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Díaz-Benassi - Laboratorio Tandar

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Resumen<br />

Nuclear<br />

UBA, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales<br />

Autores: Fernando <strong>Díaz</strong>, Andrés <strong>Benassi</strong><br />

Docentes: Joaquin Sacanell, Guillermo Jorge, Mariela Josebachuili<br />

La creación de un par electrón-positrón debido a la interacción de un rayo gama con la materia y la<br />

subsecuente aniquilación del positrón emite dos rayos gama colineales en sentidos opuestos. En este<br />

trabajo se describe el método por el cual estas emiciones se pueden determinar usando dos detectores<br />

inorgánico de centelleo NaI(Tl) Los resultados no son del todo concluyentes por limitaciones de tiempo<br />

pero se cree que el método es confiable. Se estudia también la calibración del equipo mediante la<br />

posición de fotopicos de distintos materiales radiactivos y se estudia la dependencia de la actividad<br />

detectada en función de la distancia.<br />

1. Introducción<br />

1.1. Descripción general del fenómeno de radiación:<br />

Un elemento químico está identificado al nivel<br />

más básico por dos números. El número<br />

atómico Z especifica la cantidad de protones en<br />

el núcleo atómico y el número másico A<br />

determina la cantidad total de nucleones<br />

(protones + neutrones ) en el mismo núcleo. Si<br />

bien a un elemento específico le corresponde<br />

un sólo número Z, puede tener distintos valores<br />

de A. Estos distintos valores de A para un<br />

mismo Z determinan los isótopos del elemento.<br />

Todos los elementos químicos poseen un gran<br />

número de isótopos inestables. Un isótopo<br />

inestable es aquel que espontáneamente e<br />

impredeciblemente decae a uno o más isótopos<br />

de otro elemento emitiendo en el proceso rayos<br />

de radiación. El resultado del decaimiento,<br />

además de los rayos emitidos, es un número de<br />

elementos hijas que pueden en sí mismos ser o<br />

no estables.<br />

A grandes rasgos los rayos de radiación más<br />

comunes pueden clasificarse en tres categorías:<br />

Rayos Alpha: Consisten en iones de Helio con<br />

carga 2+, átomos de Helio sin sus electrones.<br />

Están presentes en los elementos más pesados<br />

(aquellos con número atómico mayor a 52) y<br />

son fácilmente detenidos por una hoja de papel.<br />

Rayos Beta: Consisten en electrones o<br />

positrones con gran energía cinética. Son<br />

emitidos tanto por isótopos livianos como<br />

pesados y son más penetrantes que los rayos<br />

Alpha aunque pueden ser detenidos por una<br />

fina plancha de aluminio.<br />

Rayos Gama: Consisten en radiación<br />

electromagnética de gran energía. Una energía<br />

típica para un rayo gamma supera los 100KeV.<br />

Son mucho más penetrantes que los rayos<br />

Alpha y Beta y se necesita una barrera<br />

substancialmente ancha de plomo o algún<br />

