Lezione 2 Laboratorio e tecniche di misura della radioattività
Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia
Anno accademico 2007 – 2008
ADE
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I rivelatori di radiazione e
Come si fa una misura in laboratorio
La lezione di oggi
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I rivelatori di radiazioneI rivelatori di radiazioneI rivelatori al Germanio iperpuroI rivelatori al Germanio iperpuro
La catena elettronicaLa catena elettronica
L’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuroL’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuro
I rivelatori di radiazioneI rivelatori di radiazione
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Strumentazione e tecniche per la misura della radioattività
a. produzione di elettroni liberi e ioni, che possono essere fatti migrare lungo un campo elettrico e raccolti
Processi che avvengono nell’interazione radiazione ionizzante con la materia:
b. per ionizzazione o eccitazione si produce una lacuna che viene riempita da un elettrone con rilascio un fotone, di energia pari a quella di legame, che può essere nel visibile
c. una ionizzazione permanente induce un cambiamento dello stato chimico della sostanza che può essere misurato chimicamente
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Metodi di rivelazione
Conteggi di Fotoni (luce visibile) con scintillatori + fotomoltiplicatori
Speci chimiche alterate in materiali liquidio solidi
Elettroni e ioni con rivelatori a gasElettroni e lacune con semiconduttori
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Interazione - rivelatoreUn fotone che incide su un rivelatore può interagire in 3 modi:
1. effetto fotoelettrico
2. effetto Compton
3. produzione di coppie
Il rivelatore vede solo i prodotti elettricamente carichi di queste interazionielettroni
Gli elettroni ionizzano, creando coppie e/lacuna
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Effetto fotoelettricoIl fotone interagisce con un elettrone delle orbite più interne la cui energia di legame Eb è inferiore di quella del fotone h. Il fotone è assorbito e viene emesso un elettrone di energia:
bpe EhE
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Effetto ComptonIl fotone urta elasticamente un elettrone la cui energia di legame Eb è molto inferiore all’energia del fotone htrasferendogli parte della sua energia
e-
h’ h
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Produzione di coppie Il fotone di energia energia h maggiore di 2 me = 1.02 MeV passa nelle vicinanze di un nucleo e si converte in una coppia e+e-
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Rivelatori a gas(ad esempio, camera a ionizzazione)
tensione tra gli elettrodi
geometria degli elettrodi
composizione e pressione del gas
Fattori che determinano il funzionamento:
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Rivelatori a semiconduttore (1)
Funzionano come una camera a ionizzazione a stato solido: la radiazione ionizzante interagisce con il volume sensibile del rivelatore e produce elettroni di ionizzazione e lacune segnale elettrico
Energia di ionizzazione media: 3.5 eV < energia di ionizzazione media del gas 35 eV a parità di energia rilasciata avrò più cariche rilasciate migliore precisione
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Rivelatori a semiconduttore (2)
Si e Ge hanno 4 elettroni di valenza. Nel cristallo gli atomi sono disposti su un reticolo e uniti da legami di covalenza
L’assorbimento dell’energia della radiazione provoca la rottura dei legami con la creazione di coppie elettrone - lacuna
Elettroni e lacune si muovono liberamente nel cristallo
Connettendo il semiconduttore in un circuito si misurerà una corrente ai suoi capi
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I rivelatori di radiazione I rivelatori di radiazione I rivelatori al Germanio iperpuro (HPGe)I rivelatori al Germanio iperpuro (HPGe)
La catena elettronicaLa catena elettronica
L’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuroL’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuro
I rivelatori di radiazioneI rivelatori di radiazione
I rivelatori di radiazione I rivelatori di radiazione I rivelatori al Germanio iperpuro (HPGe)I rivelatori al Germanio iperpuro (HPGe)
La catena elettronicaLa catena elettronica
L’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuroL’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuro
I rivelatori di radiazioneI rivelatori di radiazione
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Rivelatore al GermanioGeometria coassiale
Gli elettrodi sono la superficie esterna e l’asse del cilindro
Ottengo volumi sensibili di 1000 cm3
Posso anche avere una geometria a pozzo (well), che permette di inserire la sorgente dentro il rivelatore
4
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Rivelatore al GermanioGeometria coassiale
