SPETTROMETRIA : MESSA IN FUNZIONE DI UNA CATENA DI ACQUISIZIONE CON

RIVELATORI DI NaI(Tl)

RivelatoreNaI(Tl)

Fotomoltiplicatore

Amplificatore

ADC

SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA DI MISURA

MCA

Alta tensione

Fotocatodo

Dinodo

INTERAZIONE FOTONE/MATERIA

I fotoni non interagiscono direttamente con la materia. La radiazione fotonica, quando la attraversa, rilascia la sua energia attraverso tre effetti:

EFFETTO FOTOELETTRICO

EFFETTO COMPTON

PRODUZIONE DI COPPIE

Permette la trasmissione dell’energia del fotone alla materia. Il fotone interagisce con un elettrone che si

trova negli orbitali più interni dell’atomo.

L’elettrone acquista energia e sale di livello; se gli viene somministrata un’energia sufficiente a farlo fuggire dall’atomo, avverrà l’effetto fotoelettrico.

L’effetto Compton è una particolare interazione tra un fotone ed un elettrone libero (poco

legato). Quando il fotone colpisce l’elettrone, varia la sua traiettoria e la sua lunghezza d’onda.

L’energia del fotone secondario e dell’elettrone varierà in funzione dell’angolo di emissione.

Può accadere che un fotone interagisca con i campi elettrici della materia con cui viene a

contatto, producendo un elettrone ed un positrone. L’energia minima che deve avere il fotone per dar luogo a questo effetto, dovrà

essere di 1022 keV.

Am-241

SPETTRI ACQUISITI

Mn-54

Cs-137

Co-60

Fotopicchi

Spalla Compton

x=ch y=conteggi

TARATURA E f(Ch)

Per poter effettuare la calibrazione del rivelatore occorre calcolare un coefficiente che permetta di determinare la relazione che intercorre tra il numero del canale e l’energia del fotone. Nell’ipotesi che tutti i fenomeni siano lineari, la relazione tra l’energia e il numero del canale sarà una retta.

I canali inseriti nel grafico sono quelli relativi ai fotopicchi di alcune sostanze note: Am-241, Cs-137, Co-60. I valori sull’asse delle x sono stati inseriti facendo la media aritmetica dei canali prossimi al conteggio massimo.

L’energia di ogni fotopicco è nota in quanto è un valore caratteristico di ogni radionuclide. Dopo l’individuazione dei punti, si è considerato un errore di 0.5 canali per ogni misura; si è infine tracciata la retta di cui si è calcolata la pendenza fra due punti.

La relazione tra energia e canale è

K = 8,16 keV/Ch b = -10 keV

Si è così verificata una buona relazione tra l’ipotesi e le misure sperimentali effettuate.

E = k*Ch+b

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 50 100 150 200

Ch

E (

Ke

V)

L’errore percentuale medio sul calcolo

dell’energia è del 2%

CURVA DI EFFICIENZA

Efficienza

0,000

0,020

0,040

0,060

0,080

0,100

0,120

0,140

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Energia

effic

ienz

a

Efficienza0,1220,0410,0460,0270,018

Energia [KeV]59,54

661,66834,84

1173,241332,5

NuclideAmericio-241Cesio-137Manganese-54Cobalto-60Cobalto-60

L’efficienza intrinseca di picco è definita come il rapporto tra i fotoni misurati per secondo dal rivelatore ed i fotoni

totali emessi dalla sorgente

conteggi al secondoconteggi al secondo emessi al secondoemessi al secondo

La curva dell’efficienza in funzione dell’energia nell’intervallo da noi considerato è quella riportata in

figura

L’errore percentuale massimo sul calcolo dell’efficienza è del 7%

FWHM

FWHM f(E)

La FWHM (Full Width Half Maximum) rappresenta l’intera larghezza del fotopicco a metà altezza ed è

correlata con la risoluzione del sistema.

Andamento della risoluzione in funzione

dell’energia

0 ,0

5 ,0

10 ,0

15 ,0

20 ,0

25 ,0

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Energia [KeV]

R (

%)

H

R=FWHM H

L’errore percentuale massimo sul calcolo della FWHM è minore del

10%

RivelatoreGe (HPGe)

Preamplificatore

Amplificatore

ADC

SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA DI MISURA

MCA

Alta tensione

DALLO IODURO AL GERMANIO…

PERCHE’ IN SPETTROMETRIA SI USANO RIVELATORI AL Ge?

Banda di conduzione

Banda di valenza

Banda di conduzione

Banda di valenza

Isolanti(NaI)

Semiconduttori

(Ge)

E > 5 eVE > 1 eV

FWHM 1N

N = numero medio di particelle cariche (elettroni) per ogni interazione

NGe > NNaI FWHMGe < FWHMNaI

CARATTERISTICHE DEL Ge(HPGe)

Tabella dell’efficienza

Energy Effic. Fit Delta

---------------------------------------------------

0.00 ========== Knee ===========

25.81 0.058500 0.061558 -5.23%

59.30 0.061970 0.059269 4.36%

121.38 0.052830 0.047465 10.15%

244.51 0.030263 0.032248 -6.56%

344.10 0.024433 0.025130 -2.85%

344.79 0.025090 0.025090 -0.00%

778.71 0.011259 0.011779 -4.62%

832.14 0.010965 0.010965 0.00%

963.93 0.008676 0.009307 -7.27%

1111.99 0.008028 0.007880 1.84%

1408.30 0.006435 0.005894 8.40%

1434.10 0.005759 0.005759 0.00%

2615.18 0.002516 0.002516 -0.00%

Energia = -0.1120 +0.174590 Ch -6.0214*10-

10Ch2

FWHM = 4.5103 +0.001259 Ch -4.49739*10-

8Ch2

CONFRONTO SPETTRI DELL’EUROPIO-152

Ge (HPGe) NaI(Tl)

Eff.(661 keV) = 0,011Risoluzione = 0,17 keV/Ch

Eff.(661 keV) = 0,041Risoluzione = 8,16 keV/Ch

N.B. Gli errori sono quelli riportati nelle tabelle precedenti

ANALISI DEI DATI

Lo scopo finale dell’esperienza è quello di analizzare gli spettri di radionuclidi presenti nelle matrici ambientali.

Radionuclide Energia [keV]

Cs-137 661,57 + 0,17

Campione di terra del bosco dei Monti Lepini

Dal momento che il tempo di dimezzamento del Cs-137 è di circa 30 anni è ragionevole pensare che

questo radionuclide risalga a Chernobyl.

Tempo di campionamento: 96709 s

Bosco Andrea

I.T.I.S. “H. Hertz” Roma

Natale Francesco

I.T.I.S “E. Fermi” Frascati

Perotti Roberto

I.T.I.S “S. Cannizzaro” Colleferro

Pirrò Stefano

I.T.I.S “E. Fermi” Frascati

Rega Martina

L.S. “B.Touschek” Grottaferrata