material denso para detenerlos.<br />

Los experimentos realizados en este trabajo<br />

consistieron en hacer interactuar rayos gama<br />

con materia por lo que a continuación<br />

detallaremos los mecanismos principales a


través de los cuales dicha interacción se lleva a<br />

cabo.<br />

1.2. Mecanismos de interacción de rayos gamma<br />

con la materia:<br />

1.2.1.Efecto Compton:<br />

Dado que la energía de un rayo gamma es más<br />

de 6 órdenes de magnitud mayor a la energía<br />

de ligamiento (alrededor de unos pocos eV)<br />

entre un electrón atómico y el núcleo atómico<br />

se puede considerar que cuando un fotón del<br />

rayo colisiona con uno de los electrones del<br />

material este último se encuentra libre y en<br />

reposo. Si se considera al rayo gamma desde un<br />

punto de vista corpuscular, la colisión puede ser<br />

vista como un choque elástico donde un fotón<br />

incidente con energía Eɣ golpea al electrón en<br />

reposo y se emite un segundo fotón con energía<br />

E’ ɣ(Ɵ) dónde Ɵ es el ángulo de deflexión<br />

medido respecto de la recta formada por la<br />

trayectoria del fotón original y la dirección de<br />

emisión del segundo fotón (como se ve en la<br />

figura 1).<br />

Figura 1: Efecto Compton.<br />

El electrón originalmente en reposo adquiere<br />

luego de la colisión una energía cinética Te(Ɵ).<br />

Teniendo en cuenta la conservación de energía<br />

y momento total del sistema antes y después<br />

del choque podemos plantear las siguientes<br />

ecuaciones<br />

Eɣ = E’ ɣ(Ɵ) +Te(Ɵ) (1)<br />

Pɣ = P’ ɣ(Ɵ) + Pe(Ɵ) (2)<br />

Donde Pɣ es el momento del fotón original, P’<br />

ɣ(Ɵ) el momento de nuevo fotón emitido y Pe(Ɵ)<br />

el momento del electrón después de la colisión<br />

(El uso de negrita indica que se trata de una<br />

cantidad vectorial mientras que la falta de las<br />

mismas indica el módulo). Despejando Pe de la<br />

ecuación (2) y tomando el cuadrado llegamos a<br />

la ecuación (3) de la cuál resulta evidente que la<br />

máxima transferencia de momento que imparte<br />

el fotón al electrón sucede a 180 grados.<br />

Pe 2 = P’ ɣ + Pɣ -2 Pɣ P’ ɣcos(Ɵ) (3)<br />

Para el ángulo de de mayor transferencia de<br />

momento llegamos a (4)<br />

Pe = Pɣ + P’ ɣ (4)<br />

Usando la conocida relación (5) entre la energía<br />

y momento de un fotón, (4) se convierte en (6)<br />

E ɣ= cPɣ (5)<br />

cPe = Eɣ + E’ɣ (6)<br />

Finalmente podemos de las ecuaciones (1) y (6)<br />

llegamos a la ecuación (7) la cual nos da una<br />

relación entre el momento del del electrón, la<br />

energía del fotón incidente y la energía cinética<br />

T del electrón.<br />

cPe = 2Eɣ + -T (7)<br />

La energía T puede asumirse que toma o la<br />

forma funcional clásica (8) o relativista (9)<br />

T = (8)<br />

T = - (9)<br />

Sustituyendo las ecuaciones (8) y (9) en (7)<br />

llegamos a las relaciones (10) para el caso<br />

clásico y (11) para el relativista.<br />

(10)


