SPETTROMETRIA SPETTROMETRIA GAMMAGAMMA

A CURA DI:

• FRANCO Daniele ITIS Hertz

• SANGERMANO Dario

• MANZO Toni Liceo “E. Amaldi”

• ROTUNNO Maria Giulia

TUTORI INFN:

• CASANO L.

• CHITI M.

FUNZIONAMENTO DI UNO SPETTROMETRO FUNZIONAMENTO DI UNO SPETTROMETRO PER MISURE DI RADIOATTIVITÀ GAMMAPER MISURE DI RADIOATTIVITÀ GAMMA

Lo spettrometro è l’insieme della strumentazione raffigurata nello schema a blocchi ed è utilizzato per misurare l’intensità e l’energia dei fotoni che sono radiazioni elettromagnetiche di alta energia. Queste radiazioni si riscontrano in natura e per questo vengono effettuate delle misure per verificare se sono osservati i limiti stabiliti a norma di legge per limitare i danni alle persone esposte e all’ambiente. Queste radiazioni vengono emesse dai materiali radioattivi a causa dei decadimenti che subiscono.

DECADIMENTI RADIOATTIVIDECADIMENTI RADIOATTIVI

La legge di decadimento esprime la variazione del La legge di decadimento esprime la variazione del numero dei nuclei nel tempo che ancora non numero dei nuclei nel tempo che ancora non subiscono una trasformazione radioattiva. (N = subiscono una trasformazione radioattiva. (N = NN00

** e- e- λt λt ) )

Per ricavare questa legge viene utilizzata la Per ricavare questa legge viene utilizzata la costante di decadimento che esprime la frazione costante di decadimento che esprime la frazione di nuclei che decadono nell’unità di tempo. di nuclei che decadono nell’unità di tempo. (dN/N(dN/N00/ ∆t)/ ∆t)

I nuclei per cercare lo stato energetico minimo, I nuclei per cercare lo stato energetico minimo, decadono in un nucleo figlio emettendo decadono in un nucleo figlio emettendo radiazioni di tipo alfa, beta o gamma.radiazioni di tipo alfa, beta o gamma.

INTERAZIONI DEI GAMMA CON LA MATERIAINTERAZIONI DEI GAMMA CON LA MATERIAI fotoni non interagiscono direttamente con la materia, I fotoni non interagiscono direttamente con la materia,

poiché sono privi di carica elettrica e di massa, ma poiché sono privi di carica elettrica e di massa, ma interagiscono indirettamente ovvero rilasciano la loro interagiscono indirettamente ovvero rilasciano la loro energia alla materia attraversata per mezzo di 3 energia alla materia attraversata per mezzo di 3 fenomeni quantistici: effetto fotoelettrico, effetto fenomeni quantistici: effetto fotoelettrico, effetto Compton, produzione di coppie. Compton, produzione di coppie.

EFFETTO FOTOELETTRICO:EFFETTO FOTOELETTRICO:Il fotone incidente interagisce con un elettrone Il fotone incidente interagisce con un elettrone

appartenente agli orbitali dell’atomo maggiormente appartenente agli orbitali dell’atomo maggiormente legati, emettendolo con energia cinetica pari a:legati, emettendolo con energia cinetica pari a:

EEee = E = Eγγ – B(energia di legame) – B(energia di legame)Il vuoto che si crea viene riempito da uno o più elettroni Il vuoto che si crea viene riempito da uno o più elettroni

dell’orbitale più esterno emettendo un raggio γ.dell’orbitale più esterno emettendo un raggio γ.

EFFETTO COMPTON:EFFETTO COMPTON:

In questo fenomeno si ha un urto elastico dove l’energia In questo fenomeno si ha un urto elastico dove l’energia dell’elettrone dipende dall’angolo di emissione (θ) del dell’elettrone dipende dall’angolo di emissione (θ) del fotone diffuso e dall’energia del fotone incidente ( Efotone diffuso e dall’energia del fotone incidente ( Eγγ ). ).

