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