Espectroscopía de rayos gamma

Departamento de Fisica Atomica, Molecular y Nuclear
Facultad de Ciencias Fisicas. UCM
Asignatura: Radiofísica
Espectroscopía de Rayos γ con
un centelleador de INa(Tl)
1 Introducción
En esta práctica se obtendrán y analizarán los espectros de radiación
γ emitidos por diferentes fuentes. Para ello emplearemos un centelleador
inorgánico de INa(Tl) acoplado ópticamente a un fotomultiplicador. Se estudiará
además la absorción de radiación γ en láminas de aluminio y plomo.
2 El Método Experimental
El método consiste básicamente en lo siguiente: la radiación γ es en parte
absorbida por el centelleador de INa(Tl) que la transforma en radiación visible.
La luz producida es detectada por el fotomultiplicador el cual da como
respuesta impulsos eléctricos de corta duración y de amplitud proporcional
a la energía del rayo γ incidente. Finalmente, un analizador multicanal obtiene
el espectro de las amplitudes de estos impulsos que está directamente
relacionado con el espectro de la energía depositada en el centelleador.
Aunque a continuación se expone brevemente la base de este método experimental,
se recomienda la lectura de algunos textos sobre instrumentación
nuclear 1 .
2.1 El Centelleador
Para la obtención del espectro utilizaremos un cristal de INa(Tl) con
geometría cilíndrica de 4 cm de altura y 4 cm de diámetro. La radiación
incidente sobre este cristal interacciona siguiendo básicamente los siguientes
procesos: absorción fotoeléctrica, dispersión Compton y creación de pares.
Este último efecto tiene como umbral E min = 2 × m e = 1.02MeV y en el
rango de energía de este trabajo (E ≤ 1.3MeV ), no tiene relevancia. Los
fotones absorbidos por efecto fotoeléctrico dejan toda su energía en el cristal,
en cambio cuando un fotón interacciona por efecto Compton pierde solo parte
de esta siendo dispersado con un cierto ángulo, θ, con una probabilidad que
1 W. R. Leo Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer - Verlag
1987. G. F. Knoll Radiation Detection and Measurement, Wiley 1979
1

viene dada por la fórmula de Klein-Nishina 2 . Tras la dispersión, este fotón
secundario puede escapar del centelleador sin más interacciones, bien ser
absorbido por efecto fotoeléctrico o sufrir una nueva dispersión Compton.
Como consecuencia el espectro de la energía total depositada tiene una
forma característica consistente en un pico estrecho (pico fotoeléctrico) más
un perfil contínuo que abarca desde energía cero hasta un valor (borde Compton)
correspondiente a la máxima energía que el fotón puede ceder en una
colisión Compton (dispersión con 180 grados). La aparición de este continuo
dificulta a menudo la interpretación del espectro y se han desarrollado diversas
técnicas experimentales para su eliminación. En cualquier caso para
espectroscopía de fotones γ se deben emplear centelleadores constituidos por
elementos que presenten una sección eficaz de absorción fotoeléctrica importante.
La energía depositada por el rayo γ es convertida dentro del centelleador
en fotones en el rango visible/uv-próximo en número aproximadamente proporcional
a la energía depositada.
2.2 El Fotomultiplicador
El fotomultiplicador es un dispositivo que permite detectar luz con alta
sensibilidad. Consta basicamente de un elemento (fotocátodo) en donde, por
efecto fotoeléctrico, se produce un electrón (fotoelectrón) que es acelerado
hacia una serie de electrodos (dinodos) debido al campo electrico creado por
una tensión suministrada externamente. Este fotoelectrón inicial va siendo
multiplicado en las distintas etapas a su paso por los dinodos obteniendose en
el último de ellos (ánodo) una corriente apreciable que sobre una resistencia
de carga adecuada puede formar un impulso de tensión detectable. Los fotones
producidos por el centelleador tras la detección del rayo γ son emitidos
en unos pocos microsegundos y la respuesta total del fotomultiplicador consiste
en un único impulso de amplitud proporcional a este número de fotones
y por tanto proporcional tambien a la energía depositada.
2 Ver práctica de simulación Estudio del paso de fotones (E ≈ 1MeV) a través de la
materia
2

2.3 El Analizador Multicanal
Para obtener el espectro de amplitudes de estos impulsos se emplea un
analizador multicanal 3 . Este dispositivo posee una memoria interna dividida
en un cierto número de canales en cada uno de los cuales va acumulando el
número de impulsos que llegaron con una amplitud (voltios) comprendida
entre un valor V y V + ∆V , representado ∆V la anchura del canal. En
nuestro caso corresponde a un intervalo de energía γ (E , E + ∆E). Existe
una relación lineal entre energía y número de canal que puede ser obtenida
a partir del espectro de algún emisor conocido.
3 Objetivos
• Obtener el espectro de alguna muestra conocida para poder calibrar el
espectrómetro. Se recomienda emplear 22 Na.
• Obtener el espectro de fondo del laboratorio y reservarlo. Tratar de
identificar alguno de los picos.
• Obtener el espectro de las muestras estandar y comprobar la linealidad
del espectrómetro. Identificar todos los picos asi como los continuos
observados. Para ello, sustraer previamente el espectro del fondo del
laboratorio. Para las muestras estandar se sugiere un tiempo de toma
de datos de 5 minutos.
• En el caso de la camiseta luminosa :
– Obtener un espectro con al menos 15 minutos de tiempo de toma
de datos.
– Sustraer el fondo e identificar los picos que se observan.
– Se encuentra la muestra en condiciones de equilibrio secular ?
Se conoce, como dato, que la camiseta contiene sales de Torio. Un sitio
donde se encuentran datos de series radiactivas es, por ejemplo,
http://nucleardata.nuclear.lu.se .
3 Se recomienda leer la hoja de instrucciones del analizador multicanal
3

• Estudiar la absorción en láminas de aluminio y plomo. Para ello se
comparará el espectro del 22 Na sin absorbentes con el obtenido cuando
se interponen láminas de estos elementos. Para la medida de la intensidad
de los picos integrar todo el área de estos . Representar el logaritmo
de la intensidad frente al espesor y obtener experimentalmente las secciones
eficaces de interacci’on en el aluminio y en el plomo de los fotones
de 511 y 1275 KeV mediante un ajuste. Comparar los resultados con las
predicciones teóricas de las secciónes eficaces de los distintos procesos,
contenidas en el gui’on y la bibliograf’ia recomendada. Para obtener
una mayor precisión se puede restar a cada espectro el fondo del laboratorio.
Se sugiere realizar medidas de 5 minutos, interponiendo 2,5
y 8 laminas de cada uno de los dos elementos. Como fuente radiactiva
se recomienda usar el 22 Na. Discutir los errores de las medidas.
• Obtener con buena estadística algun espectro en donde se observe con
claridad un fotopico aislado junto a su perfil Compton. Restar el fondo
de laboratorio. Transferir el contenido a la memoria del ordenador. Se
recomienda emplear el pico de 1.275 MeV del 22 Na.
– Estudiar la forma del pico. Comprobar que se ajusta a una gaussiana.
– Estudiar la forma del perfil Compton. Cual es la posición del
borde Compton? Es la esperada teoricamente?
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