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IV WORKSHOP
“RADIACIÓN NATURAL Y MEDIO AMBIENTE”
Conceptos básicos en espectrometría de
radiación gamma
Alejandro Martín Sánchez
Departamento de Física
Universidad de Extremadura
06071 Badajoz
Espectrometría gamma
Desarrollo de técnicas de detección:
• pp. Siglo XX: Placas fotográficas (Becquerel y Villard)
• Contador Geiger-Müller (1928) y proporcional (1940): medida instantánea y
cuantitativa de radiación gamma de bajas energías
• 1948: cristales centelleadores de NaI: adquisición de espectros en un amplio
rango energético, con aceptable resolución y alta eficiencia.
• Años 60: Detectores de Si(Li) y Ge(Li): Revolución en espectrometría gamma.
- Ventaja: Mejoran la resolución en un orden de magnitud.
- Inconveniente: mantenimiento a T del Ni líquido, incluso durante almacenamiento.
• Años 70: Detectores de Ge hiperpuro (HpGe): sustituyen a los Ge(Li), pues sólo
requieren enfriamiento durante su funcionamiento.
• Futuro: - Semiconductores con mayor Z y empleados a T ambiente (CdTe, AgAs)
- Cristales centelleadores más compactos (CsI)
- Detectores criogénicos con mayor resolución en energías
Ventajas respecto a otras técnicas de detección:
• Técnica de recuento multielemental
• Ausencia de tratamientos químicos previos en las muestras
• Técnica no destructiva
Campos de aplicación
• Radiactividad ambiental: estudios geológicos, de datación, migración de radionúclidos, etc
• Medida y control de la contaminación radiactiva: origen natural o artificial.
• Aplicación en áreas industriales
• Procesos básicos en física teórica: contraste de modelos teóricos
• Estudio de las secciones eficaces en espectroscopía nuclear
• Reacciones nucleares
• Núcleos especiales
•Aplicaciones más avanzadas: uso en experimentos de búsqueda de neutrinos solares,
desintegración bb y materia oscura.
Principales mecanismos de interacción del fotón


E


E'  E·1 
1
cos
θ

2
m
c
o


E = Ee- + Ee+ + 2 moc2
SECCIONES EFICACES
Absorción Fotoeléctrica
σ ≈ cte Zn E-3.5;
4<n<5
Dispersión Compton
σ ≈ cte Z / E
Producción de pares
σ ≈ cte Z2
PROBABILIDADES DE INTERACCIÓN
TIPOS DE DETECTORES

CENTELLEO
NaI(Tl); CsI(Tl); CsI(Na);…

SEMICONDUCTOR
HpGe; Si; Si(Li); CdTe; GaAs…
Detectores de Centelleo
La radiación gamma excita los átomos
del detector.
 Cuando éstos se desexcitan, emiten luz,
que es recogida por un fotomultiplicador.

Detectores de NaI(Tl)
Fotomultiplicadores
Detector de INa(Tl)
Detectores de semiconductor


La radiación gamma excita electrones desde
la banda de valencia a la banda de
conducción.
La aplicación de un campo eléctrico
adecuado permite la recogida de cargas
creadas por la radiación en los electrodos,
formándose un impulso eléctrico, que es
recogido por el sistema electrónico asociado.
Detectores de semiconductor
Detectores de semiconductor
Detectores HpGe
ESQUEMA BÁSICO DE UN SISTEMA DE DETECCIÓN
muestra
detector
ADC
Cuentas
MC
A
core
Energía
AMPLIFICADOR
Interacción Fotón-cristal
FUENTE
DE
TENSIÓN
PA
Partículas secundarias (e-)
Ionización en el cristal
TEORICO
EXPERIMENTAL
Detector ideal grande
Detector real
Detector real
Espectro
monoenergético
Fuente Eo
Contínuo
Compton
Extremo
Compton
detector
E.F
Pico
R.X
P.P
E.C
Fotones
aniquilación
Fig. Distribución energética electrónica
para fotones de energía Eo
DETECTOR
múltiple
Compton
Efectos debidos al blindaje
Esquema de interacciones
Fuente monoenergética
Fuente
E.C
Escape
R.X Ge
E.F
P.P
b-
detector
E.C
Compton
blindaje
Fotón
dispersado
Fotones
aniquilación
Bremsstrahlung
E.F
P.P
R.X Pb
Blindaje
Pb
Fotones
aniquilación
DETECTOR
Blindaje
Pb
• R.X Pb (blindaje) = 72 keV
• Picos escape R.X
• R.X NaI (cristal) = 28 keV (Pico Eo – 28 keV)
• R.X Ge (cristal) = 11 keV (Pico Eo - 11 keV)
• Backscattering en blindaje para ángulos > 120 o
Pico extenso [170 – 270 keV]
• Picos de escape en la producción pares:
(Eo – 511 keV) y (Eo – 1022 keV)
• Múltiple Compton: Estructura continua entre pico
y el extremo Compton
• Radiación de aniquilación: pico 511 keV
• Bremstrahlung: Interacción radiación b
R.X
137Cs
DETECTOR NaI
Pico
Backscattering
Extremo
Compton
Multiple
Compton
Espectro real
monoenergético
Espectros monoenergéticos
ESQUEMAS DE
DESINTEGRACIÓN
239Pu
a103
103,04
E(keV)
56,83
103,04
a8
1
88,70
30,04
81,74
a51
51,62 38,66
51,70
46,21
46,21
a13
12,96
a0.07
Temisión (fotón i)
= A(239Pu)
0,077
* I (i)
235U
13,04
0,077
0
ESQUEMAS DE DESINTEGRACIÓN
Temisión (fotón i) = A(131I) * I (i)
Espectro real monoenergético
Espectro real
multienergético
Espectro real
multienergético
Varios radionúclidos
Conceptos importantes
Resolución
Capacidad del sistema de
detección para separar
dos fotopicos con
energías muy
parecidas. Se mide
generalmente como la
anchura a media altura
en unidades de energía

