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Lezione 2 Laboratorio e tecniche di misura della radioattività Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia Anno accademico 2007 – 2008 ADE.

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2 Lezione 2 Laboratorio e tecniche di misura della radioattività Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia Anno accademico 2007 – 2008 ADE

3 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/82 I rivelatori di radiazione e Come si fa una misura in laboratorio La lezione di oggi

4 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/83

5 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/84 Strumentazione e tecniche per la misura della radioattività a.produzione di elettroni liberi e ioni, che possono essere fatti migrare lungo un campo elettrico e raccolti Processi che avvengono nellinterazione radiazione ionizzante con la materia: b. per ionizzazione o eccitazione si produce una lacuna che viene riempita da un elettrone con rilascio un fotone, di energia pari a quella di legame, che può essere nel visibile c. una ionizzazione permanente induce un cambiamento dello stato chimico della sostanza che può essere misurato chimicamente

6 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/85 Metodi di rivelazione Conteggi di Fotoni (luce visibile) con scintillatori + fotomoltiplicatori Speci chimiche alterate in materiali liquidi o solidi Elettroni e ioni con rivelatori a gas Elettroni e lacune con semiconduttori

7 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/86 Interazione - rivelatore Un fotone che incide su un rivelatore può interagire in 3 modi: 1. effetto fotoelettrico 2. effetto Compton 3. produzione di coppie Il rivelatore vede solo i prodotti elettricamente carichi di queste interazioni elettroni Gli elettroni ionizzano, creando coppie e/lacuna

8 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/87 Effetto fotoelettrico Il fotone interagisce con un elettrone delle orbite più interne la cui energia di legame E b è inferiore di quella del fotone h. Il fotone è assorbito e viene emesso un elettrone di energia:

9 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/88 Effetto Compton Il fotone urta elasticamente un elettrone la cui energia di legame E b è molto inferiore allenergia del fotone h trasferendogli parte della sua energia

10 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/89 Produzione di coppie Il fotone di energia energia h maggiore di 2 m e = 1.02 MeV passa nelle vicinanze di un nucleo e si converte in una coppia e + e -

11 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/810 Rivelatori a gas (ad esempio, camera a ionizzazione) tensione tra gli elettrodi geometria degli elettrodi composizione e pressione del gas Fattori che determinano il funzionamento:

12 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/811 Rivelatori a semiconduttore (1) Funzionano come una camera a ionizzazione a stato solido: la radiazione ionizzante interagisce con il volume sensibile del rivelatore e produce elettroni di ionizzazione e lacune segnale elettrico Energia di ionizzazione media: 3.5 eV < energia di ionizzazione media del gas 35 eV a parità di energia rilasciata avrò più cariche rilasciate migliore precisione

13 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/812 Rivelatori a semiconduttore (2) Si e Ge hanno 4 elettroni di valenza. Nel cristallo gli atomi sono disposti su un reticolo e uniti da legami di covalenza Lassorbimento dellenergia della radiazione provoca la rottura dei legami con la creazione di coppie elettrone - lacuna Elettroni e lacune si muovono liberamente nel cristallo Connettendo il semiconduttore in un circuito si misurerà una corrente ai suoi capi

14 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/813

15 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/814 Rivelatore al Germanio Geometria coassiale Gli elettrodi sono la superficie esterna e lasse del cilindro Ottengo volumi sensibili di 1000 cm 3 Posso anche avere una geometria a pozzo (well), che permette di inserire la sorgente dentro il rivelatore 4

16 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/815 Rivelatore al Germanio Geometria coassiale

17 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/816 Geometria coassiale: confronto tra vari rivelatori HPGe

18 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/817 Rivelatore al Germanio e criostato

19 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/818 Rivelatore al Germanio, Dewar e azoto (liquido) T bassa (77 o K) bassa corrente di fuga Criostato impurità, stabilità termica Raffreddo il rivelatore con azoto liquido

20 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/819 Risoluzione in energia È la caratteristica fondamentale dei HPGe

21 Rivelatori di al Germanio Meccanismi di rivelazione dei

22 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/821 Interazione -HPGe Un fotone che incide su un rivelatore può interagire in 3 modi: 1. effetto fotoelettrico 2. effetto Compton 3. produzione di coppie Il rivelatore vede solo i prodotti elettricamente carichi di queste interazioni elettroni Gli elettroni ionizzano, creando coppie e/lacuna

23 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/822 Interazione -HPGe (fotopicco - 1) Un esempio di possibile interazione incidente effetto Compton (e - + ) fotoelettrico (e - ) produzione di coppie (e ) ecc.