EEγγ΄=E΄=Eγγ/1+(1-cosθ)E/1+(1-cosθ)Eγγ/mc/mc2 2

PRODUZIONE DI COPPIE:PRODUZIONE DI COPPIE:

La produzione di coppie avviene quando l’energia si La produzione di coppie avviene quando l’energia si trasforma in massa, producendo un elettrone e un trasforma in massa, producendo un elettrone e un positrone,che a loro volta si possono annichilire con altri positrone,che a loro volta si possono annichilire con altri positroni ed elettroni. Ciascun positrone ed elettrone ha positroni ed elettroni. Ciascun positrone ed elettrone ha una massa di riposo pari a 511 KeV così occorrono 1022 una massa di riposo pari a 511 KeV così occorrono 1022

KeV affinché si produca una coppia.KeV affinché si produca una coppia.

IL RIVELATOREIL RIVELATOREIl rivelatore è un trasduttore e comprende lo scintillatore ed Il rivelatore è un trasduttore e comprende lo scintillatore ed

il fotomoltiplicatore. L’insieme dei due trasforma degli il fotomoltiplicatore. L’insieme dei due trasforma degli “eventi di ionizzazioni ed eccitazioni” in “ impulsi elettrici” “eventi di ionizzazioni ed eccitazioni” in “ impulsi elettrici” perdendo un po’ di energia.perdendo un po’ di energia.

GLI SCINTILLATORIGLI SCINTILLATORIGli scintillatori emettono fotoni nel

range del campo visibile quando vengono sollecitati da fotoni. Nel nostro caso utilizziamo uno scintillatore al NaI attivato al Tl che è mescolato nel reticolo cristallino. I fotoni emessi dall’ interazione dei gamma nel rivelatore si muovono in maniera isotropa e vengono convogliati sul fotomoltiplicatore. Per l NaI l’energia media di eccitazione e’ di circa 30eV, il picco di emissione (del NaI) è di circa 400nm e l’efficienza è di circa il 10%. Il cristallo di NaI è incapsulato di alluminio ed è a contatto col fotocatodo con un grasso ottico che ha un indice di rifrazione di 1,5. .

FOTOMOLTIPLICATORE:FOTOMOLTIPLICATORE:Il fotomoltipicatore è costituito inizialmente da un Il fotomoltipicatore è costituito inizialmente da un FOTOCATODOFOTOCATODO che è un elettrodo che che è un elettrodo che

per effetto fotoelettrico converte i fotoni emessi dallo scintillatore in elettroni con per effetto fotoelettrico converte i fotoni emessi dallo scintillatore in elettroni con un’efficienza del 25%. La carica emessa è talmente piccola(0,0012pC) che occorre un’efficienza del 25%. La carica emessa è talmente piccola(0,0012pC) che occorre moltiplicarla tramite una struttura a dinodi. moltiplicarla tramite una struttura a dinodi. I DINODI, I DINODI, posti a tensioni crescenti, posti a tensioni crescenti, moltiplicano gli elettroni ad ogni impatto e sono posizionati in successione a moltiplicano gli elettroni ad ogni impatto e sono posizionati in successione a potenziale crescente.potenziale crescente.

AMPLIFICATORE:AMPLIFICATORE: Serve per amplificare il segnale proveniente dal Serve per amplificare il segnale proveniente dal

fotomoltplicatore. Esso agisce in maniera da avere la fotomoltplicatore. Esso agisce in maniera da avere la stessa impedenza onde evitare l’attenuazione del stessa impedenza onde evitare l’attenuazione del segnale e l’eventuale riflessione dello stesso fa sì che il segnale e l’eventuale riflessione dello stesso fa sì che il segnale d’uscita sia proporzionale al segnale d’entrata segnale d’uscita sia proporzionale al segnale d’entrata che a sua volta è proporzionale all’energia iniziale.che a sua volta è proporzionale all’energia iniziale.

ADC & MCA:ADC & MCA: Il segnale analogico emesso dall’amplificatore viene Il segnale analogico emesso dall’amplificatore viene

digitalizzato in codice binario attraverso l’ADC ( analogic digitalizzato in codice binario attraverso l’ADC ( analogic digital converter ) e viene classificato e contato digital converter ) e viene classificato e contato attraverso l’MCA ( multi chanel analyzer ) che attraverso l’MCA ( multi chanel analyzer ) che immagazzina i segnali a diversi livelli energetici in canali immagazzina i segnali a diversi livelli energetici in canali diversi. diversi.

