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Espectrometría αcon detectores de semiconductor
Javier Linares TorresJesús González Senent
Técnicas Experimentales II (Grupo B)
30 de mayo de 2019
Javier Linares Torres Jesús González Senent Espectrometría α 30 de mayo de 2019 1 / 32
Índice
1 Objetivos
2 Introducción teórica
3 Resultados y discusión
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Índice
1 Objetivos
2 Introducción teórica
3 Resultados y discusión
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Objetivos de la práctica
Comprender el funcionamiento de los detectores de semiconductor deSi para la detección de partículas cargadas, en este caso, α.• Estudio de las condiciones experimentales adecuadas.• Calibración en energía mediante pulser y un pico α del Am.• Interpretación de espectros.• Identificación de una muestra problema.• Cálculo de actividades.• Medida de espesores de láminas de oro.
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Índice
1 Objetivos
2 Introducción teórica
3 Resultados y discusión
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Fundamento teórico
Desintegración α
Son núcleos de 42He emitidos en una desintegración de un núcleo pesado
AZX −→ A−4
Z−2Y + 42He
Padre
Hijo
α
Propiedades importantes:Son radiación muy ionizante (Z=2).Tienen mucha masa y por lo tanto baja penetración.La mayoría tienen energías ∼ 3 − 7 MeV.
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Fundamento teórico
SemiconductoresSe caracterizan por tener un gap Eg ∼ eV.
Al paso de radiación ionizante, se crean pares e − h: 106 >> 103 − 104 fotones decentelleo.Trabajaremos con un detector de Silicio: 3.6 eV para crear un par e − h.Esto nos permitirá medir bajas energías y tener buena resolución εrel ∝ 1/
√N.
E EF-EV
-EC Eg
Metal Semiconductor Aislante
Banda
deconducción
Banda
devalencia
Electronesinternos
Semiconductores de tipo p y n.Javier Linares Torres Jesús González Senent Espectrometría α 30 de mayo de 2019 7 / 32
Fundamento teórico
Unión PNMediante una unión PN en inversa conseguimos maximizar la zona de deplexión.Detección correcta de la creación de pares e − h al paso de radiación ionizante:
• No hay recombinación (zona de carga neutra).• ~E es mayor.• Tenemos que W ∝
√V .
• Espesores típicos: W ∼ 100 µm − 1 mm.
n pZona dedeplexión
−+
V
α
++++−−−−
W
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Geometría del detectorParcialmente polarizado:
unión p+
unión n−
Pasivación
Contacto con AlZona de deplexión
Contacto óhmico
α
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Geometría del detectorTotalmente polarizado:
unión p+
unión n−
Pasivación
Contacto con AlZona de deplexión
Contacto óhmico
α
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Montaje experimental
Compacto (preamplificador y amplificador integrados).Púlser integrado y calibrado en unidades de energía.
Tensión: 120 V.Área activa del detector: 50 mm2.
Bomba de Vacío.Aislado para evitar la luz visible.
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1 Objetivos
2 Introducción teórica
3 Resultados y discusión
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Calibración
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Pico Am
Pulser
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Esquema de desintegración del 241Am
24195Am
432.2 y5.1401
0.1585
0.1030
0.0595
0.0332
23794Np 2.14 · 106 y
0.0
α265.3882 MeV
1.4%α28
5.4428 MeV12.8%
α305.4856 MeV
84.5%
γ9
γ2
γ15
γ6
ce
ce
ce
ce
ce
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241Am sin vacío y sin polarización
1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
20
40
60
80
100
120
140Sin polarizar y sin vacío
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241Am con vacío y sin polarización
1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
50
100
150
200
250
300Sin polarizar y sin vacío
Sin polarizar con vacío
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241Am con vacío y con polarización
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241Am con vacío y con polarización en log
3 3.5 4 4.5 5 5.5 610
0
101
102
103
104
Sin polarizar y sin vacío
Sin polarizar con vacío
Con polarización con vacío