(11)<br />

Donde es la masa no relativista y la<br />

masa en reposo.<br />

El efecto Compton es dominante ante el el<br />

efecto fotoeléctrico y la creación de pares<br />

desde unos cuantos keV a unos pocos MeV. El<br />

efecto Compton sin embargo no elimina al rayo<br />

gamma si no que múltiples interacciones de<br />

Compton bajan su energía a niveles que puede<br />

interactuar con la materia a través de otros<br />

mecanismos.<br />

1.2.2. Efecto fotoeléctrico.<br />

El efecto fotoeléctrico consiste en una colisión<br />

de un fotón de energía<br />

E=hν (12)<br />

(h es la constante de Planck y ν la frecuencia del<br />

fotón)con un electrón ligado a un átomo. La<br />

ecuación (12) no es más que otra expresión que<br />

la ecuación (5). Si la energía del fotón incidente<br />

es mayor a la energía de ligadura φ del electrón<br />

éste último es eyectado del átomo con una<br />

energía cinética<br />

T= hν - φ (13)<br />

el fotón incidente es eliminado. Para rayos<br />

gamma con suficiente energía el electrón que<br />

es eyectado por el efecto fotoeléctrico<br />

pertenece, con mayor probabilidad, a la capa<br />

electrónica más interior al átomo conocida<br />

como capa K o capa 1.<br />

1.2.3.Creación de pares.<br />

Si el rayo gama tiene como mínimo una energía<br />

equivalente a dos veces la energía de la masa<br />

en reposo de un electrón, o sea 2*511KeV, es<br />

posible que el rayo incidente en el campo<br />

coulombiano de un átomo de lugar a la creación<br />

de un electrón-positrón. La energía del rayo<br />

gama que excede a este 1.022MeV es<br />

distribuida como energía cinética al núcleo del<br />

átomo y al par electrón-positrón. El positrón así<br />

generado viaja cierta distancia y se aniquila al<br />

interactuar con un electrón libre. Esta<br />

aniquilación transforma la masa del positrón y<br />

del electrón que chocan en dos rayos gama con<br />

una energía mínima cada uno de 511KeV (el<br />

excedente de energía está determina por la<br />

energía cinética del electrón y el positrón).<br />

Ambos rayos gama son emitidos colinealmente<br />

en sentidos opuestos. Si bien la energía mínima<br />

necesaria para que un rayo gama cree un par<br />

electrón-positrón es de 1.022MeV es mucho<br />

más probable que el fenómeno se dé a energías<br />

mayores a 5MeV.<br />

La probabilidad de que un rayo gama sea<br />

absorbido por el material por el cual está<br />

pasando es proporcional ancho de la capa de<br />

dicho material. Esto lleva a un decaimiento<br />

exponencial de la intensidad de un haz de rayos<br />

gama con respecto a la intensidad original que<br />

depende del ancho del material. Este hecho<br />

está resumido en la ecuación (14) conocida<br />

como la ley de Bouger-Lambert.<br />

(14)<br />

Donde I(x) es la intensidad en función de la<br />

distancia a lasuperficie x. es la intensidad<br />

inicial. es el coeficiente de absorción lineal. ρ<br />

es la densidad del material. Se define t= x. ρ<br />

Finalmente se conoce como el coeficiente de<br />

absorción másico.<br />

1.3. Interacción con un centelleador.<br />

En este trabajo se utilizó un centelleador<br />

inorgánico de Yoduro de de Sodio dopado con<br />

Talio NaI(Tl). Los rayos gamas incidentes en el<br />

centelleador interactúan con material del<br />

mismo mediante los 3 mecanismos que se<br />

detallan en la sección 1.2. La energía de los<br />

fotones gamma incidentes se degrada dentro


del centelleador produciendo una cantidad de<br />

electrones los cuales excitan una red cristalina<br />

la cual emite un número de fotones de<br />

frecuencias dentro del espectro visible. El<br />

resultado final es que se crea una cantidad de<br />

fotones visibles proporcional a la energía de los<br />

fotones gamma incidentes. El centelleador se<br />

puede conectar a un fotomultiplicador (PMT) el<br />

cual entrega entrega un pulso de tensión con<br />

amplitud proporcional a la energía del rayo<br />

gamma original. El pulso generado por el PMT<br />

es analizado por un Multichannel Analizer<br />

(MCA) el cuál discretiza la altura del pulso y<br />

entrega un número digital equivalente a la<br />

amplitud del pulso y por ende a la energía del<br />

rayo original. Esté número digital será referido<br />

de ahora en más como número de canal.<br />

Es posible realizar un histograma con el número<br />

de cuentas en función del número de canal.<br />

Denominaremos a dicho histograma como<br />

espectro de rayos gamas y lo describiremos más<br />

exhaustivamente en la sección siguiente.<br />

1.4. Espectro de rayos gama.<br />

Figura 2: Espectro típico de una emisión gama<br />

interactuando con los electrones de un<br />

detector. Se ven claramente el fotopico y el<br />

borde Compton.<br />

La figura 2. muestra un espectro típico de<br />

emisión gama el cual presenta dos regiones<br />

características que debemos destacar. El<br />

fotopico corresponde al caso en que toda la<br />

energía del fotón incidente queda en el<br />

detector. A energías más bajas (número de<br />

canal menor) vemos una zona medianamente<br />

horizontal que corresponde a la meseta de<br />

Compton. A diferencia del fotopico que tiene<br />

una energía más o menos bien definida la<br />

meseta de Compton cubre un rango de<br />

energías, esto se debe a que en una interacción<br />

de Compton la energía del electrón queda<br />

dentro del detector mientras que la energía del<br />

fotón emitido puede escapar del mismo. Como<br />

la energía del electrón depende del ángulo Ɵ<br />

(ver sección 1.2.1) hay un continuo de energías<br />

posibles que puede tomar y por ende hay un<br />

continuo de valores en el espectro. El canal<br />

señalado como borde Compton corresponde a<br />

la máxima energía T del electrón, o sea a un<br />

ángulo Ɵ de scattering de 180 grados.


