1. DIPLOMADO EN TECNOLOGIA NUCLEAR VERSIN 2012 LABORATORIO DE FSICA NUCLEAR CUESTIONARIO: Estudiante: Eduardo Mera1 1 Departamento de Fsica, Universidad Tecnolgica Metropolitana, Av. Alessandri #1242, uoa. Santiago de Chile, Abril 2013 1

2. 1.- Comente respecto a la interaccin de fotones de distintas energas, del orden de eV, keV y Mev, con la materia. 1. EFECTO FOTOELCTRICO 2. DISPERSIN o EFECTO COMPTON 3. PRODUCCIN DE PARES Estos son los tres modos principales en los que la radiacin Gamma (o los fotones gamma o los rayos gamma, nombres distintos para una misma entidad fsica) interactan con la materia; no son los nicos pero lejos si los ms importantes. En uno de ellos, la radiacin no es totalmente absorbida -el efecto Compton- pero en los otros dos s. Efecto fotoelctrico En el efecto fotoelctrico un fotn es absorbido por un tomo y uno de los electrones atmicos (fotoelectrn no libre) es liberado. (Nota: Los electrones libres no pueden absorber fotones para cumplir simultneamente con la conservacin de la energa y el momento). Por conservacin de energa, la energa cintica del electrn liberado es igual a la energa del fotn incidente menos la energa de enlace que tena el fotoelectrn: Es un proceso dominante en la absorcin de fotones para energas de hasta 500keV. Tambin es una interaccin dominante para materiales de bajo nmero atmico. Dispersin Compton La dispersin (scattering) compton es el proceso por el cual un fotn cambia de direccin y energa al interaccionar con un electrn atmico casi libre que se lleva parte de la energa del fotn. el fotn dispersado disminuye de frecuencia, ya que entrega parte de su energa y por consiguiente cambia su trayectoria. es un choque entre partculas, slo que una es una partcula que no tiene masa sino slo energa. El efecto Compton puede cuantificarse dentro del marco terico ofrecido por Planck y Einstein acerca de la energa electromagntica. Considerando que la masa de los cuantos de esta radiacin (fotones) es Ef = h, el momento lineal p, de cada fotn viene definido por: Mediante las leyes de conservacin del momento lineal y de la energa se obtiene que la diferencia entre las longitudes de onda de entrada y salida del fotn en la interaccin viene dada por: 2 - 1 = C (1-cos ) siendo el ngulo de desviacin de la trayectoria del fotn y c una constante llamada longitud de onda de Compton del electrn, cuyo valor viene dado por: C = h/mec = 2.42 10-3 nm 2 = = = E h h p c c Esquema fotoelctrico 3. 3 Esquema efecto Compton 4. Entre 100 keV y 10 MeV la absorcin de energa se realiza principalmente a travs de este proceso. Disminuye al aumentar la energa del fotn incidente. Produccin de pares El tercer proceso de interaccin de un fotn gamma energtico con la materia es el de produccin de pares, en el que un fotn en presencia de un tomo puede desaparecer creando un par de partculas y antipartculas,electrn- positrn e- + e+ En la produccin de pares, como en cualquier proceso fsico se debe conservar la energa. El fotn que desaparece, cede toda su energa a los pares positrn-electrn que se forman, proporcionndoles tambin la energa cintica necesaria. Existe, por tanto, una energa umbral por debajo de la cual no puede darse este proceso: Emin = 2mc = 1.022 MeV. ! La probabilidad de este proceso aumenta con la energa del fotn incidente Absorcin de la radiacin Gamma Cuando un rayo gamma pasa a travs de la materia, como ya sabemos, puede desaparecer completa o parcialmente por los 3 efectos antes mencionados. La probabilidad de absorcin total o parcial de la radiacin gamma en una capa fina de un material dado es proporcional a su espesor y a la cantidad inicial de radiacin del haz, lo que lleva a una ley de decrecimiento exponencial de la intensidad de la radiacin que se escribe: Aqu, es el coeficiente de absorcin, medido en cm1, x el espesor del material en cm. La magnitud I mide la intensidad del haz. Esta ecuacin se puede expresar usando tambin otras formas, como por ejemplo definiendo el , coeficiente de absorcin msica = / [cm2/g]. En ese caso se debe usar x = masa / rea, una suerte de densidad superficial. Dado que existen 3 procesos que producen atenuacin del haz de fotones, se suele separar el coeficiente anterior en tres partes, dependiendo del efecto que le haya dado origen. Esto se escribe: = + + En que los sub-ndices se refieren respectivamente: : efecto fotoelctrico. : efecto Compton. : Produccin de pares. Comportamiento caracterstico de los distintos coeficientes de absorcin asociados a cada efecto para el Plomo natural. Se ve que para energas bajas de los fotones incidentes prima el efecto fotoelctrico, en el amplio rango de energas intermedias, que va de 1 a 10 MeV, el Compton y de all hacia arriba, la produccin de pares. 