APPARATO SPERIMENTALEAPPARATO SPERIMENTALEOTTIMIZZAZIONE DELLA RISOLUZIONE VARIANDO OTTIMIZZAZIONE DELLA RISOLUZIONE VARIANDO

L’HVL’HV

La risoluzione è: La risoluzione è:

R = FWHM/ HR = FWHM/ Hoo

dove FWHM è l’ampiezza a mezza altezza del picco e Hdove FWHM è l’ampiezza a mezza altezza del picco e Hoo

è il canale centrale del picco.è il canale centrale del picco.

NN

MISUREMISURE

HH00

CONTEGGICONTEGGI

CANALE CANALE

CENTRALECENTRALE

CANALE CANALE

SX MINSX MINCONTEGGICONTEGGI

CANALE CANALE

SX MAXSX MAXCONTEGGICONTEGGI

CANALE CANALE

SX MEDIOSX MEDIO

11 2001920019 9292 8888 67596759 8989 1066410664 88,39088,390

22 1008710087 9999 9595 39963996 9696 58445844 95,36695,366

33 1011910119 106106 101101 35053505 102102 54295429 101,380101,380

44 2009320093 111111 107107 1000010000 108108 1388413884 107,387107,387

55 1008610086 118118 114114 42434243 115115 58245824 114,314114,314

66 2007220072 124124 120120 89348934 121121 1212512125 120,318120,318

77 1020110201 133133 128128 39323932 129129 53305330 128,274128,274

88 1008110081 141141 136136 46134613 137137 61766176 136,310136,310

99 2007320073 149149 143143 96109610 144144 12408 12408 143,279143,279

1010 1005210052 158158 152152 48254825 156156 60286028 152,239152,239

1111 2009120091 165165 160160 99019901 161161 1228512285 160,237160,237

CONTEGGIOCONTEGGIO

MEDIOMEDIO

CANALECANALE

DX(MIN)DX(MIN)CONTEGGICONTEGGI

CANALE CANALE

DX(MAX)DX(MAX)CONTEGGICONTEGGI

CANALECANALE

DX(MEDIO)DX(MEDIO) FWHMFWHM

10010 94 14453 95 9414 94,503 6,113

5044 101 7276 102 4829 101,485 6,119

5060 108 6951 109 4582 108,468 7,088

10047 114 10706 115 6792 114,390 7,003

5043 122 5476 123 3687 122,355 8,041

10036 128 11638 129 7773 128,385 8,067

5101 137 5836 138 3986 137,363 9,089

5041 145 5367 146 3698 145,331 9,021

10037 152 12272 153 9075 152,319 9,040

5026 161 6996 162 5452 161,307 9,068

10046 170 11414 171 8373 170,303 10,065

Variando la tensione ( Hv ) sul nostro amplificatore abbiamo trovato Variando la tensione ( Hv ) sul nostro amplificatore abbiamo trovato che la migliore risoluzione è 0,061 corrispondente ai 980 Voltche la migliore risoluzione è 0,061 corrispondente ai 980 Volt

Tensione ( V )Tensione ( V ) R R

900 0,066

910 0,062

920 0,067

930 0,063

940 0,068

950 0,065

960 0,068

970 0,064

980 0,061

990 0,057

1000 0,061

0,0000,0100,0200,0300,0400,0500,0600,0700,0800,090

880 900 920 940 960 980 1000 1020

Tensione ( V )

R ( R

isolu

zione

)

VERIFICA DELLA LINEARITA’ DELL’AMPLIFICATORE

L’amplificazione è definita dal rapporto Vout/ VinQuesto rapporto deve mantenersi costante

V IN V IN EAEA V OUTV OUT EAEA VOUT/VINVOUT/VIN ER (VIN)ER (VIN) ER (VOUT)ER (VOUT) EA VOUT/VINEA VOUT/VIN

0,05 0,005 1,68 0,05 34 0,100 0,030 4

0,1 0,005 3,32 0,05 33 0,050 0,015 2

0,15 0,005 4,8 0,05 32 0,033 0,010 1

0,2 0,005 6,48 0,05 32 0,025 0,008 1

0,25 0,005 8,08 0,05 32,3 0,020 0,006 0,8

0,3 0,005 9,68 0,05 32,3 0,017 0,005 0,7

0,35 0,005 11,16 0,05 31,9 0,014 0,004 0,6

0,4 0,005 11,32 0,05 28,3 0,013 0,004 0,5

Analizzando i rapporti tra la tensione in entrata e quella in uscita abbiamo trovato una zona in cui la linearità dell’amplificatore si mantiene costante fino al segnale di tensione di 0,4 Volt.