2. Desarrollo Experimental<br />

Se muestra en la Figura 3 el montaje básico<br />

sobre la cual se realizó todas las experiencias<br />

de estudio sobre la emisión de radiación<br />

gamma.<br />

Figura 3: Esquema del arreglo experimental.<br />

Dentro del blindaje se depositaba el material<br />

radioactivo encerrado lo más posible, expuesto<br />

solo al detector. Esto, aparte de proveer<br />

seguridad, disminuía el ruido ambiental al<br />

umbral mínimo. Se utilizó, en su mayoría, el<br />

detecto tipo centellador de Nal(Tl) (Yoduro de<br />

Sodio dopado con Talio). Conectado al mismo,<br />

siguió un fotomultiplicador (PMT) en serie con<br />

un amplificador, que ensanchaba y amplificaba<br />

la señal recibida para luego mandarla al<br />

analizador multicanal. El analizador se<br />

configuraba de dos maneras: single Channel<br />

Anylizer (SAC) y Multi-channel Anylizer (MCA).<br />

El SAC organiza las señales recibidas por<br />

energía medida, separando un rango de tensión<br />

de unos 10 volts entre 2048 canales. Luego se<br />

contaba las mediciones pertenecientes a cada<br />

canal y se formaba un histograma por medio del<br />

programa PHA. El MCA crea una serie de<br />

pasadas, cada medición dura un intervalo de<br />

tiempo ajustable (dwell time) y cuenta la<br />

cantidad de eventos ocurridos en ese lapso.<br />

2.1. Calibración del Single Channel Anylizer<br />

(SAC)<br />

La calibración del SAC se llevo a cabo con dos<br />

elementos, Bismuto y Cobalto. Cada elemento<br />

posee dos fotopicos con energías diferenciables<br />

y conocidas (Tabla 1).<br />

Fuente 1º Fotopico 2º Fotopico<br />

207 Bi 569,7 1063,7<br />

60 Co 1173,2 1332,5<br />

Tabla 1: Energía de los fotopicos del Bismuto y Cobalto en<br />

KeV.<br />

Se usó los valores conocidos de los fotopicos<br />

para encontrar la calibración del Analizador<br />

Multicanal. Se ajustaron los fotopicos mediante<br />

una curva gaussiana que permitió calcular el<br />

punto máximo del mismo. Luego mediante los<br />

datos en la Tabla 1 se pudo relacionar la<br />

energía emitida de los fotones con los canales<br />

del SAC. Ajustando los puntos mencionados<br />

mediante una recta se encontró la calibración<br />

buscada. Para todas las mediciones realizadas<br />

posteriormente a la calibración se usó la fuente<br />

de Bismuto. Su elección se basaba en la<br />

presencia de alta radioactividad en comparación<br />

de las otras fuentes por lo que permitía realizar<br />

las mediciones en el menor tiempo posible.<br />

Se consideró que sólo cuatro puntos eran<br />

suficientes para la calibración dado que se<br />

conocía de antemano que la respuesta era lineal<br />

debido al trabajo de grupos de estudiantes<br />

anteriores.<br />

2.2. Dependencia de la intensidad con la<br />

distancia.<br />

Usando el montaje ilustrado en la Figura 3 y una<br />

fuente de Bismuto se procedió en medir el<br />

decaimiento de la radioactividad en función de la<br />

distancia entre la fuente y el detector. Por un<br />

intervalo de tiempo de 240 segundos se midió la<br />

actividad a varias distancias: 15mm, 25mm,<br />

35mm, 45mm, 55mm, 65mm, 75mm, 85mm,<br />

95mm, 115mm, 135mm, 155mm, 175mm,<br />

195mm, 215mm, 235mm y 255mm. Usando el<br />

punto máximo calculado para la calibración se<br />

calculó el valor de radiación para todas las<br />

distancias. Para estimar un valor de cuentas se<br />

consideró un error de 5 canales para el punto<br />