4 e e e e e e E T m c T m c m c m c keV . MeV + + = + + + = = = 2 2 2 2 511 0 511 x I I e = 0 5. En resumen Desde el punto de vista energtico, se tiene el presente predominio de cada interaccin Desde el punto de vista de sus propiedades Scattering Compton Efecto fotoelctrico Produccin de pares Interaccin de fotn Con e- libres Con todo el tomo Con el campo nuclear Modo de interaccin Fotn dispersado Fotn desaparece Fotn desaparece Dependencia energa Decrece con la energa 1/E-3 Aumenta con la energa Umbral No No 2mec2 Coeficiente atenuacin sC T k Partculas liberadas Electrn Compton Fotoelectrn Par positrn electrn. Coeficiente atmico (Z) Efecto posterior R-X caract., efecto Auger R-X caract., efecto Auger Radiacin de aniquilacin Importancia Alrededor de 1MeV. De 0 a 0.5MeV > 1.02MeV El esquema de interaccion: 5 ZCa 4 Za 2 Za 6. 2.- Comente respecto a la interaccin de partculas cargadas y neutrones con la materia. PARTCULAS CARGADAS: Cuando una partcula cargada penetra en un medio material, experimenta una serie de colisiones con los tomos constituyentes. Los procesos que contribuyen a la prdida de energa de una partcula en su interaccin con medios materiales son: A. Colisin Elstica. En este tipo de colisin, se conserva tanto la energa cintica como la cantidad de movimiento. En estos casos, la partcula se desva de su trayectoria, cediendo parte de su energa en forma de energa cintica. En estas colisiones, no se produce en el medio ninguna alteracin, ni atmica ni nuclear. B. Colisin Inelstica. Aqu se conserva la cantidad de movimiento, pero NO la energa cintica. La partcula, al sufrir estas colisiones con los tomos del medio, modifica su estructura electrnica, produciendo excitacin, ionizacin o disociacin. C. Colisin Radiativa. Si la partcula cargada se frena por la accin de una deceleracin tangencial, o se desva de la trayectoria por la accin de una aceleracin normal, se emite radiacin electromagntica. Evidentemente las partculas pueden sufrir tambin colisiones con los ncleos atmicos, produciendo reacciones nucleares, pero estos procesos son relativamente poco probables, y por tanto, no suelen considerarse en los procesos de interaccin. Parmetro de impacto Para b >> a : Colisin blanda, el e- transfiere slo una pequea parte de su energa. Para b a : Colisin dura, el e- transfiere una fraccin importante de su energa cintica. Para b 2,5 MeV Si las partculas beta poseen una energa elevada, ha de tenerse en cuenta otro mecanismo importante de prdida energtica. Cuando un electrn experimenta la accin de un campo culombiano, pierde energa por radiacin en forma de espectro continuo, al que se denomina Bremsstrahlung o radiacin de frenado. Este efecto es directamente proporcional a la energa inicial de la partcula, al cuadrado del nmero atmico del absorbente e inversamente proporcional al cuadrado de la masa de la partcula. Estos condicionamientos explican la razn por la que ese efecto carece de importancia en la absorcin de partculas alfa. Para evaluar la relacin de prdida energtica por ionizacin & radiacin, se puede usar la relacin. (dE/dX)Izon/(dE/dX)rad=EZ/800 9 10. Donde E es la energa cintica del electrn en MeV, y Z el nmero atmico del absorbente. En los elementos pesados como el plomo la prdida energtica radiativa es ya importante para E = 1 MeV, pero en el aluminio slo supone un pequeo tanto por ciento de la energa inicial. Simulacin Monte Carlo de trayectorias de electrones de 20 keV que inciden perpendicularmente en una muestra de Fe. (a) dibujo de 5 trayectorias proyectadas sobre un plano; (b) dibujo de 100 trayectorias proyectadas, que dan una impresin visual del volumen de interaccin. Interaccin de positrones con la materia En el caso especial de positrones, se debe indicar que estas partculas siguen pautas de interaccin en medios materiales anlogas a