atenuación de rayos gamma

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Atenuación de rayos gamma. Jorge Moreno Ceballos [1] Atenuación de rayos gamma. Jorge Moreno Ceballos Compañeros:Jorge Pérez y Fabio Naboni Fecha: 9/5/2012 Introducción: La medida del coeficiente de atenuación de atenuación de la radiación gamma, de rayos X, en un material es imprescindible para caracterizarlo y para conocer cómo se comporta el material irradiado en aplicaciones de radioprotección, medicas, industriales, etc…La medida de espesores y el control de niveles en zonas inaccesibles, son de las aplicaciones más usadas en la industria y se basan en el análisis de la atenuación de los rayos gamma. Cuando los fotones atraviesan un material experimentan procesos de absorción o de dispersión en su interacción con los electrones, que hacen que la intensidad del haz disminuya exponencialmente. Estos procesos dependen de la energía del fotón y del tipo de material. Si se trata de radiación gamma (fotones de energía > 1 keV) ocurren tres tipos de procesos: a) Efecto fotoeléctrico, en el que un fotón desaparece cediendo toda su energía a un electrón del material; b) Efecto Compton, cuando un fotón cede parte de su energía a un electrón y, como resultado, cambia su dirección de movimiento disminuyendo su energía, con lo que también desaparece del haz inicial c) Producción de pares, en el caso en que el fotón desaparece y toda su energía se utiliza en la creación de un par electrónpositrón (este proceso sólo se produce si la radiación tiene energía mayor que 1,022 MeV). Estos procesos contribuyen a que la intensidad del haz decrezca al atravesar un medio material, es decir, se atenúe. Resumen: Estudio del coeficiente de atenuación másico(μ) de un determinado material para una determinada radiación gamma. Así mismo se determinó el espesor de una lámina problema haciendo uso del coeficiente de atenuación másica, obteniendo unos resultados de: μ= 0.0770±0.0012 y un espesor de ε= 3.03 g/cm 2

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Page 1: Atenuación de rayos gamma

Atenuación de rayos gamma. Jorge Moreno Ceballos

[1]

Atenuación de rayos gamma.

Jorge Moreno Ceballos

Compañeros:Jorge Pérez y Fabio Naboni

Fecha: 9/5/2012

Introducción:

La medida del coeficiente de atenuación de atenuación de la radiación gamma,

de rayos X, en un material es imprescindible para caracterizarlo y para conocer cómo se

comporta el material irradiado en aplicaciones de radioprotección, medicas, industriales,

etc…La medida de espesores y el control de niveles en zonas inaccesibles, son de las

aplicaciones más usadas en la industria y se basan en el análisis de la atenuación de los

rayos gamma.

Cuando los fotones atraviesan un material experimentan procesos de absorción

o de dispersión en su interacción con los electrones, que hacen que la intensidad del haz

disminuya exponencialmente. Estos procesos dependen de la energía del fotón y del tipo

de material. Si se trata de radiación gamma (fotones de energía > 1 keV) ocurren tres

tipos de procesos:

a) Efecto fotoeléctrico, en el que un fotón desaparece cediendo toda su energía a un

electrón del material;

b) Efecto Compton, cuando un fotón cede parte de su energía a un electrón y, como

resultado, cambia su dirección de movimiento disminuyendo su energía, con lo que

también desaparece del haz inicial

c) Producción de pares, en el caso en que el fotón desaparece y toda su energía se

utiliza en la creación de un par electrón–positrón (este proceso sólo se produce si la

radiación tiene energía mayor que 1,022 MeV). Estos procesos contribuyen a que la

intensidad del haz decrezca al atravesar un medio material, es decir, se atenúe.

