SPETTROMETRIA
GAMMA
A CURA DI:
• FRANCO Daniele
ITIS Hertz
• SANGERMANO Dario
• MANZO Toni
Liceo “E. Amaldi”
• ROTUNNO Maria Giulia
TUTORI INFN:
• CASANO L.
• CHITI M.
FUNZIONAMENTO DI UNO SPETTROMETRO
PER MISURE DI RADIOATTIVITÀ GAMMA
Lo spettrometro è l’insieme della
strumentazione raffigurata nello
schema a blocchi ed è utilizzato per
misurare l’intensità e l’energia dei
fotoni che sono radiazioni
elettromagnetiche di alta energia.
Queste radiazioni si riscontrano in
natura e per questo vengono
effettuate delle misure per verificare
se sono osservati i limiti stabiliti a
norma di legge per limitare i danni
alle persone esposte e all’ambiente.
Queste radiazioni vengono emesse
dai materiali radioattivi a causa dei
decadimenti che subiscono.
DECADIMENTI RADIOATTIVI
La legge di decadimento esprime la variazione del
numero dei nuclei nel tempo che ancora non
subiscono una trasformazione radioattiva. (N =
N0* e- λt )
Per ricavare questa legge viene utilizzata la
costante di decadimento che esprime la frazione
di nuclei che decadono nell’unità di tempo.
(dN/N0/ ∆t)
I nuclei per cercare lo stato energetico minimo,
decadono in un nucleo figlio emettendo
radiazioni di tipo alfa, beta o gamma.
INTERAZIONI DEI GAMMA CON LA MATERIA
I fotoni non interagiscono direttamente con la materia,
poiché sono privi di carica elettrica e di massa, ma
interagiscono indirettamente ovvero rilasciano la loro
energia alla materia attraversata per mezzo di 3
fenomeni quantistici: effetto fotoelettrico, effetto
Compton, produzione di coppie.
EFFETTO FOTOELETTRICO:
Il fotone incidente interagisce con un elettrone
appartenente agli orbitali dell’atomo maggiormente
legati, emettendolo con energia cinetica pari a:
Ee = Eγ – B(energia di legame)
Il vuoto che si crea viene riempito da uno o più elettroni
dell’orbitale più esterno emettendo un raggio γ.
EFFETTO COMPTON:
In questo fenomeno si ha un urto elastico dove l’energia
dell’elettrone dipende dall’angolo di emissione (θ) del
fotone diffuso e dall’energia del fotone incidente ( Eγ ).
Eγ΄=Eγ/1+(1-cosθ)Eγ/mc2
PRODUZIONE DI COPPIE:
La produzione di coppie avviene quando l’energia si
trasforma in massa, producendo un elettrone e un
positrone,che a loro volta si possono annichilire con altri
positroni ed elettroni. Ciascun positrone ed elettrone ha
una massa di riposo pari a 511 KeV così occorrono 1022
KeV affinché si produca una coppia.
IL RIVELATORE
Il rivelatore è un trasduttore e comprende lo scintillatore ed
il fotomoltiplicatore. L’insieme dei due trasforma degli
“eventi di ionizzazioni ed eccitazioni” in “ impulsi elettrici”
perdendo un po’ di energia.
GLI SCINTILLATORI
Gli scintillatori emettono fotoni nel
range del campo visibile quando
vengono sollecitati da fotoni. Nel
nostro caso utilizziamo uno
scintillatore al NaI attivato al Tl
che è mescolato nel reticolo
cristallino. I fotoni emessi dall’
interazione dei gamma nel
rivelatore si muovono in maniera
isotropa e vengono convogliati
sul fotomoltiplicatore. Per l NaI
l’energia media di eccitazione e’
di circa 30eV, il picco di
emissione (del NaI) è di circa
400nm e l’efficienza è di circa il
10%. Il cristallo di NaI è
incapsulato di alluminio ed è a
contatto col fotocatodo con un
grasso ottico che ha un indice di
rifrazione di 1,5.