las partculas beta negativa, perdiendo su energa por procesos de colisin y radiacin. No obstante, el fenmeno de aniquilacin de positrones introduce la variante adicional de la generacin de radiacin de aniquilacin, circunstancia importante en especial en el clculo de blindajes biolgicos. La reaccin e+ + e- + se conoce como aniquilacin positrn-electrn. Consiste en la conversin total de la masa de un positrn y un electrn en energa, es la forma ms observada de aniquilacin partcula- antipartcula. Usualmente lo que ocurre, es que el positrn antes de aniquilarse se va frenando con el medio hasta que su energa es suficientemente baja como para que sea capturado por un electrn para formar positronio. As la aniquilacin en vuelo es rara en la prctica y la mayor parte de fotones saldrn en sentidos opuestos y exactamente con 511 Mev de energa cada uno. NEUTRONES: Clasificaciones de Neutrones: Los neutrones segn su energa se clasifican en CCHEN MIT Trmicos 0.00 - 4.0 0.00 - 1.0 Epitrmicos 4.0 - 9118 1.0 - 5104 Rpidos 9118 - 107 5104 4 - 15106 Produccin de Neutrones: Producido por la accin de partculas alfa sobre ciertos elementos ligeros, van desde 1 a 10 MeV o ms. 10 11. Producido por la accin de los rayos gamma de energa moderada sobre ncleos ligeros, en general se producen neutrones mono energticos, ac se requiere una energa umbral, Producido por fisin del 235U en reactores nucleares Producido por ciclotrones, que puede generar neutrones de hasta 100 MeV. Tipos de Reacciones Nucleares: Existen dos tipos de reacciones nucleares las de absorcin y Dispersin (Scattering), la de Absorcin esta para neutrones rpidos y lentos. En la absorcin de neutrones lentos existen cuatro clases principales de reacciones: Emisin de radiacin gamma, o captura radiativa (n,), Expulsin de una partcula alfa (n,), Expulsin de un protn (n,p), Fisin (n,f) Para neutrones rpidos puede ocurrir el fenmeno de absorcin, llamado de resonancia, el proceso solo es factible para energas pequeas Reacciones de Absorcin de neutrones lentos: Reaccin (n,): Llamadas reacciones de captura radiativa. Suceden cuando los neutrones son absorbidos por un ncleo que en el estado de ncleo compuesto as formado, emite su energa excedente mediante la formacin de rayos (o fotones) gamma. Un ejemplo importante en fsica de reactores es: 238 U92 + 0 n1 239 U92 + Reaccin (n,): Son poco frecuentes las reacciones de neutrones lentos que van seguidas de la emisin de una partcula cargada, ya sea una partcula , reaccin (n,), o un protn, reaccin (n,p). Para que una partcula cargada positivamente pueda ser expulsada es necesario que sta disponga de energa suficiente para contrarrestar el potencial electrosttico del ncleo, aparte de la energa que necesita para desligarse de l. Solamente en unos cuantos elementos de nmero atmico bajo, para los cuales es pequea la repulsin electrosttica nuclear, existe la posibilidad de que se emitan partculas cargadas tras la captura de un neutrn lento. Las partculas cargadas que se producen en esta reaccin salen expulsadas en direcciones opuestas y con energas relativamente altas, de modo que son capaces de producir una ionizacin considerable cuando pasan a travs de un gas. Este es el fundamento de un mtodo que se emplea para detectar y contar neutrones lentos. La reaccin (n,) del boro con neutrones lentos es muy rpida y por ello se emplea este elemento, al igual que el cadmio, para el control de reactores nucleares. Reaccin (n,p): Los neutrones rpidos pueden causar una gran variedad de reacciones nucleares. Por ejemplo en el ncleo del reactor (donde se encuentran los elementos combustibles que mantienen la reaccin), los neutrones rpidos pueden interactuar con el 16 O, para generar 16 N que decae radiactivamente (es un radioistopo) emitiendo fundamentalmente fotones de 6.13 MeV o 7.11 MeV y como producto directo de la reaccin un protn, segn: 1 n0 + 16 O8 16 N7 + 1 p1 Esta reaccin es de gran utilidad en el control de la densidad de neutrones en el ncleo, usando sistemas de deteccin que miden el 16 N as generado. 