Fsica Experimental - 2013-II Eusebio C. TORRES TAPIA- Oscar BALTUANO ELIAS Espectroscopia Gamma Aplicaciones del detectorde NaI(Tl) - Espectroscopia de rayos gamma 1.-OBJETIVOS

Calibracin energtica del sistema de deteccin Obtener los espectros de energa de la radiacin gamma del 22Na, 137Cs ,

60Co Determinar su periodo de semidesintegracin Estudiar la dispersin Comptom Atenuacin de fotones en Plomo (Pb)

2.- INTRODUCCIN El proceso de calibracin con fuentes que emiten fotones de energa conocida, permite Correlacionar el nmero del canal con la energa del fotn, con lo que el equipo de deteccin queda calibrado en energa. 2.1.-Nucleidos . Un nucledo es cada una de las posibles combinaciones de protones y neutrones, (nucleones). Se denomina nmero atmico Z al nmero de protones que posee ese nucledo, y nmero msico A al nmero total de nucleones. En general un nucledo se especifica indicando el nombre del elemento (lo cual indica el nmero de protones) y como supra ndice el nmero msico. Con esto queda inmediatamente determinado el nmero de neutrones, Fuentes radiactivas: 137 Cs, 22Na, 60Co, 196Au Ejemplo : 196Au indica un ncleo de Oro (Z=79) con 196 - 79 = 117 neutrones. Existen tablas donde se indican los diferentes nucledos y el tipo de desintegracin para aquellos que son inestables [1-5,8]

Fig. 1.- Esquema de desintegracin del 137 Cs, 22Na [2]. 2.2.- Radiactividad La radiactividad es el resultado de las transformaciones espontneas, o desintegraciones, que sufren los nucledos que son inestables, hasta alcanzar el ncleo en cuestin una estructura estable. Las radiaciones nucleares se pueden clasificar en tres formas diferentes: alfa, beta y gamma.

Fsica Experimental - 2013-II Eusebio C. TORRES TAPIA- Oscar BALTUANO ELIAS Espectroscopia Gamma Radiacin alfa.- Las partculas constituidas por dos protones y dos neutrones (Equivalentes a un ncleo de Helio: He4). Radiacin beta .- Est constituida por electrones o positrones, denominndose en cada caso radiacin beta negativa, y radiacin beta positiva respectivamente. Radiacin gamma.- Es la radiacin electromagntica, es decir, constituida por fotones. La radiactividad es independiente de las variables externas en las que est inmerso el tomo, tales como la presin, temperatura, composicin qumica, estado de oxidacin, etc. 3.- TRANSFORMACIONES RADIACTIVAS 3.1.- Forma de transformacin Existen diversas formas por la cual un nucledo se desintegra transformndose en otro. Las transformaciones de los nucledos pueden ser transformacin alfa, transformacin beta positiva, beta negativa, por captura electrnica y transformacin radiactiva por transicin isomrica y conversin interna [10]. El nmero de transformaciones por unidad de tiempo se denomina actividad y se mide en Beckerel (Bq) que corresponde a una desintegracin por segundo de tiempo transcurrido: 1Bq=1s-1. 3.2.- Leyes de las transformaciones radiactivas. La actividad A de una muestra radiactiva depende del nmero de ncleos radiactivos N que la muestra posea en dicho instante t, es decir:

(1) El signo menos en la ecuacin(1) indica que estos ncleos radiactivos disminuyen en el tiempo, esto ocurre hasta llegar al estado estable . Si el tiempo transcurrido es tal que el nmero de ncleos radiactivos disminuy a la mitad, se obtiene.

Ao (2)

dnde: A(t) = actividad de la muestra en un tiempo t. Ao = actividad inicial de la muestra en t = to. De la ecuacin (2) se obtiene el perodo de semi desintegracin T:

. (3)

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Fig. 2: Ley de decaimiento radiactivo exponencial y representacin del periodo de semidesintegracin 3.2.- Interaccin de los fotones gamma con la materia Los fotones gamma interaccionan muy dbilmente con la materia, por eso pueden atravesar grandes espesores de distintos materiales, siendo improbable que todos los fotones que ingresan a un cierto volumen de material sean absorbidos por el mismo. Los fotones gamma desaparecen en el momento de la interaccin con otros elementos. Existen tres posibles mecanismos de interaccin de los fotones gamma con la materia, que pueden presentarse con diferentes probabilidades segn la energa del fotn en cuestin y el nmero atmico del material donde llegan los fotones; los tres mecanismos son el Efecto Fotoelctrico, el Efecto Compton y la Formacin de Pares. [6, 8]. 4.- Equipamiento [7, 11,13].- - Detector de Centelleo ORTEC (mono cristal de NaI(Tl)-(2x2) Mod. 905-3) - Fotomultiplicador - Pre-amplificador ( CANBERRA- Mod. 2007P) - Amplificador - Fuente de alta tensin (600 V- H.V. SUPPLY -201) - Analizador multicanal (1024 Canales- ORBE ) con conexin tipo USB - Fuentes radiactivas : 137 Cs, 22Na, 60Co - PC Pentium III IBM (software de adquisicin de datos), Monitor - Placas de Plomo (Pb) 5.- Tcnica Experimental 5.1.-Espectrometra .- Para poder conocer la distribucin de energa de los fotones gamma que emite una determinada fuente radiactiva es necesario hacer una espectrometra. Esto consiste en realizar mediciones a travs de un espectrmetro baja energa de los fotones que emite una fuente (137 Cs ), tal como se observa en la fig.3, realizados con un multicanal(BEO) de 1024 canales.