máximo y se tomó el promedio de todos los<br />

valores encontrados en dicho intervalo, luego la<br />

mitad del intervalo se tomó como el intervalo de<br />

error. Este método nos asegura que no se<br />

subestima los valores encontrados. Luego se<br />

ajustó los puntos obtenidos con la ecuación<br />

A/X b (15)<br />

Donde X es la distancia entre fuente y detector y<br />

A y b parámetros a determinar por un ajuste.<br />

Este ajuste se realizó tanto para el primer<br />

fotopico como para la segunda.<br />

2.3. Caracterización del Time to Amplitude<br />

Converter (TAC)


El tac convierte dos señales de entrada en una<br />

señal de salida con amplitud linealmente<br />

proporcional al desfasaje entre las señales de<br />

entrada. Usando un generador de pulso para las<br />

señales de entrada y un osciloscopio para la<br />

medir la señal de salida se estudió el<br />

funcionamiento del TAC y sus limitaciones.<br />

2.4. Coincidencia.<br />

El uso del Tac para medir eventos de<br />

coincidencia fue esencial. En la Figura 4 se<br />

muestra el montaje utilizado. Para poder<br />

diferenciar mediciones debido a eventos<br />

independientes pero temporalmente<br />

coincidentes con coincidencia verdadera se<br />

midió con un ángulo entre los detectores de 180<br />

grados y 90. Como a 90 grados es imposible<br />

medir coincidencia, ya que por conservación del<br />

momento los dos rayos gammas salen en<br />

sentidos opuestos, se usó como filtro de ruido.<br />

Figura 4: Arreglo experimental para la medición de<br />

coincidencia a 180 grados.<br />

3.Resultados Y Análisis<br />

3.1. Calibración<br />

Como se mencionó la calibración del analizador<br />

multicanal se realizó con dos elementos. En la<br />

Figura 5 se muestra los datos recolectados para<br />

el Bismuto, mientras en la Figura 6 se muestra<br />

los obtenidos para el Cobalto.<br />

Cuenta<br />

15000<br />

10000<br />

5000<br />

0<br />

0 800 1600<br />

Canal<br />

Cuentas<br />

Ajuste 1ºpico<br />

Ajuste 2ºpico<br />

Figura 5: Datos obtenido de la fuente Bismuto. Ajuste<br />

Gaussiano a cada fotopico presente: 1ºfotopico- medio =<br />

433,59 ± 0,16 2ºfotopico- medio = 853,21 ± 0,31.<br />

Cuenta<br />

500<br />

400<br />

300<br />

200<br />

100<br />

0<br />

0 500 1000 1500 2000<br />

Canal<br />

Cuentas<br />

Ajuste 1ºpico Co<br />

Ajuste 2ºpico Co<br />

Figura 6: Datos obtenido de la fuente Cobalto. Ajuste<br />

Gaussiano a cada fotopico presente: 1ºfotopico- medio =<br />

942,68 ± 1,15 2ºfotopico- medio = 1045,87 ± 1,44.<br />

Para el cálculo de la posición de cada fotopico<br />

se ajusto mediante una curva gaussiana, los<br />

datos de ajuste entregaban el punto medio con<br />

su respectivo error. Estos datos, en conjunto<br />

con la Tabla 1, se usaron para buscar la<br />

calibración. En la Figura 7 se muestra el ajuste a<br />

los datos obtenidos.<br />

Canal<br />

1100<br />

1000<br />

900<br />

800<br />

700<br />

600<br />

500<br />

400<br />

Energía de Fotopicos<br />

Ajuste Lineal<br />

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400<br />

Energía (KeV)<br />

Figura 7: Ajuste Lineal de los datos obtenidos a partir de las<br />

Figuras 4 y 6. Pendiente de 0,845 ± 0,0006 y factor de<br />

ajuste R = 0,9998.<br />

3.2. Dependencia de la intensidad con la<br />

distancia.<br />

En la Figura 8 se presenta los resultados<br />

obtenidos a partir de las mediciones<br />

mencionadas en la sección 2.2.


