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Gamma (2) - EspectroscopÃa gamma con detectores de centello
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Gamma (2)Espectroscopía gamma con detectores de centello
Javier Linares TorresJesús González Senent
Técnicas Experimentales II (Grupo B)
25 de abril de 2019
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Índice
1 Objetivos
2 Introducción teórica
3 Descripción de la práctica
4 Resultados
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1 Objetivos
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Objetivos de la práctica
Comprender el funcionamiento de los detecterores de centelleo de NaIy su respuesta a la radiación γ. Para ello:• Ajuste de las condiciones experimentales (Espectro de 137Cs)• Calibración en energía, resolución y eficiencia. Interpretación de
espectros.• Identificación de una muestra desconocida y medida de su
actividad.• Cálculo del coeficiente de atenuación µ en el plomo
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Detectores de centelleo
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Interacción γ-materia
Efecto FotoeléctricoToda la energía del fotón incidente es absorbida por un electrón ligado quequeda libre.
γ
e−
Se tiene queEe− = Eγ − Eb
siendo Eb la energía de ligadura de e− al átomo.
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Interacción γ-materia
Efecto ComptonParte de la energía del fotón incidente es absorbida por un electróndébilmente ligado (Eb << Eγ) que queda libre.
γ
γ′θ
e−
Además se tiene que
Eγ′ =Eγ
1 +Eγ
mec2 (1 − cos θ)
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Interacción γ-materia
Creación de paresProceso por el cual una partícula de energía suficiente crea dos o máspartículas diferentes. Es característica la reacción γ → e+ + e−.
γ
e+
e−
El Principio de Conservación de la Energía se expresa aquí de la formasiguiente:
hν = 2m0c2 + E+ + E−
Generalmente este proceso viene seguido del inverso, en el que el positróngenerado se aniquila con un electrón.
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Respuesta ideal y real del detector de centelleo
Emax Eγ
Comptonplateau
BordeCompton
Fotopico
Energía
N◦
de cuentas
Respuesta ideal
Pico deBackscatettering
ComptonPlateau
BordeCompton
Fotopico
Energía
N◦
de cuentas
Respuesta real
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Montaje experimental y material necesario
Los aparatos trabajarán bajo una tensión de 1000 V e irán conectadossegún la siguiente figura:
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Montaje experimental y material necesario
Conjunto o "kit"de fuentes γ cuyas principales emisiones son:
Fuente T1/2 Emisiones Principales (keV) Intensidad ( %)
137Cs 30.2 a 661.660 84.7
60Co 5.3 a 1173.238 / 1332.502 99.89 / 99.983
57Co 271.8 d 122.0614 / 136.4743 85.68 / 10.67
22Na 2.6 a 511.003 / 1274.542 180.5 / 99.93
54Mn 312.2 d 834.843 99.976
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Metodología
La práctica consta de las siguientes partes:
1. Queremos registrar medidas de hasta 2 MeV en un total de 512canales. Ajustamos la ganancia para que el fotopico del 137Cs(661.660 keV) se sitúe en torno al canal 200.
2. Adquirimos los espectros de las muestras conocidas(137Cs,60Co,57Co,22Na y 54Mn) para calibrar en energía, resolución yeficiencia.
3. Medimos el espectro de la muestra desconocida y con ayuda de lascalibraciones identificamos de qué elemento se trata y cuál es suactividad.
4. Calculamos el coeficiente de atenuación del plomo a través deespectros obtenidos con la interposición entre el detector y la muestrade capas de plomo de diferentes grosores conocidos.