11 12. Reaccin de Fisin nuclear (n,f): Aqu se trata de neutrones que colisionan con ncleos, los que se escinden en diferentes productos de fisin ms livianos que el ncleo blanco original, (normalmente esto fragmentos de fisin son 2). La reaccin ms representativa de este tipo es la que se produce al colisionar neutrones trmicos (neutrones cuyas energas cinticas son equivalentes a la energa trmica ambiente, esto corresponde para temperaturas ordinarias a energas de aprox. 0.025 eV) con ncleos fsiles como el 235 U, 233 U y 239 Pu. Simblicamente, por ejemplo para el nico nclido natural de estos 3, el 235 U92: 1 n0 + 235 U92 XA + XB + varios 1 n0 + Energa En promedio la reaccin de fisin nuclear del 235 U92 genera 2.43 neutrones por fisin, para el caso en que los proyectiles son neutrones trmicos, de ah que en la expresin previa, se haya colocado el trmino varios neutrones, puesto que este nmero ser diferente en general, para distintos eventos de fisin y distintos ncleos fisibles y el valor medio dado es simplemente un parmetro estadstico (denominado). Reaccin de absorcin de neutrones rpidos: Resonancia: Proceso en el cual los neutrones bajan sus niveles energeticos por la presencia de un moderador. Reacciones de Scaterring: Es una reaccin binaria comn que implican simplemente interacciones (colisiones) de neutrones con ncleos, que provocan o bien un cambio de direccin del neutrn original o la generacin de un neutrn extrado del ncleo compuesto original. Al 1er caso se le llama Scattering elstico y al 2 Scattering inelstico. Seccin eficaz para una reaccin neutrnica El concepto de seccin eficaz (cross section) sirve para describir cuantitativamente las interacciones de los neutrones con los ncleos de los tomos. Cuando se expone un material cualquiera a la accin de los neutrones, la velocidad con que se produce una reaccin nuclear determinada, depende del nmero de neutrones, de su velocidad y del nmero y naturaleza de los ncleos existentes en el material irradiado. La seccin eficaz de un blanco, para una reaccin neutrnica determinada, es una propiedad del ncleo y de la energa del neutrn incidente Sea un haz uniforme y paralelo de I neutrones por cm2 que incide normalmente, durante cierto tiempo, sobre una lmina fina de un material que contiene N tomos o ncleos por cm3, cuyo espesor es x, medido en cm. El nmero de blancos por cm2 ser Nx. Sea C el nmero de procesos individuales, es decir, el nmero de capturas neutrnicas que se producen por cm2 . La seccin eficaz nuclear, , para una reaccin determinada, se define como el nmero medio de procesos individuales que tienen lugar por ncleo y por neutrn incidente. Es decir, 12 IxN C )( = 13. Se puede observar que tiene unidades de cm2 /ncleo. Como las secciones eficaces nucleares estn comprendidas generalmente entre 10-22 y 10-2 6 cm2 por ncleo, se acostumbra a expresarlas en unidades de 10-24 cm2 , unidad que se conoce con el nombre de barn. Para comprender el significado de seccin eficaz, conviene escribir la ecuacin anterior como. Si todos los neutrones que inciden sobre el blanco lograsen interaccionar, I sera igual al nmero de blancos que toman parte en la reaccin. Por lo tanto, el segundo miembro de la ecuacin representa la fraccin de neutrones incidentes que consiguen reaccionar con los ncleos del blanco. Se puede considerar a (Nx) como la fraccin de superficie capaz de experimentar la reaccin considerada. Es decir, por cada cm2 de superficie del blanco, solamente resulta efectiva (Nx) cm2. Como el nmero de ncleos contenidos en 1 cm2 de superficie es Nx, resulta que cm2 es la superficie efectiva por ncleo individual para la reaccin considerada. La seccin eficaz para un proceso determinado, que se aplica a un ncleo individual, se denomina frecuentemente seccin eficaz microscpica. Como el material que constituye el blanco contiene N ncleos por cm3, la cantidad N es equivalente a la seccin eficaz total por cm3 y recibe el nombre de seccin eficaz macroscpica del material para la reaccin considerada. 13 I C xN = )( 14. Seccin eficaz macroscpica Representando por la seccin eficaz macroscpica, entonces = N cm-1 Si la densidad msica del material bombardeado es g/cm3, entonces la densidad atmica ser donde N0 es el nmero de Avogadro y A es la masa atmica. La densidad atmica N queda expresada en tomos/cm3. 14 A N N 0 = 15. 3.