Cuentas<br />

6000<br />

4000<br />

2000<br />

0<br />

600 1200<br />

Canal<br />

Figura 8: Curvas levantadas a distintas distancias entre<br />

fuente y detector con intervalo de tiempo de 240 segundos.<br />

En la figura de arriba se nota una clara<br />

disminución de las cuentas en función de la<br />

distancia. Esto se atribuye a la reducción de la<br />

sección eficaz del detector al alejar la muestra<br />

del mismo y el decaimiento de la intensidad de<br />

las ondas con la distancia para una fuente<br />

esférica. En las siguientes figuras se trato de<br />

ajustar las mediciones de los fotopicos con la<br />

ecuación (15) Los errores se estimaron como la<br />

mitad entre el máximo y mínimo valor<br />

encontrado de cuentas entre un intervalo de<br />

diez canales alrededor del medio de los<br />

gaussianos ajustados para la Figura 5.<br />

Cuentas<br />

7000<br />

6000<br />

5000<br />

4000<br />

3000<br />

2000<br />

1000<br />

0<br />

Data: Pico1_B<br />

Model: y = a/x^b<br />

Weighting: w = 1/(pico1_c)^2<br />

Chi^2/DoF = 62.01787<br />

R^2 = 0.87569<br />

a 60284.37726 ±1896.23104<br />

b 0.76584 ±0.00786<br />

0 50 100 150 200 250<br />

Distancia (mm)<br />

Figura 9: Ajuste de la ecuación xx a los datos obtenidos de<br />

intensidad En función de distancia. Puntos pertenecientes al<br />

primer fotopico del Bismuto.<br />

Cuentas<br />

2500<br />

2000<br />

1500<br />

1000<br />

500<br />

0<br />

Data: Pico2_B<br />

Model: y = a/x^b<br />

Weighting: w = 1/(pico2_c)^2<br />

Chi^2/DoF = 21.5176<br />

R^2 = 0.90912<br />

a 24571.49669 ±1064.7964<br />

b 0.81226 ±0.01112<br />

0 50 100 150 200 250<br />

Distancia (mm)<br />

Figura 10: Ajuste de la ecuación xx a los datos obtenidos de<br />

intensidad en función de distancia. Puntos pertenecientes al<br />

primer fotopico del Bismuto.<br />

Se esperaba un decaimiento de potencia de 2<br />

pero los ajustes nos entregaron valores de<br />

0,765 ± 0,007 y 0,812 ± 0,0111. Se cree que la<br />

diferencia entre el valor teórico y experimental<br />

se debe usar un intervalo de tiempo demasiado<br />

pequeño, ya que el mismo método se usó con<br />

intervalos mayores, en otro papers 1 , y<br />

obtuvieron los resultados esperados.<br />

Usando uno de las curvas obtenidas en la<br />

Figura 8 se trató de identificar el conocido borde<br />

de Compton. En la Figura 11 se ilustro la curva<br />

perteneciente a la distancia de 45mm, con<br />

tiempo de exposición de 240 segundos.<br />

Cuenta<br />

4000<br />

2000<br />

0 600<br />

Canal<br />

Figura 11: Curva de Bismuto a 45mm del detector con<br />

tiempo de exposición de 240 segundos. Amplificación<br />

alrededor de la zona del borde de Compton.<br />

No se nota un borde bien definido pero se<br />

puede ver una tendencia a su formación, una


vez más se cree que con un tiempo de<br />

exposición mayor mejoraría las mediciones.<br />

3.3. Características del TAC<br />

