de sucesos detectados. RelativaRelación entre la eficiencia de un detector de Ge y la de otro de
3x3” de NaI(Tl) para el fotopico de 1.33 MeV del Co-60. De fotopicoRelación entre el número de fotones emitidos por la fuente y el de
fotones que dejan toda su energía en el detector (fotopico).
Comparación
CUESTIÓN: ¿cómo determinar el número de fotones de una energía específica Eo emitidos por una fuente? Tasa fotónica
1. En el espectro, se busca el canal correspondiente a la energía Eo
2. Se calcula el área bajo el “fotopico” (Full-energy peak) ( C )
3. Se sustrae el fondo “Compton” bajo el área del fotopico ( F )
(C – F) / Tdetección = no fotones que depositan toda su energía Eo en el detector
no fotones que depositan toda su energía Eo en el detector
(E0) = no fotones con energía Eo que son emitidos por la fuente
Energía
Cu
enta
s
Eo
Pico(FEP)
Detector
MUESTREO DE LA DIRECCIÓN DE EMISIÓN DEL FOTON
Energy (keV)
100 1000
Effic
iency (%
)
0,1
1
10 Calculated values Experimental values
SDD = 2 cm
SDD = 5 cm
SDD = 20 cm
Calibración en eficiencia del sistema muestra-detector
(Ci – Fi) / tdetecciónMedida de una muestra patrón con tasas de emisión fotónica conocidas
(Ei) = Temisión (Ei)
Dificultades experimentales
1) Situación idéntica a la muestra de interés: geometría, matriz, densidad, disposición respecto detector.
2) Amplio rango energético (40-2000 keV)
3) Elaboración de múltiples muestras patrón
4) Almacenamiento progresivo fuentes radiactivas
5) Problemas de suma por coincidencias (Rad. multigamma)
6) Radionúclidos monoenergéticos corto período (coste)
Temisión(Ei) = A * Ii
Cálculo de la actividad
A = (N – F) / (t*ε*I*V)
N – Número de cuentas en el fotopico
F – Número de cuentas del fondo
t – tiempo de medida
ε – Eficiencia de fotopico
I – Intensidad de la emisión
V – Volumen de la muestra
Suma por coincidenciasRadionúclidos multigamma
X
X'0
12
3 4
5
E1 + E3 + E5 = E1 + E4 = E2
E3 + E5 = E4
Fotones (1, 3, 5) y ( 1, 4) y (3, 5) emitidos en cascada (simultáneamente para el detector)
Fotón 2: efecto “summing in”Fotón 1,5,3: efecto “summing out”
Fotón 4: efecto “summing in” y “summing out
APLICACIONES
AÑO 1999