- Comente respecto al funcionamiento de un monitor Geiger-Muller y discuta si puede detectar neutrones. La estructura de un detector de este tipo es similar a la de un contador proporcional, contando con dos electrodos y un gas de relleno generalmente argn mezclado con un pequeo porcentaje de gas extintor a una baja presin aproximadamente 0.1 atm, el nodo suele ser recto o en forma de aro. La tensin aplicada en los electrodos es mayor que en los contadores proporcionales crendose una avalancha de electrones tan grande que se extiende en todo el gas, debido a esto, todos los pulsos tienen el mismo tamao y debido a ello no hay diferenciacin de energa. La multiplicacin de los pulsos son del orden de 1V y pueden registrarse en un escalmetro sin necesidad de una etapa de amplificacin. A causa del pequeo tamao del detector y de la simplicidad de la electrnica asociada estos instrumentos se utilizan de manera porttil y a un bajo costo. A continuacin se da una tabla de resumen de datos de inters: Tipo de Equipo Radiacin Medida Rango de Medicin tpico Uso principal Geiger Muller Alpha Beta Equis ( X ) Gamma 0.1 a 100 rem 500 a 100000 cpm - Medicin de campos de radiacin. - Contaminacin por emisores betas y gammas. Tabla: Datos de Inters El presente equipo no seria capaz de detectar neutrones, pero si lo pueden hacer los contadores proporcionales y las cmaras de ionizacin. 15 16. 4.- Cmo funciona un detector de centelleo ?. Qu ventajas tiene en comparacin con un G-M ? En este tipo de detectores Los electrones del cristal de centelleo son excitados por la radiacin directa e indirectamente ionizante, estos detectores usan la propiedad de remitir la excitacin atmica o molecular en forma de luz. Cuando el fenmeno sucede de manera instantnea se le denomina fluorescencia y si sobrepasa un tiempo mayor a 10-8 s se le llama fosforescencia, parte de la energa de excitacin es devuelta como vibracin trmica y otra como radiacin visible. Los cristales utilizados se les llama fsforos o haluros alcalinos. Cuando ha sido excitado un electrn, este queda ocupando un nivel en la banda de conduccin para luego caer en un nivel intermedio (entre la banda de conduccin y la banda de valencia) inmediatamente este cae al nivel de valencia emitiendo un fotn de luz proceso fluorescente. Debido a que parte de la energa de excitacin se pierde, la eficiencia de estos detectores es pobre. En la deteccin de la luz emitida se emplea un tubo fotomultiplicador que amplifica y cuantifica la luz convirtindola en una seal elctrica del orden de 10mV para luego llevarla a una etapa de preamplificacin y amplificacin. Los detectores de centelleo hacen diferenciacin por energa y son muy empleados para detectar niveles de radiacin del orden del fondo natural. A continuacin se da una tabla de resumen de datos de inters y el contraste con los detectores G-M. Tipo de Equipo Radiacin Medida Rango de Medicin tpico Uso principal Contadores de Centelleo Alpha Beta Equis (X) Gamma Neutrones (pero no un solo cristal) 0,01 a 20 rem 50 a 250000 cpm Evaluaciones con pequeas contaminaciones. Geiger Muller Alpha Beta Equis ( X ) Gamma 0.1 a 100 rem 500 a 100000 cpm - Medicin de campos de radiacin. - Contaminacin por emisores betas y gammas. Tabla. Datos de Inters y constaste. 16 17. 5.- Cmo se obtiene un espectro de radiaciones gamma ? Qu informacin le aporta ? Teniendo en consideracin que la desintegracin Gamma, , es consecuencia de un arreglo en niveles energticos de los nucleones del ncleo, debido a lo cual se manifiesta despus de una emisin o , el ncleo queda an con un exceso de energa (excitado), dicha energa es liberada al pasar los nucleones a una configuracin ms estable y la energa emitida es una onda electromagntica, llamada Rayo Gamma, este rayo caracterstico las radiaciones nucleares al emitirse y ser registrado por un censor genera una distribucin de la intensidad de la radiacin en funcin de la energa, debe tenerse en consideracin que las emisiones alfa y gamma presentan, espectros discretos, es decir, las radiaciones emitidas, presentan valores bien definidos de energa asociados a la radiacin por lo cual los espectros generados pueden perfectamente calibrarse, lo mas asombroso es que el presente espectro el derivar datos de el satisface plenamente los Principios de Conservacin, de la energa y del momentum de los eventos acontecidos. Debe tenerse en consideracin que los fotones gamma interaccionan muy dbilmente con la