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Geometria coassiale: confronto tra vari rivelatori HPGe
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Rivelatore al Germanio e criostato
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Rivelatore al Germanio, Dewar e azoto (liquido)
T bassa (77 oK)
bassa corrente di fuga
Criostato
impurità, stabilità termica
Raffreddo il rivelatore con azoto liquido
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Risoluzione in energiaÈ la caratteristica fondamentale dei HPGe
Rivelatori di al Germanio
Meccanismi di rivelazione dei
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Interazione -HPGe
Un fotone che incide su un rivelatore può interagire in 3 modi:
1. effetto fotoelettrico
2. effetto Compton
3. produzione di coppie
Il rivelatore vede solo i prodotti elettricamente carichi di queste interazionielettroniGli elettroni ionizzano, creando coppie e/lacuna
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Interazione -HPGe (fotopicco - 1)
Un esempio di possibile interazione
incidente
effetto Compton (e- + )
fotoelettrico (e-)
produzione di coppie (e- + + )
ecc. ecc.
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Interazione -HPGe (fotopicco - 2)
... che equivale alla reazione
Ph
ossia ad un SINGOLO effetto fotoelettrico perchè è un evento TUTTO CONTENUTO all’interno del rivelatore nessun uscente
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Interazione -HPGe (Compton - 1)Un esempio di possibile interazione
se questo fosse uscito dal rivelatore senza fare fotoelettrico ...
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Interazione -HPGe (Compton - 2)
...sarebbe stato equivalente alla reazione...
...ossia ad un SINGOLO effetto Compton con il uscente, perchè è un evento NON CONTENUTO all’interno del rivelatore almeno 1 uscente
C
e-
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Sezioni d’urto -Ge (probabilità di interazione del fotone in funzione della
sua energia in un materiale)
fotoelettrico
Comptonproduzione di coppie
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Schema di decadimento del 137Cs
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Spettro multicanale di 137Cs
1 solo fotopicco (663 keV)
Compton multipli all’interno del rivelatore
Spalla Compton (continuo), nel rivelatore e nello schermo
Picco di backscattering dalla schermatura
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Spettro multicanale di 88Y
2 fotopicchi (898 e 1836 keV)
picco di fuga semplice o single escape (1 della produzione di coppie scappa)
ESE=EPE-511keV
picco di fuga doppio o double escape (2 della produzione di coppie scappano)
EDE=EPE-1022keV
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I rivelatori di radiazione I rivelatori di radiazione I rivelatori al Germanio iperpuroI rivelatori al Germanio iperpuro
La catena elettronicaLa catena elettronica
L’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuroL’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuro
I rivelatori di radiazioneI rivelatori di radiazione
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Catena elettronica
Devo registrare il segnale creato nel rivelatore
rivelatore preampli shaper multicanale (MCA)
Scopo della catena elettronica è:
amplificare il segnale uscente dal rivelatore
non aggiungere rumore o introdurre distorsioni
Memorizzare il segnale su computer per l’analisi successiva
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I rivelatori di radiazione gI rivelatori di radiazione g
I rivelatori al Germanio iperpuroI rivelatori al Germanio iperpuro
La catena elettronicaLa catena elettronica
L’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuroL’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuro
I rivelatori di radiazioneI rivelatori di radiazione
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Analisi dati HPGe: generalità
Scopo:
misurare l’attività e riconoscere il nuclide in un campione
Mezzo:
spettro di multicanale (MultiChannel Analyser, MCA) +
correzioni opportune +
identificazione nuclide e misura attività
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Analisi dati HPGe: significato di uno spettro MCA
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 E(keV)
#eventi
nel tempo t di misura
ho rivelato N fotoni (eventi) con 5 keV<E<7 keV
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Caratteristiche EG&G GMX
n-type HPGe
tensione di lavoro: -4800 V
area attiva nominale: 120 cm2
efficienza relativa al fotopicco: 25%
risoluzione a 5.9 keV (55Fe): 740 eV
risoluzione a 1.33 MeV (60Co): 1.95 keV
rapporto fotopicco-Compton 47:1
finestra d’ingresso in Berillio
range utile di energia 3keV-10MeV
volume di circa 120 cc
La misura dell’attività con un HPGe
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Calcolo dell’attività
R: rateo di emissione per una riga
P: branching ratio per la riga
N: # di eventi nel fotopicco
: efficienza all’energia della riga
C: correzioni varie (autoassorbimento, geometria,...)
