SPETTROMETRIA : MESSA IN FUNZIONE
DI UNA CATENA DI ACQUISIZIONE CON
RIVELATORI DI NaI(Tl)
SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA DI MISURA
Rivelatore
NaI(Tl)
Fotocatodo
Fotomoltiplicatore
Dinodo
Amplificatore
ADC
MCA
Alta tensione
INTERAZIONE FOTONE/MATERIA
I fotoni non interagiscono direttamente con la materia. La radiazione fotonica,
quando la attraversa, rilascia la sua energia attraverso tre effetti:
EFFETTO FOTOELETTRICO
Permette la trasmissione dell’energia del fotone alla materia. Il
fotone interagisce con un elettrone che si trova negli orbitali
più interni dell’atomo.
L’elettrone acquista energia e sale di livello; se gli viene
somministrata un’energia sufficiente a farlo fuggire dall’atomo,
avverrà l’effetto fotoelettrico.
L’effetto Compton è una particolare interazione tra un
fotone ed un elettrone libero (poco legato). Quando il
fotone colpisce l’elettrone, varia la sua traiettoria e la sua
lunghezza d’onda.
L’energia del fotone secondario e dell’elettrone varierà in
funzione dell’angolo di emissione.
EFFETTO COMPTON
PRODUZIONE DI COPPIE
Può accadere che un fotone interagisca con i campi
elettrici della materia con cui viene a contatto, producendo
un elettrone ed un positrone. L’energia minima che deve
avere il fotone per dar luogo a questo effetto, dovrà essere
di 1022 keV.
SPETTRI ACQUISITI
Spalla
Compton
Am-241
Mn-54
Cs-137
Co-60
Fotopicchi
x=ch
y=conteggi
TARATURA E f(Ch)
Per poter effettuare la calibrazione del rivelatore occorre calcolare un coefficiente che
permetta di determinare la relazione che intercorre tra il numero del canale e l’energia del
fotone. Nell’ipotesi che tutti i fenomeni siano lineari, la relazione tra l’energia e il numero
del canale sarà una retta.
I canali inseriti nel grafico sono quelli relativi ai fotopicchi di alcune sostanze note: Am-241,
Cs-137, Co-60. I valori sull’asse delle x sono stati inseriti facendo la media aritmetica dei
canali prossimi al conteggio massimo.
L’energia di ogni fotopicco è nota in quanto è un valore caratteristico di ogni radionuclide.
Dopo l’individuazione dei punti, si è considerato un errore di 0.5 canali per ogni misura; si è
infine tracciata la retta di cui si è calcolata la pendenza fra due punti.
1400
1200
E (KeV)
1000
800
600
400
200
0
0
50
100
150
200
Ch
La relazione tra energia e canale è
E = k*Ch+b
K = 8,16 keV/Ch
b = -10 keV
L’errore percentuale medio sul
calcolo dell’energia è del 2%
Si è così verificata una buona relazione tra l’ipotesi e le misure sperimentali effettuate.
CURVA DI EFFICIENZA
Efficienza
efficienza
0,140
0,120
0,100
Nuclide
Americio-241
Cesio-137
Manganese-54
Cobalto-60
Cobalto-60
0,080
0,060
0,040
0,020
Energia [KeV]
59,54
661,66
834,84
1173,24
1332,5
Efficienza
0,122
0,041
0,046
0,027
0,018
L’errore percentuale massimo sul calcolo
dell’efficienza è del 7%
0,000
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Energia
L’efficienza intrinseca di picco è definita come il rapporto tra i fotoni
misurati per secondo dal rivelatore ed i fotoni totali emessi dalla
sorgente
e = conteggi al secondo
 emessi al secondo
La curva dell’efficienza in funzione dell’energia nell’intervallo da noi
considerato è quella riportata in figura
FWHM f(E)
La FWHM (Full Width Half Maximum) rappresenta l’intera
larghezza del fotopicco a metà altezza ed è correlata con la
risoluzione del sistema.
R=
FWHM
FWHM
H
H
25,0
R (%)
20,0
Andamento della
risoluzione in funzione
dell’energia
15,0
10,0
5,0
0,0
0
200
400
600
800
Energia [KeV]
1000
1200
1400
L’errore percentuale massimo sul calcolo
della FWHM è minore del 10%
DALLO IODURO AL GERMANIO…
SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA DI MISURA
Rivelatore
Ge (HPGe)
Alta tensione
Preamplificatore
Amplificatore
ADC
MCA
PERCHE’ IN SPETTROMETRIA  SI USANO
RIVELATORI AL Ge?
Banda di
conduzione
Banda di
conduzione
E > 1 eV
E > 5 eV
Banda di valenza
Banda di valenza
Semiconduttori
(Ge)
Isolanti
(NaI)
FWHM  1
N
N = numero medio di particelle cariche (elettroni) per ogni interazione
NGe > NNaI
FWHMGe < FWHMNaI
CARATTERISTICHE DEL Ge(HPGe)
Energia = -0.1120 +0.174590 Ch -6.0214*10-10Ch2
Tabella dell’efficienza
FWHM = 4.5103 +0.001259 Ch -4.49739*10-8Ch2
Energy
Effic.
Fit
Delta
--------------------------------------------------0.00 ========== Knee ===========
25.81 0.058500 0.061558 -5.23%
59.30 0.061970 0.059269 4.36%
121.38 0.052830 0.047465 10.15%
244.51 0.030263 0.032248 -6.56%
344.10 0.024433 0.025130 -2.85%
344.79 0.025090 0.025090 -0.00%
778.71 0.011259 0.011779 -4.62%
832.14 0.010965 0.010965 0.00%
963.93 0.008676 0.009307 -7.27%
1111.99 0.008028 0.007880 1.84%
1408.30 0.006435 0.005894 8.40%
1434.10 0.005759 0.005759 0.00%
2615.18 0.002516 0.002516 -0.00%
CONFRONTO SPETTRI DELL’EUROPIO-152
Ge (HPGe)
Eff.(661 keV) = 0,011
Risoluzione = 0,17 keV/Ch
NaI(Tl)
Eff.(661 keV) = 0,041
Risoluzione = 8,16 keV/Ch
N.B. Gli errori sono quelli riportati nelle tabelle precedenti
ANALISI DEI DATI
Campione di terra del bosco dei
Monti Lepini
Radionuclide
Energia [keV]
Cs-137
661,57 + 0,17
Dal momento che il tempo di
dimezzamento del Cs-137 è di circa 30
anni è ragionevole pensare che questo
radionuclide risalga a Chernobyl.
Tempo di campionamento: 96709 s
Lo scopo finale dell’esperienza è quello di analizzare gli spettri di
radionuclidi presenti nelle matrici ambientali.
Bosco Andrea
I.T.I.S. “H. Hertz” Roma
Natale Francesco
I.T.I.S “E. Fermi” Frascati
Perotti Roberto
I.T.I.S “S. Cannizzaro” Colleferro
Pirrò Stefano
I.T.I.S “E. Fermi” Frascati
Rega Martina
L.S. “B.Touschek” Grottaferrata