Resumen:

Estudio del coeficiente de atenuación másico(μ) de un

determinado material para una determinada radiación

gamma. Así mismo se determinó el espesor de una

lámina problema haciendo uso del coeficiente de

atenuación másica, obteniendo unos resultados de: μ=

0.0770±0.0012 y un espesor de ε= 3.03 g/cm2

Page 2: Atenuación de rayos gamma

Atenuación de rayos gamma. Jorge Moreno Ceballos

[2]

Se puede demostrar que la atenuación de la intensidad del haz se produce según la ley

exponencial :

(1)

donde I(0) representa la intensidad del haz a la entrada del material, I(x) representa la

intensidad a la salida, x es el espesor atravesado y μl es el coeficiente de atenuación

lineal.

Los tres procesos de interacción radiación-materia contribuyen al coeficiente μl. Cada

uno de ellos se caracteriza por una probabilidad de que ocurra esa interacción por

unidad de longitud recorrida en el material. Por eso, el coeficiente μl es la suma de las

probabilidades por unidad de longitud de que el fotón sea removido del haz por efecto

fotoeléctrico, τ, por efecto Compton, δ, o por producción de pares, κ, de modo que:

μl = τ + δ + κ .

μl se mide en cm-1, si el espesor x se mide en cm. Este coeficiente de atenuación lineal

no resulta muy adecuado porque depende de la densidad del material absorbente y por

lo tanto, para caracterizar el material, habría que dar el valor de μl para cada estado

físico del mismo (sólido, líquido, gas). Por ello se utiliza el coeficiente de atenuación

másicoμ= μl /ρ, donde ρ es la densidad del material, y así la ley de atenuación se

escribe:

(2)

donde ξ=ρ x representa el espesor másico que ahora se mide en g/cm2. Los valores de

μ=μL /ρ están tabulados [4] en función de la energía de los fotones y para diferentes

materiales. También pueden obtenerse de la Figura 4. El espesor másico es también un

concepto útil en el estudio de la pérdida de energía de la radiación beta y otras partículas

cargadas cuando atraviesan un material.

Figura 1.- Comparación de efecto fotoeléctrico, efecto compton y producción de pares debido a la radiación gamma

Page 3: Atenuación de rayos gamma

Atenuación de rayos gamma. Jorge Moreno Ceballos

[3]

Desarrollando la ecuación(2) obtenemos la siguiente:

(3)

Siendo ε=ρx (espesor másico) medido en g/cm2 y esta ecuación será la que utilizaremos

para determinar el espesor másico y el coeficiente de atenuación dependiendo de la

parte de la práctica que se esté desarrollando.

Método experimental:

La muestra radiactiva fue de Bi207 que emite una radiación gamma característica de 567

Kev y un rayo-X de 32 KeV.Se usan isotopos de vida media larga, cuya actividad se puede

considerar como constante durante todo el experimento. También disponemos de una

serie de laminas de aluminio. Ya conocido el funcionamiento del programa a usar

realizamos la 1º medida del espectro gamma sin colocar ninguna lamina, cada medida

durara un tiempo de 2 minutos. Tras ese tiempo se comprueba en la grafica del ordenador

el pico correspondiente al pico de 567 KeV. Se anotan los valores de las Cuentas en la tabla

y analizamos su error relativo ya que sabemos que ε=σ/C.

Una vez realizada la primera medida y tabulados los datos colocamos una lámina

de cobre de un espesor y realizamos el mismo procedimiento, a continuación colocamos

otra lamina mas encima de la anterior, luego mas laminas así hasta colocar todas las

laminas y obtener 10 medidas. Una vez representado en Kaleidagraph y obtenida la μ ,

observamos la grafica que nos es dada en el guion y comparamos el resultado que

sacamos de esa grafica con el nuestro. Para finalizar tomamos una medida más con una

lamina problema de 103 cm2 y de masa 295g para calcular el espesor de la misma.