24 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/823 Interazione -HPGe (fotopicco - 2)... che equivale alla reazione Ph ossia ad un SINGOLO effetto fotoelettrico perchè è un evento TUTTO CONTENUTO allinterno del rivelatore nessun uscente

25 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/824 Interazione -HPGe (Compton - 1) Un esempio di possibile interazione se questo fosse uscito dal rivelatore senza fare fotoelettrico...

26 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/825 Interazione -HPGe (Compton - 2)...sarebbe stato equivalente alla reazione......ossia ad un SINGOLO effetto Compton con il uscente, perchè è un evento NON CONTENUTO allinterno del rivelatore almeno 1 uscente C e-e-

27 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/826 Sezioni durto -Ge (probabilità di interazione del fotone in funzione della sua energia in un materiale) fotoelettrico Compton produzione di coppie

28 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/827 Schema di decadimento del 137 Cs

29 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/828 Spettro multicanale di 137 Cs 1 solo fotopicco (663 keV) Compton multipli allinterno del rivelatore Spalla Compton (continuo), nel rivelatore e nello schermo Picco di backscattering dalla schermatura

30 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/829 Spettro multicanale di 88 Y 2 fotopicchi (898 e 1836 keV) picco di fuga semplice o single escape (1 della produzione di coppie scappa) E SE =E PE -511keV picco di fuga doppio o double escape (2 della produzione di coppie scappano) E DE =E PE -1022keV

31 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/830

32 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/831 Catena elettronica Devo registrare il segnale creato nel rivelatore rivelatore preampli shaper multicanale (MCA) Scopo della catena elettronica è: amplificare il segnale uscente dal rivelatore non aggiungere rumore o introdurre distorsioni Memorizzare il segnale su computer per lanalisi successiva

33 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/832

34 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/833 Analisi dati HPGe: generalità Scopo: misurare lattività e riconoscere il nuclide in un campione Mezzo: spettro di multicanale (MultiChannel Analyser, MCA) + correzioni opportune + identificazione nuclide e misura attività

35 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/834 Analisi dati HPGe: significato di uno spettro MCA E(keV) #eventi nel tempo t di misura ho rivelato N fotoni (eventi) con 5 keV

36 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/835 Caratteristiche EG&G GMX n-type HPGe tensione di lavoro: V area attiva nominale: 120 cm 2 efficienza relativa al fotopicco: 25% risoluzione a 5.9 keV ( 55 Fe): 740 eV risoluzione a 1.33 MeV ( 60 Co): 1.95 keV rapporto fotopicco-Compton 47:1 finestra dingresso in Berillio range utile di energia 3keV-10MeV volume di circa 120 cc

37 La misura dellattività con un HPGe

38 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/837 Calcolo dellattività R: rateo di emissione per una riga P: branching ratio per la riga N: # di eventi nel fotopicco : efficienza allenergia della riga C: correzioni varie (autoassorbimento, geometria,...) T: live time

39 Calibrazioni di un HPGe

40 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/839 Procedure di calibrazione Voglio/devo calibrare il rivelatore in: Energia corrispondenza tra segnale raccolto ed energia del fotone incidente Efficienza quanti conteggi ottengo con una sorgente di una certa attività analizzata per un certo tempo

41 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/840 Sorgente di calibrazione

42 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/841 Spettro di calibrazione

43 Analisi di spettri MCA

44 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/843 Analisi dello spettro Decido i nuclidi che voglio misurare nel campione e analizzo lo spettro di MCA, nel quale mi devo aspettare di trovare: i fotopicchi dei nuclidi che cerco i fotopicchi del fondo picco a 511 keV dovuto a creazione di coppie Picchi di fuga (semplice e/o doppio)

45 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/844 Spettro del fondo (1) con schermo di Pb senza schermo di Pb

46 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/845 Spettro del fondo (2)

47 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/846 I picchi somma Sono ottenuti quando 2 incidono sul rivelatore insieme ( t~ ) Posso ottenere: fotopicco+fotopicco fotopicco+Compton Compton+Compton Un caso tipico lo ottengo con una sorgente (tipo 60 Co) che per ogni decadimento produce 2 grande branching ratio

48 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/847 Picco di fuga singolo e doppio Se il incidente ha energia sufficiente per fare una creazione di coppie, può succedere che 1 o 2 dei di annichilazione del e + esca dal rivelatore senza interagire. Ottengo: Picco di fuga singolo: E fotopicco MeV Picco di fuga doppio: E fotopicco MeV

49 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/848 La schermatura Schermo il rivelatore da fonti esterne di rumore (pareti, mobili, aria, raggi cosmici,...) Per attenuare i posso usare Pb, che con 5 cm mi attenua di un fattore: Energia0.5 MeV Attenuazione Metto lo schermo lontano dal rivelatore per ridurre la probabilità che un faccia Compton sullo schermo e finisca sul rivelatore Schermo gli X-Pb (12 e 80 keV) con Cd Schermo gli X-Cd con Cu Posso anche avere 210 Pb, 210 Bi, 60 Co, 137 Cs