0

100

200

300

400

500

600

0 100 200 300 400

Tensione ( mV )

Can

ale

VERIFICA DELLA LINEARITA’ DELL’ADCVERIFICA DELLA LINEARITA’ DELL’ADC

mV CANALE mV/CH

50 79 0,633

100 160 0,625

150 240 0,625

200 319 0,627

250 400 0,625

300 481 0,624

Verificando il rapporto tensione su canale abbiamo riscontrato dei valori costanti quindi la linearità dell’ADC è verificata.

CALIBRAZIONE IN ENERGIASORGENTI CANALE Ea ENERGIA Ea

AMERICIO 241 15 1 59,5 0,1

COBALTO 57 30 1 136,5 0,1

BARIO 133 83 1 383,8 0,1

CESIO 137 147 1 661,6 0,1

MANGANESE 54 180 1 834,8 0,1

SODIO 22 246 1 1274,5 0,1

COBALTO 60 252 1 1332 0,1

YTTRIO 88 291 1 1836 0,1

La calibrazione permette di trovare la relazione matematica tra canale dell’adc ed energia dei fotoni.

SORGENTISORGENTI CANALE SXCANALE SX CANALE DXCANALE DXSOMMA SOMMA CANALICANALI CONTEGGI AREACONTEGGI AREA

Co_57Co_57 2626 3636 1010 3365533655

Cs-137Cs-137 124124 161161 3737 101234101234

Mn-54Mn-54 162162 193193 3131 112359112359

Co-60Co-60 227227 241241 1414 9186191861

Co-60Co-60 244244 261261 1717 7991079910

Y-88Y-88 279279 298298 1919 1542715427

CH SXCH SX CH SXXCH SXX MEDIA CH SXMEDIA CH SX CH DXCH DX CH DXXCH DXX

448448 538538 493493 2626 1818

153153 174174 163,5163,5 1919 2424

158158 168168 163163 2929 2828

18041804 16751675 1739,51739,5 15281528 11861186

11861186 15281528 13571357 267267 240240

177177 202202 189,5189,5 5656 5555

EFFICIENZAE' il rapporto fra fotoni visti/ fotoni emessi ovvero il numero di impulsi E' il rapporto fra fotoni visti/ fotoni emessi ovvero il numero di impulsi

registrati dal rivelatore per un radionuclide e il numero di disintegrazioni registrati dal rivelatore per un radionuclide e il numero di disintegrazioni realmente avvenute nel radionuclide. realmente avvenute nel radionuclide.

Per calcolare l’efficienza è quindi necessario conoscere l’attività del radionuclide al momento della misura

MEDIA CH DXMEDIA CH DX MEDIA GEN.MEDIA GEN. FONDOFONDO AREA PICCOAREA PICCO SECONDISECONDI

22 257,5 2575 31080 30,46

21,5 92,5 3422,5 97811,5 68,42

28,5 95,75 2968,25 109390,75 263,94

1357 1548,25 21675,5 70185,5 113,2

253,5 805,25 13689,25 66220,75 113,2

55,5 122,5 2327,5 13099,5 1000

CP/S NETTICP/S NETTI FOTONI FOTONI ENERGIA (KEV)ENERGIA (KEV) EFFICIENZAEFFICIENZA  

1020,35 96220 136,5 0,0106  

1429,57 34052,8 661,6 0,0420  

414,45 12016 834,8 0,0345  

620,01 32131 1173 0,0193  

584,99 32131 1332 0,0182  

13,10 846 1836 0,0155  

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0,045

0 500 1000 1500 2000

Energia (KeV)

Eff

icie

nza

Conclusione:Conclusione:Ponendo a misura diversi campioni ( matrice ambientali ) Ponendo a misura diversi campioni ( matrice ambientali )

riusciamo a stabilire:riusciamo a stabilire:

In base alla posizione dei picchi ( energia del picco ) i tipi di In base alla posizione dei picchi ( energia del picco ) i tipi di radionuclidi presentiradionuclidi presenti

Risalire e conoscere l’attività di ciascun radionuclideRisalire e conoscere l’attività di ciascun radionuclide