FOTOMOLTIPLICATORE:
Il fotomoltipicatore è costituito inizialmente da un FOTOCATODO che è
un elettrodo che per effetto fotoelettrico converte i fotoni emessi
dallo scintillatore in elettroni con un’efficienza del 25%. La carica
emessa è talmente piccola(0,0012pC) che occorre moltiplicarla
tramite una struttura a dinodi. I DINODI, posti a tensioni crescenti,
moltiplicano gli elettroni ad ogni impatto e sono posizionati in
successione a potenziale crescente.
AMPLIFICATORE:
Serve per amplificare il segnale proveniente dal
fotomoltplicatore. Esso agisce in maniera da avere la
stessa impedenza onde evitare l’attenuazione del
segnale e l’eventuale riflessione dello stesso fa sì che il
segnale d’uscita sia proporzionale al segnale d’entrata
che a sua volta è proporzionale all’energia iniziale.
ADC & MCA:
Il segnale analogico emesso dall’amplificatore viene
digitalizzato in codice binario attraverso l’ADC ( analogic
digital converter ) e viene classificato e contato
attraverso l’MCA ( multi chanel analyzer ) che
immagazzina i segnali a diversi livelli energetici in canali
diversi.
APPARATO SPERIMENTALE
OTTIMIZZAZIONE DELLA RISOLUZIONE VARIANDO
L’HV
La risoluzione è:
R = FWHM/ Ho
dove FWHM è l’ampiezza a mezza altezza del picco e Ho
è il canale centrale del picco.
N
H0
CANALE
CANALE
CANALE
MISURE
CONTEGGI
CENTRALE
SX MIN
1
20019
92
88
6759
89
10664
88,390
2
10087
99
95
3996
96
5844
95,366
3
10119
106
101
3505
102
5429
101,380
4
20093
111
107
10000
108
13884
107,387
5
10086
118
114
4243
115
5824
114,314
6
20072
124
120
8934
121
12125
120,318
7
10201
133
128
3932
129
5330
128,274
8
10081
141
136
4613
137
6176
136,310
9
20073
149
143
9610
144
12408
143,279
10
10052
158
152
4825
156
6028
152,239
11
20091
165
160
9901
161
12285
CONTEGGI
CANALE
CONTEGGI
SX MAX
SX MEDIO
160,237
CONTEGGIO
CANALE
CANALE
CONTEGGI
CANALE
CONTEGGI
DX(MEDIO)
FWHM
9414
94,503
6,113
102
4829
101,485
6,119
6951
109
4582
108,468
7,088
114
10706
115
6792
114,390
7,003
5043
122
5476
123
3687
122,355
8,041
10036
128
11638
129
7773
128,385
8,067
5101
137
5836
138
3986
137,363
9,089
5041
145
5367
146
3698
145,331
9,021
10037
152
12272
153
9075
152,319
9,040
5026
161
6996
162
5452
161,307
9,068
10046
170
11414
171
8373
170,303
10,065
MEDIO
DX(MIN)
DX(MAX)
10010
94
14453
95
5044
101
7276
5060
108
10047
Tensione ( V )
R
900
0,066
910
0,062
920
0,067
930
0,063
940
0,068
950
0,065
960
0,068
970
0,064
980
0,061
990
0,057
1000
0,061
R ( Risoluzione )
Variando la tensione ( Hv ) sul nostro amplificatore abbiamo trovato che
la migliore risoluzione è 0,061 corrispondente ai 980 Volt
0,090
0,080
0,070
0,060
0,050
0,040
0,030
0,020
0,010
0,000
880
900
920
940
960
Tensione ( V )
980
1000
1020
VERIFICA DELLA LINEARITA’
DELL’AMPLIFICATORE
L’amplificazione è definita dal rapporto Vout/ Vin
Questo rapporto deve mantenersi costante
V IN
EA
V OUT
EA
VOUT/VIN
ER (VIN)
ER (VOUT)
EA VOUT/VIN
0,05
0,005
1,68
0,05
34
0,100
0,030
4
0,1
0,005
3,32
0,05
33
0,050
0,015
2
0,15
0,005
4,8
0,05
32
0,033
0,010
1
0,2
0,005
6,48
0,05
32
0,025
0,008
1
0,25
0,005
8,08
0,05
32,3
0,020
0,006
0,8
0,3
0,005
9,68
0,05
32,3
0,017
0,005
0,7
0,35
0,005
11,16
0,05
31,9
0,014
0,004
0,6
0,4
0,005
11,32
0,05
28,3
0,013
0,004
0,5
Analizzando i rapporti tra la tensione in entrata e
quella in uscita abbiamo trovato una zona in cui la
linearità dell’amplificatore si mantiene costante fino
al segnale di tensione di 0,4 Volt.