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Espectro 137Cs
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
0
2000
4000
6000RX 137Ba
RX 208PbPico de
retrodispersión
Fotopico
Canal
N◦
decu
enta
s
13755Cs
30.2 y1.1756
137m56Ba
0.66172.55m
13756Ba
0.0estable
β− 1.174 MeV
5.4% β− 0.5120 MeV94.6%
γ1 0.6617 MeV85.10%
ce X0.23%
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Espectro 60Co
0 100 200 300 400 5000
200
400
600
800RX 208Pb
Pico deretrodispersión
BordesComton
Fotopicos
Canal
N◦
decu
enta
s
60m27Co
10.467 m2.8822
6027Co
2.82365.2714 y
60m27Ni
0.0Estable
2.0560
1.330
γ10.5120 MeV
100.0% ce
β+2
0.5120 MeV
0.23%
β−3
1.4909 MeV
0.059%
β−1
0.3179 MeV
99.9%
γ31.1730 MeV
99.9%
γ41.3330 MeV
100%
γ21.3330 MeV
0.24%
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Espectro 57Co
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0
500
1000
1500
2000
RX 208Pb
Fotopicos solapados
Canal
N◦
decu
enta
s
5727Co
271.79 d0.8364
0.1365
0.0144
5726FeEstable
0.0
EC2
99.85%
γ20.1221 MeV
85.6%
ce
ce γ10.0144 MeV
9.16%
γ30.1365 MeV
10.7%
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Espectro 22Na
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0
1000
2000
3000
4000
5000
RX 208PbPico de
retrodispersiónBorde
Compton
Pico deaniquilación
BordeCompton Fotopico
Canal
N◦
decu
enta
s
22Na2.6088 y
2.8420
1.2750
22NeEstable0.0
EC1
10.06%1.022 MeV
β+1 0.5454 MeV
89.8%
γ1 1.2750 MeV
99.9%
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Espectro 54Mn
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0
50
100
150
200
250RX 208Pb
Pico deretrodispersión
BordeCompton
Fotopico
Canal
N◦
decu
enta
s
5425Mn
312.12 y1.3771
0.8348
5424Cr
0.0estable
EC1 0.5120 MeV100.0%
100.0%
γ1 0.8348 MeV
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Calibración en energía
E = x · canal + y
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Canal
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
En
erg
ía (
Ke
V)
Recta Regresión Canal-Energía
Cs137
Co60(1)
Co60(2)
Co57(1y2)
Na22(1)
Na22(2)
Mn54
(*) No se aprecian los errores.
x (keV/canal) 3.402
4x (keV/canal) 0.020
y (keV) −23
4y (keV) 5
r 2 0.99992
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Calibración en resolución
FWHM2 = m · E + n
Energía (KeV)
FW
HM
2
Recta Regresión Energía-FWHM 2
Cs137
Co60(1)
Co60(2)
Co57(1y2)
Na22(1)
Na22(2)
Mn54
m (keV) 0.484
4m (keV) 0.011
n (keV2) −36
4n (keV2) 10
r 2 0.9987
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Calibración en resolución
R =
√m · E + n
E
Energía (KeV)
R (
%)
Calibración en resolución
Cs137
Co60(1)
Co60(2)
Co57(1y2)
Na22(1)
Na22(2)
Mn54
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Eficiencia
ε =n − fA · I log(εf ) = a + b · log(Eγ) + c · (log(Eγ))
2
4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5
log(E)
-6
-5.5
-5
-4.5
-4
-3.5
-3
-2.5
log(e
)
Calibración en eficiencia
Cs137
Co60(1)
Co60(2)
Co57(1y2)
Na22(1)
Na22(2)
Mn54
c −0.187
4c 0.024
b 1.18
4b 0.04
a −4.4
4a 0.4
r 2 0.97
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Análisis muestra desconocida
Espectro Problema
Canal
log (
Cuenta
s)
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Análisis muestra desconocida
Espectro Problema
Canal
log (
Cuenta
s)
RX Ba-137
RX Pb-208
Pico de
Retrodispersión
Borde Compton
Cs-137
Fotopico
Cs-137
Fotopico Zn-65
1.116 MeV
50%Borde Compton
Zn-65
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Actividad a partir de la eficiencia
A =n − fε · I
A partir de la eficiencia del 137Cs:
A (Bq) 1.54 · 104
4A (Bq) 0.04 · 104
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Espectros de emisión
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Energía (keV)
0
10
20
30
40
50
60
70
Cuenta
s/s
egundo
Espectro de Emisión de Cs-137 con Láminas de Pb de diferentes Espesores
Sin Lámina
1.13g/cm2
3.40g/cm2
6.80g/cm2
10.77g/cm2
15.88g/cm2
19.28g/cm2
23.25g/cm2
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Fotopicos
600 650 700 750
Energía (keV)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Cuenta
s/s
egundo
Fotopico de Cs-137 con Láminas de Pb de diferentes Espesores
Sin Lámina
1.13g/cm2
3.40g/cm2
6.80g/cm2
10.77g/cm2
15.88g/cm2
19.28g/cm2
23.25g/cm2
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Coeficiente de atenuación del plomo
Ley de Beer-Lambert:
log(N) = − µ
dPb· t · dPb + log(N0) = p · t · dPb + q
0 5 10 15 20 25
t·dPb
(g/cm2)
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
log(C
uenta
s(f
oto
pic
o)/
segundo)
Coeficiente de Atenuación del Pb
p (cm2 · g−1) −0.1029
4p (cm2 · g−1) 0.0014
q 0.340
4q 0.018
r 2 0.9994
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Coeficiente de atenuación del plomo
µPb (cm−1) 1.168
4µPb (cm−1) 0.004
µBiblio.(600Kev)Pb (cm−1) 1.419
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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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