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Fig.3.- Espectro de energa de los fotones de la Fuente 137Cs [7,10]. En la figura 4 se muestra el espectro de radiacin gamma del 137Cs, donde se puede observar un pico de 662 KeV de energa [4-7,10]

Fig. 4: Espectro de la fuente de radiacin gamma del 137Cs [12] 5.2.- Espectrmetro Un espectrmetro consta de la siguiente cadena de instrumentacin.

Fsica Experimental - 2013-II Eusebio C. TORRES TAPIA- Oscar BALTUANO ELIAS Espectroscopia Gamma -DETECTOR DE CENTELLEO - NaI (Tl): los fotones gamma que inciden en el mono cristal que van a interaccionar con el mismo, produciendo este, un fotn de una determinada longitud de onda que depender del tipo de mono-cristal que se est usando.

Fig. 5.- Componentes tpicos de un sistema de espectroscopia gamma [6,8] -Fotomultiplicador: los fotones que se produzcan en el centellador van a interaccionar con el fotoctodo del fotomultiplicador, arrancando un electrn. El fotomultiplicador multiplica la cantidad de electrones que se producen en el fotoctodo. - Fuente de Alta tensin (H.V. SUPPLY-201): La tensin con que trabaja es 600 V. -Preamplificador ( Canberra - Mod. 2007P). -Amplificador . - Modulo ADC (Convertidor Anlogo-Digital) : Modulo ADC tipo Wilkinson con conexin a una PC mediante una interfaz USB. Este ADC fue diseado como etapa de entrada de un analizador multicanal (MCS), construido para realizar espectrometra con detectores de centelleo de baja actividad [7]. - MULTICANAL (PHA) : Conectado a un PC por el puerto de una USB - SISTEMA DE REGISTRO: Los datos obtenidos tales como la altura de los pulsos (vinculados a la energa de los fotones) y el nmero de cuentas (nmero de fotones con una determinada energa) pueden ser registrados a travs de una computadora conectada a la salida de datos del espectrmetro.

137 Cs

100 200 300 400 500 600 700 800

E ( KeV) (a) Espectro de radiacin gamma del 137Cs (b) Esquema de desintegracin Fig.6 .- Espectro gamma del 137 Cs [9] : En esta figura observamos el foto pic a 662 KeV , as como un rayo X intenso sobre 30 KeV.

Fsica Experimental - 2013-II Eusebio C. TORRES TAPIA- Oscar BALTUANO ELIAS Espectroscopia Gamma Este rayo X corresponde a la conversin interna de 32 keV de las transiciones Ka1 y Ka2, resultado de la des excitacin electrnica tras la conversin interna. 6.- Actividades de aplicacin en la espectroscopia gamma 1.- Obtener el espectro de radiacin gamma de las fuentes: 137Cs, 22 Na, y del 60Co . Qu diferencia existe entre las fuentes? Explique cada caso, con argumentos 2.- Usar el foto pico de ambos espectros para calibrar el espectrmetro. Cmo aplicara la calibracin para la fuente de 60Co ?. 3.-Realizar la calibracin energtica para el espectro de una fuente: ( 22Na + 137 Cs ) . 4.- Realizar un anlisis de las fuentes de los errores introducidos en las mediciones e las Fuentes utilizadas [5]. 7.- REFERENCIAS 1.-PRUTCHI D., PRUTCHI S.R.: Exploring Quantum Physics through Hands-on Projects, John Wiley (2012) chap. 5. 2.- R.B. FIRESTONE , TABLE OF ISOTOPES , Eighth Edition John Wiley 3.- W. SEELMANN-EGGEBERT, G. PFENNIG, H. MNZEL, "Nuklidkarte" 4ta. edicin, Gesellschaft fuer Kernforschung, Karlsruhe, (1974) 4.-MELISSINOS A., NAPOLITANO J.: Experiments in Modern Physics, Second Edition, Academic Press (2003) Chap. 8. 5.- LEO, W.R.: Techniques for Nuclear and Particles Physics Experiments, 2ed , Springer Verlag (1994).( Chap. 9, 14, 15). 6 .- J.I. DUGGAN, Laboratory Investigation in Nuclear Science , publicado por la firma NUCLEOS Inc, -TENNELEC, 1988. 7.- O.R. BALTUANO E.: Analizador Multicanal con interfaz USB para aplicaciones Con detectores de Centelleo, IPEN- Informe Cientfico tecnolgico (2008), Pag. 146-151 8. - H.M. STAUDEMAIER Ed, : PHYSICS EXPERIMENTS USING PCs,( Chap. 10.) Nuclear Spectrometry using a PC Converted to a Multichannel Analyzer, J.S. Braunsfurth( Pag. 251-281) Springer Verlag (1997) . 9.-E. Alcusa-Sez, F. Hueso-Gonzlez: Espectroscopia gamma con un detector NaI(Tl) y un analizador multicanal, Laboratorio de Fsica Nuclear y de Partculas, Facultad de Fsica, Universidad de Valencia (2010) 10.- Miroslav Mal, L. Machala, J. Tuek : PRAKTIKUM Z ATOME A JADERN FYZIKY, (Manual de Laboratorio de Fsica Atmica y Nuclear) Pirovdeck Fakulta, Univerzity Palackeho v Olomouci ,Czech Republik (2005) 11.- CANBERRA.- Manual sobre los equipos Canberra 12.- AN34-ORTEC. Experiments in Nuclear Science, EG& G. ORTEC 13.- ORTEC.- Manual sobre los equipos ORTEC (1976,1990)