Resultados:

En primer lugar se expondrán los resultados obtenidos tras haber sido realizado el

experimento con láminas de aluminio del pico de 567 KeV. Los datos se encuentran en

la siguiente tabla

Page 4: Atenuación de rayos gamma

Atenuación de rayos gamma. Jorge Moreno Ceballos

[4]

Espesor(g/cm2) Cuentas Error Absoluto

0.0000 4061.0 689.00

0.53400 3927.0 693.00

1.0680 3870.0 690.00

1.6020 3582.0 701.00

2.1360 3416.0 696.00

3.7380 3018.0 691.00

5.3400 2713.0 688.00

7.4760 2235.0 685.00

8.5440 2125.0 675.00

9.6120 1955.0 673.00 10.680 1810.0 606.00

Para determinar el coeficiente de atenuación se realizó una representación en el

programa Kaleidagraph del logaritmo neperiano de las cuentas frente al espesor en

g/cm2. La gráfica obtenida es la siguiente:

7.4

7.6

7.8

8

8.2

8.4

-2 0 2 4 6 8 10 12

ln(c)

ln(c

)

espesor g/cm2

y = m1 + m2 * M0

ErrorValue

0.00738758.313m1

0.0012465-0.077m2

NA0.0021315Chisq

NA0.99882R

Gráfica 1.- representación del ln(cuentas) en función del espesor másico. μ=-m2

Tabla 1.- Espesor de las láminas de aluminio y el número de cuentas registradas por el software

Page 5: Atenuación de rayos gamma

Atenuación de rayos gamma. Jorge Moreno Ceballos

[5]

Cómo se puede observar μ=0.077±0.0012; ya que según podemos ver en la ecuación (3)

μ=-m2.

La segunda parte desarrollada de la práctica se determinó el espesor de una lámina de

aluminio problema.

El área de nuestra lámina problema era de 103 cm2 y la masa de la misma era de 295g.

Por ello el espesor másico será:

Prácticamente la medida del espesor fue:

Cuentas Error absoluto

3215 711

Utilizando la ecuación (3) se obtiene lo siguiente:

El espesor calculado de esta manera es de 3.03 g/cm2.

Por último el espesor de hemirreducción es :

d1/2ρ=8

De aquí obtenemos el valor de d1/2=2.97.

Por último el coeficiente de atenuación se calcula siguiendo la siguiente ecuación:

[1]

De aquí obtenemos un valor de μ=0.087

Conclusión:

Es un experimento que en un principio parecía bastante complicado aunque con

el tiempo dedicado en el laboratorio se hizo mucho más ameno. Así mismo es un tema

bastante interesante aunque aún no pueda ser comprendido por completo debido a

nuestro bajo nivel de conocimientos de la materia aunque espero que podamos ampliar

los conocimientos en la materia.

Tabla 2.- Número de cuentas registradas de la lámina problema

Page 6: Atenuación de rayos gamma

Atenuación de rayos gamma. Jorge Moreno Ceballos

[6]

Apéndice:

Quiero agradecerle el tiempo y las molestias que se ha tomado para la corrección

de este informe y así mismo pedirle disculpas por los problemas en su recepción;

muchas gracias por su tiempo.

Cuestiones:

¿Qué espesor del material empleado hará falta para reducir hasta 1/10 la

intensidad de un haz de radiación procedente de la fuente de radiación gamma que

has utilizado?

LnI(ε)=LnI(0)-με

I(ε)=I(0)/10→μ=0.077

Ln 10=-με →ε=29.9 g/cm2

Si para protegernos de una radiación gamma de 0.2 MeV necesitamos un

espesor de Plomo de 30 cm, ¿qué espesor de Aluminio necesitaríamos para obtener el

mismo resultado?

μρpb x1=μρal x2→x=126 cm

Si, para un determinado material, usamos un espesor doble del espesor de

hemirreducción, ¿en cuanto se reducirá la intensidad del haz?

[1] El desarrollo seguido ha sido similar al indicado

Al aumentar al doble el espesor de hemirreducción el haz reducirá en ¼ su intensidad.

Colocad una lámina de plomo entre la muestra y el detector. ¿Aparece algún

aspecto nuevo en el espectro detectado?, ¿a que energía? ?cómo se produce esa

emisión en el plomo?

No es apreciable ya que nuestro material emite los rayos X característicos del

plomo y por ello no vemos ningún tipo de variación.