materia, debido a eso pueden atravesar grandes espesores de material, 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, y que pueden presentarse con diferentes probabilidades segn la energa del fotn en cuestin y el numero atmico del material donde llegan los fotones, los mecanismos don Efecto Fotoelctrico, Efecto Compton y Formacin de Pares. Para poder conocer la distribucin de energa de fotones gamma que emite una determinada fuente radiactiva es necesario hacer una espectrometra, esto consiste en determinar a travs de un espectrmetro la energa de fotones de dicha muestra. El espectrmetro puede estar conformado por detector (D), analizador de pulsos (AP) y sistema de registro de datos, ejemplo (RD) de lo anterior puede ser el siguiente sistema: Cristal de centelleo (D): los fotones gamma que inciden en el cristal van a interaccionar con el mismo, produciendo, un fotn de una determinada longitud de onda que depender del tipo de cristal usado. Foto multiplicador (D): los fotones que se produzcan en el centellador va a interaccionar con el foto ctodo del foto multiplicador arrancndole un electrn. La foto multiplicadora multiplica la cantidad de electrones que se produce en el foto ctodo. Analizador de Pulsos (AP): en la salida del foto multiplicador se tiene un pulso de tensin que es ampliado por esta etapa y adems discrimina los pulsos no deseados a fin de obtener la distribucin de energa de los fotones. Sistema de Registro (RD): los datos obtenidos tales como altura de los pulsos (vinculados a la energa de los fotones) y el nmero de cuentas (numero de fotones con una determinada energa) pueden ser registrados a travs de una computadora conectada a la salida de datos del espectrmetro. 17 18. 6.- Cmo funciona un detector de germanio hiperpuro, Ge HP? Qu ventajas tiene respecto a un NaI(Tl) ? El presente detector es de tipo semiconductor: Estos detectores son slidos construidos de elementos puros a los cuales la radiacin ionizante les produce un efecto de excitacin a los electrones menos ligados al tomo electrones de valencia llevndolos a un nivel de mayor energa llamado nivel de electrones de conduccin donde pueden desplazarse libremente entre el cristal. Al pasar a la banda de conduccin quedan desligados de los tomos de la red cristalina quedando una vacancia que corresponde a una carga positiva, esta vacancia puede ser ocupada inmediatamente por un electrn del tomo vecino y este a su vez deja una vacancia que luego va a ser ocupada, dando como resultado una carga positiva desplazndose hacia el ctodo. De los materiales semiconductores utilizados para construir estos equipos estn el Germanio, el Silicio y el Arseniuro de galio. Se tiene que el germanio hiperpuro (HpGe) conduce corriente bajo un campo elctrico por movimiento de electrones y agujeros hacia los electrodos, es apto para radiacin (espectrometra ) y es muy utilizado en espectrometra de radiacin fotnica de alta resolucin. La denominacin de hper puros es debido a que posee 1010 tomos de impureza/cm3, lo que nos otorga un germanio de resistividad especfica sumamente elevada de zonas de carga espacial >15mm de espesor. El inconveniente es que tiene es la necesidad de operar a 77K para reducir los efectos del ruido termico. Figura: Esquema Equipo Deteccin Se tiene que los dos detectores detectan radiacin gamma, pero el centellador de NaI(Tl) tiene una buena respuesta a radiacin y en un amplio rango de energa, pero en semiconductor de HpGe tiene: 1.- Una alta eficiencia de deteccin por unidad de volumen efectivo del detector. 2.- La energa necesaria para producir un par de portadores de carga en los semiconductores es aproximadamente 10 veces menor que en los gases, y 100 veces menor que en un centellador. Por lo tanto, para una misma energa impartida, la cantidad de portadores de carga producidos es mucho mayor en los semiconductores que en gases o centelladores, lo cual se traduce en menores fluctuaciones estadsticas, por lo que se tiene una mejor resolucin. SEAL R DETECTOR TAPN DEDO FRO TERMO NITRGENO LQUIDO 18 19. 3.- Es reducido el volumen efectivo del medio detector; lo que se traduce en un tiempo de recoleccin de cargas muy breve (del orden del nano segundo), en consecuencia es elevada la resolucin en tiempo 4.