T: live time
CPT
N
P
RA
Calibrazioni di un HPGe
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Procedure di calibrazione
Voglio/devo calibrare il rivelatore in: Energia corrispondenza tra segnale raccolto ed energia
del fotone incidente Efficienza quanti conteggi ottengo con una sorgente di
una certa attività analizzata per un certo tempo
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Sorgente di calibrazione
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Spettro di calibrazione
Analisi di spettri MCA
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Analisi dello spettro
Decido i nuclidi che voglio misurare nel campione e analizzo lo spettro di MCA, nel quale mi devo aspettare di trovare:
i fotopicchi dei nuclidi che cerco i fotopicchi del fondo picco a 511 keV dovuto a creazione di coppie Picchi di fuga (semplice e/o doppio)
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Spettro del fondo (1)
con schermo di Pb
senza schermo di Pb
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Spettro del fondo (2)
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I picchi somma
Sono ottenuti quando 2 incidono sul rivelatore insieme (t~)
Posso ottenere: fotopicco+fotopicco fotopicco+Compton Compton+Compton
Un caso tipico lo ottengo con una sorgente (tipo 60Co) che per ogni decadimento produce 2
grande branching ratio
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Picco di fuga singolo e doppio
Se il incidente ha energia sufficiente per fare una creazione di coppie, può succedere che 1 o 2 dei di annichilazione del e+ esca dal rivelatore senza interagire.
Ottengo: Picco di fuga singolo: Efotopicco - 0.511 MeV
Picco di fuga doppio: Efotopicco - 1.022 MeV
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La schermatura
Schermo il rivelatore da fonti esterne di rumore (pareti, mobili, aria, raggi cosmici,...)
Per attenuare i posso usare Pb, che con 5 cm mi attenua di un fattore:
Energia 0.5 MeV 1.0 1.5 3
Attenuazione 9500 56 19 11
Metto lo schermo lontano dal rivelatore per ridurre la probabilità che un faccia Compton sullo schermo e finisca sul rivelatoreSchermo gli X-Pb (12 e 80 keV) con CdSchermo gli X-Cd con CuPosso anche avere 210Pb, 210Bi, 60Co, 137Cs
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Un’analisi in laboratorio
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Scelta del campione da analizzareDeve poter essere messo in un Marinelli
Omogeneo
Sospetto che contenga qualcosa
Lo confronto con un campione di controllo
Lo raccolgo senza perturbarlo troppo
Non dimentico l’equilibrio secolare
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Preparazione della misura
Decido quale elemento voglio misurare
Guardo che sia rivelabile
Controllo i suoi parenti
Calibro il rivelatore
Decido la durata della misura
Non dimentico il fondo
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La misura
Preparo il Marinelli
Metto il campione in misura
Controllo il tempo morto
Decido quanto dovrà stare in misura il campione
Aspetto…. preparando la libreria dei nuclidi
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L’analisi
Controllo bene lo spettro: Fotopicco Escape peak X-rays Fondo
Misuro l’attività
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Cosa è stato misurato negli anni passati ?