RESOLUCIÓN
Conceptos importantes
EFICIENCIA
 Absoluta
Relación entre el número de fotones emitidos por la fuente y el
número de sucesos detectados.
 Intrínseca
Relación entre el número de fotones que llegan al detector y el
número de sucesos detectados.
 Relativa
Relación entre la eficiencia de un detector de Ge y la de otro de
3x3” de NaI(Tl) para el fotopico de 1.33 MeV del Co-60.
 De fotopico
Relación entre el número de fotones emitidos por la fuente y el de
fotones que dejan toda su energía en el detector (fotopico).

Comparación
CUESTIÓN:
1.
En el espectro, se busca el canal correspondiente a la energía E o
2.
Se calcula el área bajo el “fotopico” (Full-energy peak) ( C )
3.
Se sustrae el fondo “Compton” bajo el área del fotopico ( F )
Pico(FEP)
Cuentas
¿cómo determinar el número de fotones de una energía
específica Eo emitidos por una fuente? Tasa fotónica
Eo
Energía
(C – F) / Tdetección = no fotones que depositan toda su energía Eo
en el detector
e (E0) =
no fotones que depositan toda su energía Eo en el detector
no fotones con energía Eo que son emitidos por la fuente
Detector
Calibración en eficiencia del sistema muestra-detector
Medida de una muestra patrón con
tasas de emisión fotónica conocidas
e(Ei) =
(Ci – Fi) / tdetección
Temisión (Ei)
MUESTREO DE LA DIRECCIÓN DE EMISIÓN DEL FOTON
10
C a lc u la te d v a lu e s
E x p e rim e n ta l v a lu e s
Temisión(Ei) = A * Ii
E ffic ie n c y (% )
Dificultades experimentales
SD D = 2 cm
1
SD D = 5 cm
1) Situación idéntica a la muestra de interés: geometría,
matriz, densidad, disposición respecto detector.
2) Amplio rango energético (40-2000 keV)
3) Elaboración de múltiples muestras patrón
0 ,1
SD D = 20 cm
4) Almacenamiento progresivo fuentes radiactivas
5) Problemas de suma por coincidencias (Rad. multigamma)
100
1000
E n e rg y (k e V )
6) Radionúclidos monoenergéticos corto período (coste)
Cálculo de la actividad
A = (N – F) / (t*ε*I*V)
N – Número de cuentas en el fotopico
F – Número de cuentas del fondo
t – tiempo de medida
ε – Eficiencia de fotopico
I – Intensidad de la emisión
V – Volumen de la muestra
X
Suma por coincidencias
Radionúclidos multigamma
E1 + E3 + E5 = E1 + E4 = E2
E3 + E5 = E4
2
1
Fotones (1, 3, 5) y ( 1, 4) y (3, 5) emitidos en cascada
(simultáneamente para el detector)
3
4
5
0
X'
Fotón 2: efecto “summing in”
Fotón 1,5,3: efecto “summing out”
Fotón 4: efecto “summing in” y “summing out
APLICACIONES
AÑO 1999