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Conceptos básicos en espectrometría de radiación gamma Alejandro Martín Sánchez Departamento de Física Universidad de Extremadura 06071 Badajoz IV WORKSHOP.

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1 Conceptos básicos en espectrometría de radiación gamma Alejandro Martín Sánchez Departamento de Física Universidad de Extremadura Badajoz IV WORKSHOP RADIACIÓN NATURAL Y MEDIO AMBIENTE

2 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

3 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.

4 E = E e - + E e m o c 2 Principales mecanismos de interacción del fotón

5 SECCIONES EFICACES Absorción Fotoeléctrica σ cte Z n E -3.5 ; 4 < n < 5 Dispersión Compton σ cte Z / E Producción de pares σ cte Z 2

6 PROBABILIDADES DE INTERACCIÓN

7 TIPOS DE DETECTORES l CENTELLEO NaI(Tl); CsI(Tl); CsI(Na);… l SEMICONDUCTOR HpGe; Si; Si(Li); CdTe; GaAs…

8 Detectores de Centelleo l La radiación gamma excita los átomos del detector. l Cuando éstos se desexcitan, emiten luz, que es recogida por un fotomultiplicador.

9 Detectores de NaI(Tl)

10 Fotomultiplicadores

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12 Detector de INa(Tl)

13 Detectores de semiconductor l La radiación gamma excita electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción. l 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.

14 Detectores de semiconductor

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16 Detectores HpGe

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20 MC A AMPLIFICADOR ESQUEMA BÁSICO DE UN SISTEMA DE DETECCIÓN muestra PA FUENTE DE TENSIÓN ADC Energía Cuentas detector core Interacción Fotón-cristal Partículas secundarias (e-) Ionización en el cristal

21 TEORICO EXPERIMENTAL

22 Detector ideal grande

23 Detector real

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25 Espectro monoenergético Fig. Distribución energética electrónica para fotones de energía Eo detector Fuente E o Fotones aniquilación DETECTOR E.F P.P E.C R.X Extremo Compton Contínuo Compton Pico múltiple Compton

26 Efectos debidos al blindaje

27 Esquema de interacciones Fuente monoenergética detector Escape R.X Ge R.X Pb Fuente Fotones aniquilación Fotón dispersado Blindaje Pb Blindaje Pb DETECTOR Compton blindaje Fotones aniquilación E.F P.P E.C Bremsstrahlung

28 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 > 120 o 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

29 137 Cs Extremo Compton Multiple Compton Pico Backscattering R.X DETECTOR NaI

30 Espectro real monoenergético

31 Espectros monoenergéticos

32 239 Pu 235 U 103,04 81,74 51,70 46,21 13,04 0, ,7030,04 51,6238,66 46,21 12,96 0,077 56,83 E(keV) a 103 a81a81 a 51 a 13 a 0.07 ESQUEMAS DE DESINTEGRACIÓN T emisión (fotón i) = A( 239 Pu) * I (i)

33 ESQUEMAS DE DESINTEGRACIÓN T emisión (fotón i) = A( 131 I) * I (i)

34 Espectro real monoenergético Espectro real multienergético

35 Espectro real multienergético

36 Varios radionúclidos

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38 Conceptos importantes l 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

39 RESOLUCIÓN

40 Conceptos importantes l EFICIENCIA l Absoluta Relación entre el número de fotones emitidos por la fuente y el número de sucesos detectados. l Intrínseca Relación entre el número de fotones que llegan al detector y el número de sucesos detectados. l Relativa Relación 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. l De fotopico Relación entre el número de fotones emitidos por la fuente y el de fotones que dejan toda su energía en el detector (fotopico).

41 Comparación

42 CUESTIÓN: ¿cómo determinar el número de fotones de una energía específica E o emitidos por una fuente? Tasa fotónica 1.En el espectro, se busca el canal correspondiente a la energía E o 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) / T detección = n o fotones que depositan toda su energía E o en el detector n o fotones que depositan toda su energía E o en el detector (E 0 ) = n o fotones con energía E o que son emitidos por la fuente Energía Cuentas Eo Pico(FEP) Detector

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44 Calibración en eficiencia del sistema muestra-detector (C i – F i ) / t detección Medida de una muestra patrón con tasas de emisión fotónica conocidas (E i ) = T emisión (E i ) Dificultades experimentales 1) Situación idéntica a la muestra de interés: geometría, matriz, densidad, disposición respecto detector. 2) Amplio rango energético ( 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) T emisión (E i ) = A * I i

45 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

46 Suma por coincidencias Radionúclidos multigamma X X' 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

47 APLICACIONES

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49 AÑO 1999

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