EspectrometrÃa - con detectores de semiconductor

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


Índice

1 Objetivos




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.


Índice

1 Objetivos




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.


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


Geometría del detectorParcialmente polarizado:

unión p+

unión n−

Pasivación

Contacto con AlZona de deplexión

Contacto óhmico

α


Geometría del detectorTotalmente polarizado:

unión p+

unión n−

Pasivación

Contacto con AlZona de deplexión

Contacto óhmico

α


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.


Índice

1 Objetivos




Calibración

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

Pico Am

Pulser


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


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


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


241Am con vacío y con polarización


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


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%)


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


Muestra problema

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

5

10

15

20

25

30

35

40

45


Muestra problema

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Desintegraciones

Desintegraciones


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


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


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 - - -


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.


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


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


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.


Láminas de oro


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.


Referencias

Krane, Kenneth S. and Halliday, David and othersIntroductory nuclear physics1987G.F. KnollRadiation Detection and MeasurementWiley & Sons, Inc., 1979


EspectrometrÃa - con detectores de semiconductor

Documents

Transcript of EspectrometrÃa - con detectores de semiconductor