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Practica 1. Detección de γ usando un centelleador de NaI(Tl)
Objetivo: La finalidad de esta práctica, es familiarizarse con:
a) características de los detectores de centelleo y de la cadena de lectura de la señal.
b) interacción de los γ con la materia, deposición de energía en los materiales y su
dependencia con las propiedades del material, y con Eγ
c) interpretación de un espectro de γ y tratamiento estadístico de datos experimentales.
MANTENERSE EN TODO MOMENTO ALEJADO O RESGUARDADO LO
MAS POSIBLE DE LAS MUESTRAS RADIOACTIVAS Y USAR SIEMPRE
LAS PINZAS O LA BARRA DE MANIPULACION PARA SU MANEJO
Se recomienda estudiar los conceptos vistos en clase relacionados con los distintos
aspectos del presente experimento, el proceso de centelleo, sus aplicaciones en
detección, y en particular el uso de compuestos inorgánicos como el NaI(Tl), las
propiedades más importantes de los fotomultiplicadores, y la forma de recogida y
tratamiento de la señal (amplificador y ADC).
Asimismo es conveniente repasar en detalle los procesos que pueden sufrir los
fotones al interaccionar con la materia (efecto fotoeléctrico, Compton y producción
de pares; hay applets al respecto en la bibliografía y en los ordenadores de
prácticas), así como aquellos que pueden inducir los productos de estos procesos,
pues todos ellos darán lugar a las propiedades de la señal que se detecta.
1. Descripción del dispositivo experimental: El detector en su conjunto, está
compuesto por un centelleador cilíndrico de NaI dopado con Tl, acoplado
ópticamente a un fotomultiplicador (PM). Todo ello está protegido por una coraza
de Al y µ-metal en el PM para eliminar parte del ruido externo al sistema, y la
acción de campos magnéticos que distorsionarían la señal en el fotomultiplicador.
Además la parte sensible del sistema, se rodea por un castillete de Pb para eliminar
el resto de posibles fuentes externas de señal que enmascararían la de la fuente que
se está estudiando. Un esquema del detector puede observarse en las figuras 1 y 2.
El PM se alimenta con una fuente de
alta tensión que posee un rango entre
0 y 1280 voltios, (se recomienda no
pasar de los 1100 voltios). La señal
del PM pasa por un discriminador y
un amplificador hasta llegar a un
convertidor analógico digital (ADC)
de
tipo
Wilkinson,
llegando
finalmente a un analizador multicanal
(MCA), cuya salida se muestra en la
pantalla de un ordenador. Además de
mostrarse la señal, desde dicho
ordenador, se pueden controlar todos
los parámetros del dispositivo, a
través de una tarjeta conectada a una
ranura ISA del mismo.
Figura 1. Esquema del ensamblado del detector
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2. Estudio de los procesos que sufren los γ en la materia
Describir los posibles procesos que pueden tener lugar al interaccionar los γ en el
rango de energías que se dan en las transiciones en las fuentes de que se dispone
(entre 0.05 y 2 MeV aproximadamente) con los diferentes componentes del
dispositivo de medida, centelleador, blindaje de plomo, y PM. Tener en cuenta las
figuras 2 y 3 así como lo visto en clase en las prácticas de aula.
Figura 2. Esquema del dispositivo y los procesos físicos involucrados
Figura 3. Atenuación de γs en NaI(Tl) en función de la energía del γ
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3. Estudio del dispositivo experimental: Uno de los parámetros principales del
dispositivo es la tensión de alimentación del PM. Estudiar la dependencia de las
propiedades del espectro respecto a este parámetro, mencionando su incidencia en
las propiedades finales de la señal, esto fijará el voltaje de trabajo para el resto de las
medidas. Comenzar el programa ICSW con el icono situado en el escritorio. El
botón
permite establecer el voltaje de trabajo y encender/apagar el detector (no
tocar cuando está encendido!!). Dejar el resto de parámetros en los valores por
defecto (1024, Coarse y Fine Gain=1.0, LLD=2.1, ULD=106.2). En base a las
muestras disponibles y la información de la tabla 1 al final de este documento,
ajustar el voltaje de tal forma que sea visible el fotopico de la γ de mayor energía.
Resumen de funciones del programa ICSW (figura 4): El botón
permite borrar la
comienza la medida mientras que
la
medida presente en pantalla, el botón
detiene. Guardar siempre una medida como texto (extensión .txt) antes de pasar a
otra usando el formato de hoja de cálculo (“File->SaveAs… SpreadSheet format”).
Usar una carpeta creada con el nombre del grupo en la carpeta Medidas desde el
explorador de archivos de Windows. Inspeccionar con el bloc de notas la
información disponible en el fichero de texto así obtenido. Transferir mediante un
disquete las medidas al ordenador de apoyo y procesarlas con Excel u otro programa
mientras un compañero, Es posible establecer el tiempo de medida “Real Time” con
el botón
(mantener el resto de parámetros del cuadro de diálogo a cero).
