“RADIACIÓN NATURAL Y MEDIO AMBIENTE” IV WORKSHOP “RADIACIÓN NATURAL Y MEDIO AMBIENTE” Conceptos básicos en espectrometría de radiación gamma Alejandro Martín Sánchez Departamento de Física Universidad de Extremadura 06071 Badajoz

Espectrometría gamma 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

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 bb y materia oscura.

Principales mecanismos de interacción del fotón E = Ee- + Ee+ + 2 moc2

Absorción Fotoeléctrica 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

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

TEORICO EXPERIMENTAL

Detector ideal grande

Detector real

Detector real

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

Efectos debidos al blindaje

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

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 b

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

Espectro real monoenergético

Espectros monoenergéticos

ESQUEMAS DE 239Pu DESINTEGRACIÓN a103 a81 a51 a13 a0.07 235U E(keV) 103,04 56,83 103,04 a81 88,70 30,04 81,74 a51 51,62 38,66 51,70 46,21 46,21 a13 12,96 13,04 a0.07 0,077 0,077 Temisión (fotón i) = A(239Pu) * I (i) 235U

ESQUEMAS DE DESINTEGRACIÓN Temisión (fotón i) = A(131I) * I (i)

Espectro real monoenergético 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 Absoluta Relación entre el número de fotones emitidos por la fuente y el número de sucesos detectados. Intrínseca Relación entre el número de fotones que llegan al detector y el número de sucesos detectados. 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. 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).

Comparación

no fotones que depositan toda su energía Eo en el detector CUESTIÓN: ¿cómo determinar el número de fotones de una energía específica Eo emitidos por una fuente? Tasa fotónica Pico(FEP) Cuentas En el espectro, se busca el canal correspondiente a la energía Eo Se calcula el área bajo el “fotopico” (Full-energy peak) ( C ) 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 Eo Energía no fotones que depositan toda su energía Eo en el detector e (E0) = no fotones con energía Eo que son emitidos por la fuente Detector

Calibración en eficiencia del sistema muestra-detector (Ei) = Temisión (Ei) (Ci – Fi) / tdetección Medida de una muestra patrón con tasas de emisión fotónica conocidas Temisión(Ei) = A * Ii 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)

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 coincidencias Radionúclidos multigamma X E1 + E3 + E5 = E1 + E4 = E2 E3 + E5 = E4 2 1 Fotones (1, 3, 5) y ( 1, 4) y (3, 5) emitidos en cascada (simultáneamente para el detector) 3 4 5 Fotón 2: efecto “summing in” Fotón 1,5,3: efecto “summing out” Fotón 4: efecto “summing in” y “summing out X'

APLICACIONES

AÑO 1999