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SPETTROMETRIA GAMMA A CURA DI: FRANCO Daniele ITIS Hertz SANGERMANO Dario MANZO Toni Liceo E. Amaldi ROTUNNO Maria Giulia TUTORI INFN: CASANO L. CHITI.

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1 SPETTROMETRIA GAMMA A CURA DI: FRANCO Daniele ITIS Hertz SANGERMANO Dario MANZO Toni Liceo E. Amaldi ROTUNNO Maria Giulia TUTORI INFN: CASANO L. CHITI M.

2 FUNZIONAMENTO DI UNO SPETTROMETRO PER MISURE DI RADIOATTIVITÀ GAMMA Lo spettrometro è linsieme della strumentazione raffigurata nello schema a blocchi ed è utilizzato per misurare lintensità e lenergia dei fotoni che sono radiazioni elettromagnetiche di alta energia. Queste radiazioni si riscontrano in natura e per questo vengono effettuate delle misure per verificare se sono osservati i limiti stabiliti a norma di legge per limitare i danni alle persone esposte e allambiente. Queste radiazioni vengono emesse dai materiali radioattivi a causa dei decadimenti che subiscono.

3 DECADIMENTI RADIOATTIVI La legge di decadimento esprime la variazione del numero dei nuclei nel tempo che ancora non subiscono una trasformazione radioattiva. (N = N 0 * e- λt ) Per ricavare questa legge viene utilizzata la costante di decadimento che esprime la frazione di nuclei che decadono nellunità di tempo. (dN/N 0 / t) I nuclei per cercare lo stato energetico minimo, decadono in un nucleo figlio emettendo radiazioni di tipo alfa, beta o gamma.

4 INTERAZIONI DEI GAMMA CON LA MATERIA I fotoni non interagiscono direttamente con la materia, poiché sono privi di carica elettrica e di massa, ma interagiscono indirettamente ovvero rilasciano la loro energia alla materia attraversata per mezzo di 3 fenomeni quantistici: effetto fotoelettrico, effetto Compton, produzione di coppie. EFFETTO FOTOELETTRICO: Il fotone incidente interagisce con un elettrone appartenente agli orbitali dellatomo maggiormente legati, emettendolo con energia cinetica pari a: E e = E γ – B(energia di legame) E e = E γ – B(energia di legame) Il vuoto che si crea viene riempito da uno o più elettroni dellorbitale più esterno emettendo un raggio γ.

5 EFFETTO COMPTON: In questo fenomeno si ha un urto elastico dove lenergia dellelettrone dipende dallangolo di emissione (θ) del fotone diffuso e dallenergia del fotone incidente ( E γ ). E γ ΄=E γ /1+(1-cosθ)E γ /mc 2 PRODUZIONE DI COPPIE: La produzione di coppie avviene quando lenergia si trasforma in massa, producendo un elettrone e un positrone,che a loro volta si possono annichilire con altri positroni ed elettroni. Ciascun positrone ed elettrone ha una massa di riposo pari a 511 KeV così occorrono 1022 KeV affinché si produca una coppia.

6 IL RIVELATORE Il rivelatore è un trasduttore e comprende lo scintillatore ed il fotomoltiplicatore. Linsieme dei due trasforma degli eventi di ionizzazioni ed eccitazioni in impulsi elettrici perdendo un po di energia.

7 GLI SCINTILLATORI. Gli scintillatori emettono fotoni nel range del campo visibile quando vengono sollecitati da fotoni. Nel nostro caso utilizziamo uno scintillatore al NaI attivato al Tl che è mescolato nel reticolo cristallino. I fotoni emessi dall interazione dei gamma nel rivelatore si muovono in maniera isotropa e vengono convogliati sul fotomoltiplicatore. Per l NaI lenergia media di eccitazione e di circa 30eV, il picco di emissione (del NaI) è di circa 400nm e lefficienza è di circa il 10%. Il cristallo di NaI è incapsulato di alluminio ed è a contatto col fotocatodo con un grasso ottico che ha un indice di rifrazione di 1,5.

8 FOTOMOLTIPLICATORE: Il fotomoltipicatore è costituito inizialmente da un FOTOCATODO che è un elettrodo che per effetto fotoelettrico converte i fotoni emessi dallo scintillatore in elettroni con unefficienza del 25%. La carica emessa è talmente piccola(0,0012pC) che occorre moltiplicarla tramite una struttura a dinodi. I DINODI, posti a tensioni crescenti, moltiplicano gli elettroni ad ogni impatto e sono posizionati in successione a potenziale crescente.