Consultar el manual de la bibliografía en caso de duda.
Realizar un estudio del programa de adquisición de datos y control del sistema antes
de comenzar el experimento. Observar el modo de funcionamiento de las regiones
de interés (ROI), el mecanismo de calibración de energía (conversión de unidades
del multicanal a unidades de energía), el buffer donde puede almacenarse el espectro
de background que puede sustraerse posteriormente de un espectro dado, canal por
canal, así como el número de cuentas bruto y neto (ver figura 6).
Figura 4. Esquema de la salida por pantalla del programa de medida (ICSW) y sus
componentes principales
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4. Calibración de la energía de los γ
Una vez establecido un voltaje óptimo de trabajo que permita la visualización de los
espectros de todas las muestras de interés, utilizando la fuente de 137Cs, colocarla con la
ayuda de la bandeja en el primer escalón del centelleador (la cara de la muestra con
etiqueta ha de estar orientada hacia el suelo) y medir su espectro durante el tiempo
necesario, el cual dependerá de la actividad de la muestra y que por regla general ha de
ser de al menos 10 minutos para obtener una buena definición del espectro. Se muestra
un esquema en la figura 5. Teniendo en cuenta que la energía del fotopico es 0.662 MeV
determinar a partir de esta curva la energía a que corresponde a cada canal.
Figura 5. Esquema de un espectro γ típico
Hacer lo mismo con otras fuentes para así poder representar la energía nominal (MeV)
de cada una en función del canal correspondiente al fotopico, determinando a partir de
la misma el cociente de calibración del dispositivo por medio de un ajuste de mínimos
cuadrados teniendo en cuenta las incertidumbres en la determinación del máximo de los
fotopicos. Utilizar para ello todos los fotopicos disponibles con vistas a obtener la mejor
calibración posible. Se recomienda obtener el valor central (máximo) del fotopico a
través de la información del centroide y FWHM (ver figura 4, ROI→Peak Report) o
bien ajustando los fotopicos a gaussianas con un programa de ajuste, siendo en ese caso
FWHM = 2·√(2 ln 2) · σ = 2.35 σ. Comparar ambos procedimientos.
El ajuste típicamente es lineal, E = k·Canal + E0, donde k tiene unidades de
energía/canal. Se puede añadir un término cuadrático para tener en cuenta pequeñas
contribuciones no lineales. Una vez conocida la calibración, se puede obtener el valor
de la energía para un canal dado, pudiendo obtener a qué energía se produce el borde
Compton, el pico de backscatter, o la energía de un fotopico presente en una muestra
desconocida. Tener en cuenta en el ajuste la buena o mala determinación de los
fotopicos y pesar su contribución al ajuste por la incertidumbre de sus máximos, es
decir, los fotopicos bien definidos de las muestras más activas han de ser los que más
contribuyan al ajuste. Tomar como incertidumbre en abscisas al menos un canal.
Se puede usar asimismo el procedimiento de calibración seleccionable automáticamente
en el programa ICSW (Settings→Energy Calibrate) para el que se requieren 2 (lineal) o
3 (cuadrático) valores de energía conocidos (137Cs+60Co). Comparar los resultados.
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5. Medida del fondo radiactivo
Con el voltaje de trabajo usado en el apartado anterior para obtener la calibración en
energía, estudiar el espectro en energía del fondo radiactivo presente en el laboratorio.
Para ello medir durante un intervalo de tiempo adecuado (recordar que cuanto mayor es
el tiempo de medida, menor es la incertidumbre estadística de la misma) la respuesta del
detector en ausencia de fuentes con y sin coraza de Pb. ¿Qué factor de reducción de
fondo supone la coraza de Pb? ¿En qué situaciones será relevante este fondo? ¿Importa
el tiempo de medida? ¿A qué valores de energía es relevante el fondo?
6. Interpretación de espectros de diferentes emisores de γ
La interpretación consiste en identificar las diferentes componentes, fotopicos,
Compton, backscattering, etc, presentes en los espectros. Comprobar, en base a la
calibración realizada en el apartado 4., si el borde Compton y el pico de backscattering
se encuentran a la distancia en energía esperada teóricamente (θ = π y θ = 0
respectivamente). Nota: el 133Ba puede requerir una calibración aparte a un voltaje
diferente del resto de muestras dado su espectro de baja energía (ver figura 7)
Tener en cuenta los esquemas de desintegración y las intensidades relativas de los
isótopos en la identificación de fotopicos. ¿Qué ocurre en el 22Na? ¿Y el KCl+NaCl (sal
de mesa)? ¿Qué es la muestra desconocida? Estimar el comportamiento del fondo en
base al apartado 5 y obtener la actividad de la muestra a partir del fotopico restando la
pendiente Compton al fotopico donde sea posible (cuentas brutas y netas, figura 6).