VERIFICA DELLA LINEARITA’ DELL’ADC
mV
CANALE
50
79
mV/CH
600
500
0,633
400
160
0,625
150
240
0,625
200
319
0,627
100
250
400
0,625
0
Canale
100
300
200
0
300
481
0,624
100
200
Tensione ( m V )
Verificando il rapporto tensione su canale abbiamo
riscontrato dei valori costanti quindi la linearità
dell’ADC è verificata.
300
400
CALIBRAZIONE IN ENERGIA
SORGENTI
CANALE
Ea
ENERGIA
Ea
AMERICIO 241
15
1
59,5
0,1
COBALTO 57
30
1
136,5
0,1
BARIO 133
83
1
383,8
0,1
CESIO 137
147
1
661,6
0,1
MANGANESE 54
180
1
834,8
0,1
SODIO 22
246
1
1274,5
0,1
COBALTO 60
252
1
1332
0,1
YTTRIO 88
291
1
1836
0,1
La calibrazione
permette di trovare la
relazione matematica
tra canale dell’adc ed
energia dei fotoni.
EFFICIENZA
E' il rapporto fra fotoni visti/ fotoni emessi ovvero il numero di impulsi
registrati dal rivelatore per un radionuclide e il numero di disintegrazioni
realmente avvenute nel radionuclide.
Per calcolare l’efficienza è quindi necessario conoscere l’attività del
radionuclide al momento della misura
CANALE SX
CANALE DX
SOMMA
CANALI
Co_57
26
36
10
33655
Cs-137
124
161
37
101234
Mn-54
162
193
31
112359
Co-60
227
241
14
91861
Co-60
244
261
17
79910
Y-88
279
298
19
15427
CH SX
CH SXX
MEDIA CH SX
CH DX
CH DXX
448
538
493
26
18
153
174
163,5
19
24
158
168
163
29
28
1804
1675
1739,5
1528
1186
1186
1528
1357
267
240
177
202
189,5
56
55
SORGENTI
CONTEGGI AREA
MEDIA CH DX
MEDIA GEN.
FONDO
AREA PICCO
SECONDI
22
257,5
2575
31080
30,46
21,5
92,5
3422,5
97811,5
68,42
28,5
95,75
2968,25
109390,75
263,94
1357
1548,25
21675,5
70185,5
113,2
253,5
805,25
13689,25
66220,75
113,2
55,5
122,5
2327,5
13099,5
1000
CP/S NETTI
FOTONI
ENERGIA (KEV)
EFFICIENZA
1020,35
96220
136,5
0,0106
1429,57
34052,8
661,6
0,0420
414,45
12016
834,8
0,0345
620,01
32131
1173
0,0193
584,99
32131
1332
0,0182
13,10
846
1836
0,0155
0,045
0,04
Efficienza
0,035
0,03
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0
0
500
1000
1500
2000
Energia (KeV)
Conclusione:
Ponendo a misura diversi campioni ( matrice ambientali )
riusciamo a stabilire:
In base alla posizione dei picchi ( energia del picco ) i tipi di
radionuclidi presenti
Risalire e conoscere l’attività di ciascun radionuclide