9 AMPLIFICATORE: Serve per amplificare il segnale proveniente dal fotomoltplicatore. Esso agisce in maniera da avere la stessa impedenza onde evitare lattenuazione del segnale e leventuale riflessione dello stesso fa sì che il segnale duscita sia proporzionale al segnale dentrata che a sua volta è proporzionale allenergia iniziale. ADC & MCA: Il segnale analogico emesso dallamplificatore viene digitalizzato in codice binario attraverso lADC ( analogic digital converter ) e viene classificato e contato attraverso lMCA ( multi chanel analyzer ) che immagazzina i segnali a diversi livelli energetici in canali diversi. Il segnale analogico emesso dallamplificatore viene digitalizzato in codice binario attraverso lADC ( analogic digital converter ) e viene classificato e contato attraverso lMCA ( multi chanel analyzer ) che immagazzina i segnali a diversi livelli energetici in canali diversi.

10 APPARATO SPERIMENTALE OTTIMIZZAZIONE DELLA RISOLUZIONE VARIANDO LHV La risoluzione è: R = FWHM/ H o dove FWHM è lampiezza a mezza altezza del picco e H o è il canale centrale del picco.

11 NMISURE H 0 CONTEGGICANALECENTRALECANALE SX MIN CONTEGGICANALE SX MAX CONTEGGICANALE SX MEDIO , , , , , , , , , , ,237

12 CONTEGGIO MEDIO MEDIOCANALE DX(MIN) DX(MIN)CONTEGGICANALEDX(MAX)CONTEGGICANALEDX(MEDIO)FWHM ,5036, ,4856, ,4687, ,3907, ,3558, ,3858, ,3639, ,3319, ,3199, ,3079, ,30310,065

13 Variando la tensione ( Hv ) sul nostro amplificatore abbiamo trovato che la migliore risoluzione è 0,061 corrispondente ai 980 Volt Tensione ( V ) R 9000, , , , , , , , , , ,061

14 VERIFICA DELLA LINEARITA DELLAMPLIFICATORE Lamplificazione è definita dal rapporto Vout/ Vin Questo rapporto deve mantenersi costante V IN EA V OUT EAVOUT/VIN ER (VIN) ER (VOUT) EA VOUT/VIN 0,050,0051,680,05340,1000,0304 0,10,0053,320,05330,0500,0152 0,150,0054,80,05320,0330,0101 0,20,0056,480,05320,0250,0081 0,250,0058,080,0532,30,0200,0060,8 0,30,0059,680,0532,30,0170,0050,7 0,350,00511,160,0531,90,0140,0040,6 0,40,00511,320,0528,30,0130,0040,5

15 Analizzando i rapporti tra la tensione in entrata e quella in uscita abbiamo trovato una zona in cui la linearità dellamplificatore si mantiene costante fino al segnale di tensione di 0,4 Volt.

16 VERIFICA DELLA LINEARITA DELLADC mVCANALEmV/CH 50790, , , , , ,624 Verificando il rapporto tensione su canale abbiamo riscontrato dei valori costanti quindi la linearità dellADC è verificata.

17 CALIBRAZIONE IN ENERGIA SORGENTICANALEEaENERGIAEa AMERICIO ,50,1 COBALTO ,50,1 BARIO ,80,1 CESIO ,60,1 MANGANESE ,80,1 SODIO ,50,1 COBALTO ,1 YTTRIO ,1 La calibrazione permette di trovare la relazione matematica tra canale delladc ed energia dei fotoni.

18 SORGENTI CANALE SX CANALE DX SOMMA CANALI CONTEGGI AREA Co_ Cs Mn Co Co Y CH SX CH SXX MEDIA CH SX CH DX CH DXX , , ,55655 EFFICIENZA E' il rapporto fra fotoni visti/ fotoni emessi ovvero il numero di impulsi registrati dal rivelatore per un radionuclide e il numero di disintegrazioni realmente avvenute nel radionuclide. Per calcolare lefficienza è quindi necessario conoscere lattività del radionuclide al momento della misura

19 MEDIA CH DX MEDIA GEN. FONDO AREA PICCO SECONDI 22257, ,46 21,592,53422,597811,568,42 28,595,752968, ,75263, , ,570185,5113,2 253,5805, , ,75113,2 55,5122,52327,513099,51000 CP/S NETTI FOTONI ENERGIA (KEV) EFFICIENZA 1020, ,50, , ,8661,60, , ,80, , , , , , ,0155

20 Conclusione: Ponendo a misura diversi campioni ( matrice ambientali ) riusciamo a stabilire: In base alla posizione dei picchi ( energia del picco ) i tipi di radionuclidi presenti Risalire e conoscere lattività di ciascun radionuclide


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