Se procedió en caracterizar el funcionamiento<br />

del TAC para la medición de coincidencia. En la<br />

Figura 12 se comprueba la linealidad de la<br />

respuesta del TAC.<br />

Tensión de señal de salida<br />

6000<br />

5000<br />

4000<br />

3000<br />

2000<br />

1000<br />

0<br />

0 2000 4000 6000 8000 10000<br />

Desfasaje de señales de entrada (us)<br />

Tensión de Salida<br />

Ajuste Lineal<br />

Figura 12: Respuesta del Tac ante cambio de<br />

fases de las señales de entrada.<br />

Este comportamiento nos indica que mientras<br />

mas coinciden las señales de entrad menor es<br />

la señal de salida. Nos presenta con una<br />

limitación ya que si el desfasaje es demasiado<br />

pequeño la señal de salida será muy pequeña y<br />

el analizador multicanal no recibirá la señal.<br />

Además se encontró que con la mejor<br />

resolución posible el tac solo puede diferenciar<br />

pulsos mayores a 10ns de separación. Para<br />

solucionar este tema se rompió la simetría del<br />

montaje usando un cable más largo para una de<br />

las señales de entrada. Usando un osciloscopio<br />

y un generador de pulso se encontró que este<br />

método introduce un retaso de 75 ± 10ns a la<br />

señal.<br />

En la Figura 13 se presenta mediciones del<br />

mismo evento pero a resoluciones distintos para<br />

el TAC. Se ve que el TAC distribuye linealmente<br />

un intervalo de 5 Volts a lo largo de una ventana<br />

temporal variable. En la figura que sigue se<br />

muestra los resultados para las ventanas de<br />

100ns, 5000ns y 1000us.<br />

Cuentas<br />

800<br />

400<br />

1000us<br />

5000ns<br />

100ns<br />

0<br />

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000<br />

canal<br />

Figura 13: Comportamiento del Tac ante distintas<br />

resoluciones.<br />

Vemos en la figura 13 que al amplear el rango<br />

temporal se pierde resolución entre diferencias<br />

temporales. Esto cause que lo que antes se<br />

distribuye homogéneamente a lo largo de los<br />

canales (gris) se acumule en las mediciones con<br />

menor resolución alrededor de los canales mas<br />

bajos (amarillo).<br />

3.4.Coincidencia.<br />

Como se mencionó anteriormente para evitar<br />

ciertos problemas se introdujo un delay de más<br />

o menos 75 ns. Esto creaba limitaciones sobre<br />

la resolución, ya que la resolución mas baja<br />

(20ns) ya no puede medir la coincidencia por<br />

estar fuera de su rango, por lo tanto se eligió<br />

una ventana de 100ns por un tiempo de<br />

medición de 900s. En la Figura 14 se muestra el<br />

solapamiento del experimento de coincidencia<br />

de 90 grados y de 180 grados.<br />

Cuentas<br />

18<br />

16<br />

14<br />

12<br />

10<br />

8<br />

6<br />

4<br />

2<br />

0<br />

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000<br />

Canal<br />

180 grados<br />

90 grados<br />

Figura 14: Resultados de coincidencia a 180 grados (negro)<br />

y 90 grados (rojo)