Terra (Verbania, Caluso, Torre Pellice, Lanzo, Roero, Ceresole, Cavoretto)
Sabbia zirconifera
Filtri aria 86
Cemento
Olio esausto
Licheni
Foglie (Robinia 86, incognite 96)
Fieno
Caffe’ (Lavazza, Sarajevo)
Vino (Dolcetto 87, Vercelli 96, Pecetto 97)
Succo di frutta (Nipiol, Tropical)
Latte
Acqua (Po prima e dopo Molinette, Viverone, Sangone prima e dopo S.Luigi, rubinetto, Finlandia, Saluggia)
Acqua minerale (Sangemini, Boario)
Miele (88, 96)
Farina
Pesce (sardine, merluzzo)
Camice di un radiologo
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I rivelatori di radiazione gI rivelatori di radiazione g
I rivelatori al Germanio iperpuroI rivelatori al Germanio iperpuro
La catena elettronicaLa catena elettronica
L’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuroL’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuro
I rivelatori di radiazione I rivelatori di radiazione
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Surface Barrier Si: generalità
I rivelatori di Si a T ambiente sono quasi ideali per la rivelazione di particelle cariche
Sono robusti, economici, facili da usare
OK su un grande range di E (da e- di 20 keV a di 200 MeV
Sono veloci (~1ns)
e’ virtualmente 100%
Li trovo in qualunque forma/geometria
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Wafer di Si
Qualunque varieta’ di geometria
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Range delle particelle cariche
Con rivelatori di 10 m riesco a misurare ioni di 1 MeV
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Setup sperimentale
Il silicio è alloggiato in una camera a vuoto
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I rivelatori
Hanno aree sensibili di
25-3000 mm2
Sono alloggiati dentro il modulo a vuoto
Normalmente sono sensibili alla luce
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Preparazione esperimento
Uso il setup standard per spettroscopia
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Posizionamento campione
Devo tener conto del fattore 1/R2 quando posiziono i campioni da analizzare
angolo solido visto dal rivelatore
Metto la sorgente nella camera a vuotoFaccio il vuoto(100 mTorr)
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Lo spettro di 241Am
3 picchi a 5.486 MeV 5.443 MeV5.380 MeV
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Lo spettro del 252Cf
Spettro di fissione
Surface Barrier Si detectors:precauzioni varie
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Allargamento della Larghezza a Metà Altezza
(Full Width Half Maximum, FWHM)
Avvicino molto la sorgente al rivelatore
L’angolo di incidenza massimo aumenta e lo spessore visto dallo ione aumenta
Ho un allargamento della FWHM (energy straggling)
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Spessore in energia della sorgente
La sorgente è normalmente un dischetto di plastica, con depositata sopra la sostanza radioattiva
Dato il range delle , anche lo spessore del materiale radioattivo provoca un autoassorbimento
Proporzionale allo spessore
Surface barrier Si: esperimenti
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Attività assoluta di una sorgente
Ho un rivelatore con una efficienza del 100%
Posso quindi misurare l’attività di una sorgente dalla:
s= distanza sorgente-rivelatorer= raggio rivelatore
2
2 4_'
r
s
tempo
alphapiccoattivita
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Rapporto tra i modi di decadimento di 241Am
Se ho abbastanza risoluzione in energia posso vedere i 3 modi di decadimento: 5.476 MeV 5.433 MeV 5.378 MeV
Verifico le branching ratios: 84.4% 13.6% 1.4%
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Misura della dE/dx
Metto la sorgente nel portacampione
Misuro lo spettro e calibro in E
NON sposto la sorgente
Misuro l’energia residua delle interponendo vari spessori tra sorgente e rivelatore
Questo mi da una misura della dE/dx nel materiale
Posso confrontarlo con le tabelle Energia-Range
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Tabella Range-Energia per
Cu)=8.96 g/cm3
Range(5MeV) = 9.1(mg/cm2)/(8.96g/cm3) = 10.2 m
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Posso misurare la radioattività in matrici ambientali con un rivelatore al Germanio
... e ora si va in laboratorio a provare ...
Riassumendo