Modulo F: materiali scintillatori
Stagisti: El Ouechrine Ibtihel, Malimpensa Leonardo, Manfrin Ilenia
Interazione della radiazione
elettromagnetica con la materia
Le principali interazioni dei fotoni con la materia sono:
‐effetto fotoelettrico
‐Compton scattering
‐produzione di coppie
La probabilità di avere un effetto piuttosto che un altro dipende dall’energia del fotone incidente e dalle caratteristiche del materiale assorbitore (Z)
Generalmente, l’effetto fotoelettrico è dominante fino a 1MeV, l’effetto Compton tra 1 e 2 MeV e la creazione di coppie a energie superiori a 2 MeV.
Effetto Compton
L’effetto Compton si ha quando un fotone incidente
colpisce un elettrone di un materiale assorbitore. Il fotone
viene deflesso con un angolo rispetto alla direzione iniziale e
trasferisce parte della sua energia all’elettrone, che viene
anche esso deviato.
L’energia del fotone deflesso dipende dalla sua energia iniziale e dall’angolo di scattering, secondo la formula:
Misura dell’effetto Compton
Si prende una sorgente di radiazioni γ e la si collima in modo da colpire un blocchetto di materiale (scatteratore) con fotoni monodirezionali. Utilizzando un rivelatore a scintillazione, si misura l’energia del fotone deflesso a vari angoli.
γ
e‐
γ
Apparato sperimentale
I.
Sorgente di raggi gamma collimata
II. Target
III. Rivelatore CsI(Tl) e fotomoltiplicatore
Elettronica di acquisizione
SPLITTER
AMPLIFICATORE 2
1
CONSTANT FRACTION 3
DISCRIMINATOR
ADC (Analog to Digital Converter)
CONTROLLER (ingresso di trigger)
3
4
Sistema di acquisizione FAIR
5 SYSTEM 2
1
4
PC
5
Scelta del rivelatore
Sono stati testati diversi rivelatori:
y Cadmio Tellurio (rivelatore a semiconduttore) – Usato per test con 241Am (raggi γ di energia < 70 keV)
ottima risoluzione
piccola superficie attiva (5 mm x 5 mm)
sensibile fino a 100 keV
Th
y Scintillatore BaF2
Ra
radioattività interna
Rn
dovuta a tracce di 226Ra.
Po
y Scintillatore CsI(Tl)
buona risoluzione
buona efficienza
bassa radioattività interna
En (ch)
Radioattività interna BaF2
Spettri di assorbimento
E’ stato misurato con un rivelatore CsI(Tl) l’assorbimento dei fotoni emessi dalla sorgente di 137Cs da parte di assorbitori di spessore diverso. L’attività della sorgente è nota e costante nel
periodo di tempo della misura (tmis=3 min).
3
2
1
Assorbitore 1: spessore 1 mm
Assorbitore 2: spessore 20 mm
Assorbitore 3: spessore 60 mm
En (ch)
Spettro 137Cs con assorbitore 2 Spettri di assorbimento
Assorbimento in funzione dello spessore
120
100%
98 %
Intensità normalizzata (%)
100
1
80
67 %
2
60
40
26 %
20
3
0
0
10
20
30
40
Spessore(mm)
50
60
70
Risultati
Utilizzando la sorgente di 137Cs con uno scatteratore di alluminio di 2,5 cm di spessore e come rivelatore uno scintillatore un CsI(Tl) si sono ottenuti i seguenti risultati:
Spettro
137Cs a 15°
Risultati
700
662KeV
650
634KeV
637± 36KeV Energia (KeV)
600
564KeV
619±50 KeV 550
E(th)
E(mis)
528±52 KeV 500
480KeV
450
446±37 KeV 400
0
15
30
Angolo di scattering (gradi)
45
60
Conclusioni
Osservato il Compton scattering e verificato la formula di Compton
y Studiato l’assorbimento di materiali di vario spessore
y Apprezzato le difficoltà sperimentali
y Sorgenti a bassa attività e con breve tempo di dimezzamento
y Radioattività naturale confrontabile con le rese in certe regioni angolari
y Utilizzato diversi tipi di rivelatori e imparato a conoscere le loro caratteristiche
y Compreso il funzionamento dell’elettronica