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