Como el rango temporal es de 100ns y el<br />

desfasaje introducido es de 75 ns se espera que<br />

alrededor de los canales 1500 se encuentre una<br />

diferencia de mediciones. Se nota una pequeña<br />

diferencia, donde la medición a 180 grados es<br />

levemente mayor al de 90 grados pero nada<br />

concluyente. Si notamos el número de conteo<br />

general nos damos cuenta que son números<br />

extremadamente bajos aunque se haya usado<br />

un tiempo de medición largo. Esto nos lleva a<br />

concluir que quizás con un tiempo aun mayor a<br />

900s se podrá ver mejor la diferencia entre los<br />

dos.<br />

4. Conclusiones:<br />

La configuración experimental utilizada es<br />

adecuada para observar el espectro gama de<br />

muestras radiactivas como el Bismuto y Cobalto,<br />

permitiendo observar cláramente los fotopicos y<br />

bordes compton. Si bien el fotopico es<br />

fácilmente discernible, la determinación de la<br />

posición del borde compton requiere de un<br />

criterio particular en el cual no nos adentramos<br />

en este trabajo por no ser ese su nuestro<br />

objetivo principal. Habiendo dicho esto creemos<br />

que mediciones de muestras menos activas<br />

como el sodio en tiempos más largos darían<br />

histrogramas más definidos.<br />

La experiencia para determinar la dependencia<br />

de la actividad detectada con respecto a la<br />

distancia entre detector y fuente no dio<br />

resultados confiables. Se esperaba un<br />

decaimiento de potencia de 2 pero los ajustes<br />

nos entregaron valores de 0,765 ± 0,007 y 0,812<br />

± 0,0111. Se cree que la diferencia entre el valor<br />

teórico y experimental se debe usar un intervalo<br />

de tiempo demasiado pequeño, ya que el mismo<br />

método se usó con intervalos mayores, en otro<br />

papers1, y obtuvieron los resultados esperados.<br />

El objetivo de la medición de coincidencias fue<br />

detectar los eventos de creación y aniquilación<br />

de pares descrito en introducción. Este evento<br />

genera dos rayos gama que pueden ser<br />

capturados usando dos detectores colocados<br />

colinealmente y enfrentados con la muestra en<br />

el centro. La velocidad de la luz está cerca de<br />

3.1010 cm/s y la separación de los detectores<br />

es de unos 30cm por lo que un rayo de luz<br />

recorre todo el trayecto en 0,1ns, ya que el<br />

detector de coincidencias tiene una resolución<br />

temporal para diferenciar eventos de 10ns la<br />

emisión los rayos puede surgir de un evento de<br />

aniquilación tanto en la muestra como en los<br />

detectores mismos. Por ellos realizó una<br />

medición con los detectores situados<br />

colinealmente y otra con un un detector a 90<br />

grados de la recta que une al otro detector con<br />

la muestra. De esta forma la diferencia de las<br />

mediciones realizadas en estas configuraciones<br />

debería ser teóricamente la coincidencias<br />

producidas únicamente por la destrucción de<br />

pares en la muestra.<br />

La configuración del equipo para detectar<br />

coincidencias es una tarea delicada que lleva<br />

mucho tiempo y pasos de preparación. Sin tener<br />

un buen modelo previo para estimar el rango de<br />

energía que se debe usar se requiere cierto<br />

grado de prueba y error para encontrar los<br />

valores apropiados para parámetros como<br />

ventanas de energía. Más allá de eso creemos<br />

que los obtenidos en esta etapa son fidedignos<br />

pero no contaron de suficiente tiempo para logar<br />

una forma definida por sobre el ruido<br />

estadístico. Es probable que se logren<br />

mediciones más claras con una fuente de sodio<br />

y tiempos de mediciones más largos (alrededor<br />

de 15 minutos).<br />

A modo de apéndice se dejan los detalles de la<br />

configuración del TAC para detectar<br />

coincidencia que puede ser de utilidad para<br />

grupos de estudiantes futuros.<br />

[1] Estudio y caracterización de la emisión de rayos γ para<br />

distintos materiales radiactivos, P. Aberbuj, A. Palmigiano,<br />

M. Petriella, UBA FCEyN <strong>Laboratorio</strong> 5.


Apéndice<br />

Parámetros del generador de Pulsos para<br />

analizar el TAC.<br />

Amplitud de pulsos (Start/Stop): 1Volt<br />

Ancho de pulsos (Start/Stop): 50ns<br />

Delay entre señales (Start/Stop): 2us<br />

Frecuencia de Pulsos: 1Mhz<br />

Load de pulsos (Start/Stop): 50Ω<br />

Time Range del TAC: 20·100ns<br />

Coincidence Gate: Anticoincidence

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