50 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/849

51 Unanalisi in laboratorio

52 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/851 Scelta del campione da analizzare Deve poter essere messo in un Marinelli Omogeneo Sospetto che contenga qualcosa Lo confronto con un campione di controllo Lo raccolgo senza perturbarlo troppo Non dimentico lequilibrio secolare

53 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/852 Preparazione della misura Decido quale elemento voglio misurare Guardo che sia rivelabile Controllo i suoi parenti Calibro il rivelatore Decido la durata della misura Non dimentico il fondo

54 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/853 La misura Preparo il Marinelli Metto il campione in misura Controllo il tempo morto Decido quanto dovrà stare in misura il campione Aspetto…. preparando la libreria dei nuclidi

55 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/854 Lanalisi Controllo bene lo spettro: Fotopicco Escape peak X-rays Fondo Misuro lattività

56 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/855 Cosa è stato misurato negli anni passati ? Terra (Verbania, Caluso, Torre Pellice, Lanzo, Roero, Ceresole, Cavoretto) Sabbia zirconifera Filtri aria 86 Cemento Olio esausto Licheni Foglie (Robinia 86, incognite 96) Fieno Caffe (Lavazza, Sarajevo) Vino (Dolcetto 87, Vercelli 96, Pecetto 97) Succo di frutta (Nipiol, Tropical) Latte Acqua (Po prima e dopo Molinette, Viverone, Sangone prima e dopo S.Luigi, rubinetto, Finlandia, Saluggia) Acqua minerale (Sangemini, Boario) Miele (88, 96) Farina Pesce (sardine, merluzzo) Camice di un radiologo

57 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/856

58 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/857 Surface Barrier Si: generalità I rivelatori di Si a T ambiente sono quasi ideali per la rivelazione di particelle cariche Sono robusti, economici, facili da usare OK su un grande range di E (da e - di 20 keV a di 200 MeV Sono veloci (~1ns) e virtualmente 100% Li trovo in qualunque forma/geometria

59 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/858 Wafer di Si Qualunque varieta di geometria

60 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/859 Range delle particelle cariche Con rivelatori di 10 m riesco a misurare ioni di 1 MeV

61 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/860 Setup sperimentale Il silicio è alloggiato in una camera a vuoto

62 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/861 I rivelatori Hanno aree sensibili di mm 2 Sono alloggiati dentro il modulo a vuoto Normalmente sono sensibili alla luce

63 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/862 Preparazione esperimento Uso il setup standard per spettroscopia

64 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/863 Posizionamento campione Devo tener conto del fattore 1/R 2 quando posiziono i campioni da analizzare angolo solido visto dal rivelatore Metto la sorgente nella camera a vuoto Faccio il vuoto (100 mTorr)

65 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/864 Lo spettro di 241 Am 3 picchi a MeV MeV MeV

66 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/865 Lo spettro del 252 Cf Spettro di fissione

67 Surface Barrier Si detectors: precauzioni varie

68 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/867 Allargamento della Larghezza a Metà Altezza (Full Width Half Maximum, FWHM) Avvicino molto la sorgente al rivelatore Langolo di incidenza massimo aumenta e lo spessore visto dallo ione aumenta Ho un allargamento della FWHM (energy straggling)

69 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/868 Spessore in energia della sorgente La sorgente è normalmente un dischetto di plastica, con depositata sopra la sostanza radioattiva Dato il range delle, anche lo spessore del materiale radioattivo provoca un autoassorbimento Proporzionale allo spessore

70 Surface barrier Si: esperimenti

71 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/870 Attività assoluta di una sorgente Ho un rivelatore con una efficienza del 100% Posso quindi misurare lattività di una sorgente dalla: s= distanza sorgente-rivelatore r= raggio rivelatore

72 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/871 Rapporto tra i modi di decadimento di 241 Am Se ho abbastanza risoluzione in energia posso vedere i 3 modi di decadimento: MeV MeV MeV Verifico le branching ratios: 84.4% 13.6% 1.4%

73 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/872 Misura della dE/dx Metto la sorgente nel portacampione Misuro lo spettro e calibro in E NON sposto la sorgente Misuro lenergia residua delle interponendo vari spessori tra sorgente e rivelatore Questo mi da una misura della dE/dx nel materiale Posso confrontarlo con le tabelle Energia-Range

74 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/873 Tabella Range-Energia per Cu)=8.96 g/cm 3 Range(5MeV) = 9.1(mg/cm 2 )/(8.96g/cm 3 ) = 10.2 m

75 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/874 Posso misurare la radioattività in matrici ambientali con un rivelatore al Germanio... e ora si va in laboratorio a provare... Riassumendo


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