SPETTROMETRIA GAMMA A CURA DI: FRANCO Daniele ITIS Hertz

Presentazione sul tema: "SPETTROMETRIA GAMMA A CURA DI: FRANCO Daniele ITIS Hertz"— Transcript della presentazione:

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 l’insieme della strumentazione raffigurata nello schema a blocchi ed è utilizzato per misurare l’intensità e l’energia 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 all’ambiente. 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 = N0* e- λt ) Per ricavare questa legge viene utilizzata la costante di decadimento che esprime la frazione di nuclei che decadono nell’unità di tempo. (dN/N0/ ∆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 dell’atomo maggiormente legati, emettendolo con energia cinetica pari a: Ee = Eγ – B(energia di legame) Il vuoto che si crea viene riempito da uno o più elettroni dell’orbitale più esterno emettendo un raggio γ.

5 EFFETTO COMPTON: In questo fenomeno si ha un urto elastico dove l’energia dell’elettrone dipende dall’angolo di emissione (θ) del fotone diffuso e dall’energia del fotone incidente ( Eγ ). Eγ΄=Eγ/1+(1-cosθ)Eγ/mc2 PRODUZIONE DI COPPIE: La produzione di coppie avviene quando l’energia 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. L’insieme 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 l’energia media di eccitazione e’ di circa 30eV, il picco di emissione (del NaI) è di circa 400nm e l’efficienza 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 un’efficienza 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 l’attenuazione del segnale e l’eventuale riflessione dello stesso fa sì che il segnale d’uscita sia proporzionale al segnale d’entrata che a sua volta è proporzionale all’energia iniziale. ADC & MCA: Il segnale analogico emesso dall’amplificatore viene digitalizzato in codice binario attraverso l’ADC ( analogic digital converter ) e viene classificato e contato attraverso l’MCA ( multi chanel analyzer ) che immagazzina i segnali a diversi livelli energetici in canali diversi.

10 OTTIMIZZAZIONE DELLA RISOLUZIONE VARIANDO L’HV
APPARATO SPERIMENTALE OTTIMIZZAZIONE DELLA RISOLUZIONE VARIANDO L’HV La risoluzione è: R = FWHM/ Ho dove FWHM è l’ampiezza a mezza altezza del picco e Ho è il canale centrale del picco.

11 N MISURE H0 CONTEGGI CANALE CENTRALE SX MIN SX MAX SX MEDIO 1 20019 92 88 6759 89 10664 88,390 2 10087 99 95 3996 96 5844 95,366 3 10119 106 101 3505 102 5429 101,380 4 20093 111 107 10000 108 13884 107,387 5 10086 118 114 4243 115 5824 114,314 6 20072 124 120 8934 121 12125 120,318 7 10201 133 128 3932 129 5330 128,274 8 10081 141 136 4613 137 6176 136,310 9 20073 149 143 9610 144 12408 143,279 10 10052 158 152 4825 156 6028 152,239 11 20091 165 160 9901 161 12285 160,237

12 CONTEGGIO MEDIO CANALE DX(MIN) CONTEGGI DX(MAX) DX(MEDIO) FWHM 10010 94 14453 95 9414 94,503 6,113 5044 101 7276 102 4829 101,485 6,119 5060 108 6951 109 4582 108,468 7,088 10047 114 10706 115 6792 114,390 7,003 5043 122 5476 123 3687 122,355 8,041 10036 128 11638 129 7773 128,385 8,067 5101 137 5836 138 3986 137,363 9,089 5041 145 5367 146 3698 145,331 9,021 10037 152 12272 153 9075 152,319 9,040 5026 161 6996 162 5452 161,307 9,068 10046 170 11414 171 8373 170,303 10,065

13 Variando la tensione ( Hv ) sul nostro amplificatore abbiamo trovato che la migliore risoluzione è 0,061 corrispondente ai 980 Volt Tensione ( V ) R 900 0,066 910 0,062 920 0,067 930 0,063 940 0,068 950 0,065 960 970 0,064 980 0,061 990 0,057 1000

14 VERIFICA DELLA LINEARITA’ DELL’AMPLIFICATORE
L’amplificazione è definita dal rapporto Vout/ Vin Questo rapporto deve mantenersi costante V IN EA V OUT VOUT/VIN ER (VIN) ER (VOUT) EA VOUT/VIN 0,05 0,005 1,68 34 0,100 0,030 4 0,1 3,32 33 0,050 0,015 2 0,15 4,8 32 0,033 0,010 1 0,2 6,48 0,025 0,008 0,25 8,08 32,3 0,020 0,006 0,8 0,3 9,68 0,017 0,7 0,35 11,16 31,9 0,014 0,004 0,6 0,4 11,32 28,3 0,013 0,5

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

16 VERIFICA DELLA LINEARITA’ DELL’ADC
mV CANALE mV/CH 50 79 0,633 100 160 0,625 150 240 200 319 0,627 250 400 300 481 0,624 Verificando il rapporto tensione su canale abbiamo riscontrato dei valori costanti quindi la linearità dell’ADC è verificata.

17 CALIBRAZIONE IN ENERGIA
SORGENTI CANALE Ea ENERGIA AMERICIO 241 15 1 59,5 0,1 COBALTO 57 30 136,5 BARIO 133 83 383,8 CESIO 137 147 661,6 MANGANESE 54 180 834,8 SODIO 22 246 1274,5 COBALTO 60 252 1332 YTTRIO 88 291 1836 La calibrazione permette di trovare la relazione matematica tra canale dell’adc ed energia dei fotoni.

18 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 l’efficienza è quindi necessario conoscere l’attività del radionuclide al momento della misura SORGENTI CANALE SX CANALE DX SOMMA CANALI CONTEGGI AREA Co_57 26 36 10 33655 Cs-137 124 161 37 101234 Mn-54 162 193 31 112359 Co-60 227 241 14 91861 244 261 17 79910 Y-88 279 298 19 15427 CH SX CH SXX MEDIA CH SX CH DX CH DXX 448 538 493 18 153 174 163,5 24 158 168 163 29 28 1804 1675 1739,5 1528 1186 1357 267 240 177 202 189,5 56 55

19 MEDIA CH DX MEDIA GEN. FONDO AREA PICCO SECONDI 22 257,5 2575 31080
30,46 21,5 92,5 3422,5 97811,5 68,42 28,5 95,75 2968,25 109390,75 263,94 1357 1548,25 21675,5 70185,5 113,2 253,5 805,25 13689,25 66220,75 55,5 122,5 2327,5 13099,5 1000 CP/S NETTI FOTONI ENERGIA (KEV) EFFICIENZA 1020,35 96220 136,5 0,0106 1429,57 34052,8 661,6 0,0420 414,45 12016 834,8 0,0345 620,01 32131 1173 0,0193 584,99 1332 0,0182 13,10 846 1836 0,0155

20 Risalire e conoscere l’attività di ciascun radionuclide
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 l’attività di ciascun radionuclide