- por ultimo pueden obtenerse fcilmente detectores muy delgados de manera que absorban una fraccin de la energa de las partculas incidentes, a fin de medir su ionizacin especfica (dE/dx). 19 20. 7.- Dos haces de fotones de energas E1 y E2 inciden con igual intensidad I0 sobre una lmina metlica de espesor x. Si el coeficiente de atenuacin lineal de los fotones de energa E1 es el doble de los de energa E2, Cal es la intensidad del haz emergente de fotones de energa E2 si la del otro haz es 1/3 de I0 Forma 1 E1 xl o o eI I I **2 3 1 == E2 xl o xl o eI eI I I * **2 2 1 = 2**2 * 1 I eI eI I xl o xl o = 2 **2* 1 IeI xlxl =+ 2 * 3 Ie I xlo = Forma 2 xl oeII **2 1 = oxl I e I = **2 1 xl oeII * 2 = oxl I e I = * 2 Igualo xlxl e I e I * 2 **2 1 = 2 * **2 1 Ie e I xl xl = 20 21. 2 * 1 IeI xl = 2 * 3 Ie I xlo = 21 22. 8.-En un experimento se midi la vida media de un radioistopo resultando ser 6 horas. Cunto tiempo tiene que transcurrir para que la actividad inicial de 10 Ci se reduzca a la milsima parte? horas xLn LnT 6 1 2 2 2ln 2/1 ==== [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] 15 1063.4 min1 60 1 min60 6 11 === segx seg x h xh [ ] tsegx eAA 15 1063.4 0 = 1000 0A A = [ ] tsegx eA A A 15 1063.4 0 0 1000 == [ ]tsegx e 5 1063.4 1000 1 = [ ] tsegx LneLn 15 1063.4 1000 1 = [ ] tsegxLn 15 1063.4 1000 1 = [ ] t segx Ln = 15 1063.4 1000 1 [ ] [ ] thsegx == 45.411049.1 5 22 23. 9.- Cmo se puede inducir a tomos de cobre para emitan su espectro X caracterstico ? Se pueden utilizar 3 tcnicas: 1. Emisin de rayos X inducida por partculas (PIXE) 2. Emisin de rayos X inducida por Gamma (GIXE) 3. La fluorescencia de rayos X por energa dispersiva (EDXRF) 1. PIXE: La tcnica PIXE es un mtodo analtico atmico a travs del cual podemos llegar a conocer la concentracin de los elementos en la superficie de la muestra que estamos estudiando. Para ello, la muestra que queremos analizar es irradiada con partculas cargadas y aceleradas, normalmente protones. Dichas partculas producen vacantes en las capas electrnicas de los tomos de la muestra, las cuales, al desexcitarse, emiten rayos X caractersticos. Los rayos X son recogidos por uno o varios detectores de Si (Li) o Le (Ge), los cuales producen seales que son procesadas en una cadena electrnica y llevadas hasta un sistema de adquisicin que nos da toda la informacin obtenida mediante el espectro de emisin de rayos X de nuestra muestra. Figura, Esquema PIXE Este espectro est formado por una serie de picos cuyas energas corresponden a las lneas de rayos X caractersticos de la muestra irradiada y cuya rea est directamente relacionada con la concentracin del elemento al que corresponde PIXE tiene una serie de ventajas muy importantes con respecto a otras tcnicas analticas: - No destructiva. Esta caracterstica, de enorme inters para el estudio de la mayora de las muestras, es fundamental para el anlisis de objetos nicos o de gran valor (objetos del Patrimonio Histrico, etc.). - Multielemental. Mediante un nico anlisis podemos determinar simultneamente todos los elementos constituyentes de la muestra con un nmero atmico superior al del Na (Z=11). - Alta sensibilidad. Permite detectar concentraciones elementales del orden de g/g. - El nmero de aplicaciones de esta tcnica es muy amplio. Puede utilizarse para estudios arqueomtricos, biomdicos, biolgicos, ciencia de materiales, estudios medioambientales, etc. 2. GIXE: La tcnica GIXE es anloga a la PIXE, pero en vez de utilizar protones se utiliza un fuente Gamma. 3. EDXRF: La fluorescencia de rayos X por energa dispersiva es una tcnica de muestreo verstil, rpida y no destructiva (en algunos casos en los que la penetracin de los rayos X no fuera suficiente se requeriran cortes o pulidos, dependiendo tambin de la uniformidad de la muestra) relativamente nueva, que reconoce un 23 24. gran nmero de elementos qumicos (no compuestos qumicos) y presenta los resultados en tiempo real, permitiendo decidir la necesidad de muestreo adicional ante resultados analticos no concluyentes. Logra alcanzar unos lmites de deteccin de hasta 0.002% (20 ppm). La tcnica EDXRF utiliza la emisin secundaria o fluorescente de radiacin X que se genera al excitar una muestra con una fuente emisora de rayos X. La radiacin X incidente o primaria expulsa electrones de capas interiores