* No se muestran los errores
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241Am con vacío y con polarización
5.35 5.4 5.45 5.5 5.550
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
26: (5.3882 MeV,1.4%)
28: (5.4428 MeV,12.8%)
30: (5.4856 MeV,84.5%)
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Actividad de la muestra de 241Am
A =N
G · IαG = sin2
(θ
2
)θ = arctan
(Rd
)Iα = Iα26 + Iα28 + Iα30 = 0.987%
α
1 mm
d=
13m
m
R =4 mm
θ
R (mm) 4.0 ± 0.6d (mm) 13 ± 1
G 0.022 ± 0.005N (s−1) 40.2 ± 0.3A (Bq) (1.9 ± 0.4) · 103
ABiblio = 2580 Bq
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Muestra problema
1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
5
10
15
20
25
30
35
40
45
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Muestra problema
1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Desintegraciones
Desintegraciones
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Muestra problema
5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.50
5
10
15
20
25
30
35
40
5.27 0.02
5.32 0.02
5.42 0.02
6.05 0.03
5.68 0.02
6.29 0.02
6.78 0.02
8.72 0.02
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Muestra problema
Dado que las energías tabuladas son las de la reacción completa, Qα,debemos usar
Qα = EαMd + Mα
Mdcon Md ≈ 237 u, Mα ≈ 4 u
Hemos obtenidoQα (MeV)
5.51 ± 0.025.77 ± 0.026.16 ± 0.036.39 ± 0.026.89 ± 0.028.93 ± 0.02
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Muestra problema
Comparando con las series radioactivas naturales, vemos que se trata de laserie del Torio 232:
Qα (MeV)
5.51 ± 0.025.77 ± 0.026.16 ± 0.036.39 ± 0.026.89 ± 0.028.93 ± 0.02
Núclido Desintegración Qα (MeV) Producto232Th α 4.081 228Ra228Ra β− 0.046 228Ac228Ac β− 2.124 228Th228Th α 5.520 224Ra224Ra α 5.789 220Rn220Rn α 6.404 216Po216Po α 6.906 212Pb212Pb β− 0.570 212Bi212Bi β− 2.252 212Po
α 6.208 207Tl212Po α 8.955 208Pb207Tl β− 4.999 208Pb208Pb - - -
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Muestra problema
1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Desintegraciones
Desintegraciones -(máx)
Cuestión: ¿Aparecen las señales β en la muestra?Desintegraciones β:
Espectro continuo (no hay picos).No dejan toda la energía en el detector.
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Láminas de oro
Poder de frenadoEl poder de frenado S expresa la energía que pierde una partícula porunidad de longitud del material atravesado. Si tenemos un material deespesor t:
∆E =
∫ t
0S(E )dx
El poder de frenado para 1 keV < Eα < 10 MeV se encuentran tabulados yse calculan como
S(E ) =SLowSHigh
SLow + SHigh(eV/(1015át/cm2))
SLow = A1(1000 ∗ E )A2
SHigh = 1000A3E ln
(1 + 1000A4
E + A5E
1000)
A1 = 3.223 A2 = 0.5883 A3 = 232.7 A4 = 2.954 A5 = 1.05
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Láminas de oro
CuestiónDiscutir si el espectro medido obtenido insertando 2 láminas de Au juntasentre la muestra y el detector debe ser igual o distinto al obtenido con 2láminas de Au iguales a las anteriores pero separadas entre sí por variosmm.
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000
100
200
300
400
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Láminas de oro
Poder de frenadoEl poder de frenado S expresa la energía que pierde una partícula porunidad de longitud del material atravesado. Si tenemos un material deespesor t:
∆E =
∫ t
0S(E )dx
ObtenemosS(E ) = 84.078 eV/(1015át/cm2)
Estimaremos los espesores de las láminas como
t =∆E
S(E )ρAu
donde ρAu es la densidad atómica del oro y vale 5.9 · 1022 át/cm3.
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Láminas de oro
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Láminas de oro
Hemos obtenido:∆E (keV) t (µm)
Lámina 1 169 ± 3 34.1 ± 0.4Lámina 2 198 ± 3 39.8 ± 0.4
Lámina 1 y 2 368 ± 4 74.1 ± 0.5
Se tiene que
t1 + t2 = 73.9 ± 0.8 µm ≈ 74.1 ± 0.5 µm = t12
Podemos concluir que para las energías que estamos midiendo, el vacío eslo suficientemente bueno.
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Referencias
Krane, Kenneth S. and Halliday, David and othersIntroductory nuclear physics1987G.F. KnollRadiation Detection and MeasurementWiley & Sons, Inc., 1979
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