Figura 6. Cuentas totales (izquierda) y netas (derecha), resultado de sumar todos
los canales en la Región de Interés (ROI) y todos los canales menos las cuentas por
debajo de la propagación de la línea del borde Compton respectivamente.
Comparar las actividades de las diferentes muestras normalizando los espectros respecto
al pico de intensidad máxima teniendo en cuenta los tiempos de medida adecuados para
cada una. Medir el 137Cs con y sin coraza de Plomo. ¿Cómo afecta la coraza de Pb al
fotopico, borde Compton y pico de back-scattering del 137Cs? ¿Hay rayos X detectados?
¿Qué ocurre con el 137Cs al alejar la muestra?
7. Resolución en energía en función de la tensión aplicada al PM
La anchura de un fotopico es una medida de la resolución del sistema de medida
(centellador). La resolución caracteriza la capacidad del detector para separar dos picos.
Cuanta más pequeña sea la anchura, mejor será la resolución pues el dispositivo será
capaz de resolver dos fotopicos de dos γs muy próximas en energía. Por otro lado, la
resolución va a depender del voltaje (V) aplicado al fotomultiplicador (PM) y a su vez
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cada V va a tener unos parámetros de calibración característicos: si cambiamos el
voltaje estamos cambiando la calibración.
El objetivo de este apartado es determinar la resolución (R = ∆Epico / Epico en %) del
fotopico del 137Cs en función de la tensión suministrada al PM (no superar los
1200V!!). Para una calibración dada, E = k·Canal + E0 , si el offset (E0) es pequeño, R =
FWHM / CanalCentroide (en %). Desafortunadamente, el offset no es despreciable para
todos los valores de V, y despreciarlo pueda llevar a observar una tendencia opuesta.
Tras determinar los parámetros necesarios para estimar esta resolución (en general es
suficiente con la anchura a media altura FWHM y la posición/canal del centroide del
fotopico), medir el desplazamiento y evolución del fotopico del 137Cs para diferentes
voltajes con vistas a determinar la resolución en función de V. Repetir el procedimiento
para el 60Co con vistas a realizar una calibración rápida con los tres fotopicos
(137Cs+60Co) para cada voltaje y así obtener la evolución real de R(137Cs) vs Voltaje. Un
centellador de NaI suele tener resoluciones típicas del 5-10% para γs de 0.662MeV
¿Para qué voltajes (altos o bajos) se obtiene mejor resolución? Comparar con el límite
poissoniano visto en clase de Rpoisson = 2.35 / √N, donde N es el número de electrones
producidos en el PMT.
8. Resolución en función de la energía.
Del mismo modo al apartado anterior, se puede estudiar la resolución en función de la
energía del γ incidente, a voltaje fijo. Usar todas las fuentes para determinar la
resolución del detector en función de la energía (R vs E), para ello reutilizar las medidas
hechas en apartados anteriores (principalmente el 4) a voltaje fijo. ¿A qué valores de
energía (altos o bajos) se obtiene mejor resolución?
9. Muestras α y β en un centellador.
Comprobar, pidiendo prestadas la muestra β pura de 204Tl y la α de 238Pu (emite rayo X
a 16keV si está la coraza de Pb presente) a los compañeros de las prácticas del GM, si
es posible detectar partículas α y/o β en este dispositivo. Estudiar los espectros de esos
dos isótopos. ¿Coincide con lo esperado? ¿Es un centellador+PM un buen dispositivo
para detectar βs? ¿Y αs?
10. Determinación de antigüedades.
Determinar la actividad total de la fuente de 137Cs (con y sin coraza de Pb) en base a la
integral del fotopico + meseta Compton. Estimar la antigüedad de la misma a partir de
la expresión N = N0 exp (-λt), derivando para obtener la actividad actual (dN/dt) en cps
y sabiendo que N0 λ es la actividad a t=0 que declara el fabricante en la pastilla (Nota: 1
Ci = 3.7 × 1010 desintegraciones por segundo; λ = 1 / τ ; τ = T1/2 / ln 2). Asumir
radiación isótropa y tener en cuenta el ángulo sólido medido por detector, así como el
diagrama de desintegración y las vidas medias de los subproductos del isótopo.
Bibliografía específica a la práctica:
Manual del centellador
http://www.spectrumtechniques.com/PDF/6S6P1.5VD%20User%27s%20Manual%201
0-042101.pdf
Manual del software ICSW:
http://www.spectrumtechniques.com/manuals/ICSWmanual.pdf
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Figura 7. Espectro detallado del 133Ba
Tabla 1. Muestras radioactivas en forma de pastilla
disponibles en el laboratorio
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