del tomo. Entonces, los electrones de capas ms externas ocupan los lugares vacantes, y el exceso energtico resultante de esta transicin se disipa en forma de fotones: la llamada radiacin X fluorescente o secundaria. Esta radiacin de fluorescencia es caracterstica para cada elemento qumico. Por lo tanto, es posible identificar un elemento dentro del espectro de la muestra si se conoce la energa entre los orbitales atmicos implicados (longitud de onda). La concentracin de cada elemento se detecta midiendo la intensidad de la energa asociada a cada transicin de electrones. Es decir, la salida de un anlisis EDXRF es un espectro que muestra la intensidad de radiacin en funcin de la energa. 24 25. 10.- Explique cmo se puede fabricar una fuente de neutrones. Los neutrones pueden ser emitidos desde reacciones de fusin nuclear, fisin nuclear o una variedad de diferentes reacciones nucleares tales como la desintegracin radiactiva o reacciones de las interacciones de partculas (tales como las de los rayos csmicos o de aceleradores de partculas). Grandes fuentes de neutrones son raras, y usualmente estn limitadas a grandes dispositivos como reactores nucleares o aceleradores de partculas, teniendo en cuenta que la radiacin por neutrones fue descubierta como el resultado de la observacin de la reaccin de un ncleo de berilio con una partcula alfa transformndose en un ncleo de carbn e emitiendo un neutrn, Be(, n)C se tiene que la combinacin de un emisor de partcula alfa y un istopo con una gran probabilidad de reaccin nuclear (, n) es an una fuente comn de neutrones. Aunque en un principio seria posible encontrar radioistopos emisores de neutrones, (al mismo modo que encontramos radioistopos emisores de gamma como consecuencias de desintegraciones previas), e la practica de existir tienen vidas tan cortas que son inutilizables. Las fuentes de neutrones disponibles vienen de los siguientes procesos: 1. Fisin espontnea 2. Reacciones (,n) 3. Reacciones ( ,n) 4. Reacciones bombardeo de iones (D y T) 1. La Fisin espontnea es una fuente de neutrones y fragmentos nucleares, el istopo mas utilizado es el 252 Cf (T1/2=2,65 aos) . En este caso el mecanismo de desintegracin dominante es alpha, 32 veces mayor que la fisin. Como consecuencia se consiguen 0.1 n/s por Bq. El espectro de neutrones tiene alrededor de 1 Mev. Para el Cf se alcanzan tasas de 2x106 n/s por microgramo. 2. La reaccin (,n) es la mas habitual en la fuente de neutrones puesto que las partculas alpha se obtienen de radioistopos adecuados basta mezclar en un contenedor el emisor alpha y el blanco productor, la fuente mas comn es el Am Be (aunque se pueden usar otros emisores alpha como 239Pu, 210Po, 226Ra o 227Ac), en fuentes de centmetros de dimetro de consiguen tasas de 107 n/s, en este proceso se lograr conseguir hasta neutrones de unos 11 MeV (Be). Se pueden realizar estas reacciones con otros istopos como 10B, 11B, 19F, 13C, 17Li, teniendo energas menores que la del Be. 3. Las reacciones foto nucleares generan la emisin de un neutrn libre al absorberse un fotn de alta energa, en todas este tipo de reacciones la diferencial de energa es negativa (tienen un umbral de la energa del fotn de la cual por de bajo de esta no se puede tener a lugar la reaccin). Por lo cual este umbral y la seccin eficaz del tomo dan las factibilidades de la reaccin. En la mayora de los ncleos con Z alto el umbral se sita por los 8 MeV (lo cual es inaccesible para un radioistopo gamma). Ara fabricar fuentes de neutrones, se suelen usar sin embargo 9Be2H debido a su reducido umbral. Una de las tcnicas es poner en una misma capsula un emisor gamma (24Na) rodeado por una sustancia de elevada seccin eficaz foto nuclear (Be D), la produccin obtenida con este mtodo es menor que la fuente estndar de Am Be y su energa libre tambin es menor. 4. Para obtener flujos mayores de neutrones (del orden de los 109 n/s hasta 1011 n/s) es necesario usar aceleradores de iones y bombardeo de blancos. Se suelen usar iones ligeros, tpicamente protn, deutern y tritio. Algunos de estos generadores son compactos (se acelera deuterio solo a unos cientos de KeV). Las reacciones mas usadas son D-D y D-T; se pueden con este mtodo producir neutrones con las reacciones 9Be(d,n), 7Li(p,n) y 3H(p,n). 25