Spettrometria gamma e misura del coefficiente di assorbimento con scintillatori a NaI(Tl)

Apparato sperimentale: Sorgenti gamma 137Cs, 60Co, … Serie di assorbitori di vari spessori Rivelatore a scintillatore NaI(Tl) con fotomoltiplicatore Elettronica e sistema di acquisizione dati

Diversi nuclei possono decadere gamma, emettendo radiazione elettromagnetica con energie dalle decine di keV ai MeV Un esempio di schema di decadimento del 137Cs

Rivelatore di dimensioni infinite In un rivelatore capace di contenere totalmente la radiazione e.m. che incide su di esso, lo spettro in energia atteso è costituito da un singolo picco corrispondente all’energia della radiazione incidente.

Rivelatore di dimensioni finite In un rivelatore di dimensioni finite, parte dell’energia – sotto forma di fotoni o elettroni – può sfuggire dal volume sensibile. Lo spettro dell’energia depositata assume una forma complessa, a seconda dell’energia incidente e del volume sensibile del rivelatore.

“Spalla” Compton Picco di backscattering Picco “fotoelettrico” La parte continua dello spettro, alla sinistra del picco fotoelettrico, è dovuto alla incompleta raccolta dell’energia dello sciame e.m.

Energia dei fotoni diffusi per effetto Compton Nel caso di 137Cs (E=662 keV) Θ = 180° hν’ = 184 keV (backscattering) Ee= 662 keV – 184 keV = 478 keV (spalla Compton)

ΔC/ (C ΔV) Attività sperimentale 1. Misura del coefficiente di guadagno del fotomoltiplicatore Usando la stessa sorgente (es. 137Cs) e lo stesso guadagno elettronico, studiare come il guadagno dipende dalla tensione di alimentazione del fotomoltiplicatore. Valutare il coefficiente di guadagno ΔC/ (C ΔV) misurando la posizione del picco fotoelettrico a varie tensioni di alimentazione

Peaks of interest  (MeV) 2. Calibrazione in energia dello spettro Usando diverse sorgenti gamma note, stabilire la posizione del picco fotoelettrico per ciascuna di esse e valutare una retta di calibrazione. Ad esempio: Isotope Activity Half-Life Peaks of interest  (MeV) Sodium-22 1 Ci 2.6 y 0.511, 1.275 Cesium-137 30.2 y 0.662 Manganese- 54 313 d 0.835 Zinc-65 244 d 1.115 Cobalt-60 5.27 y 1.17, 1.33

3. Analisi dello spettro Adoperando una o più sorgenti, studiare la forma dello spettro (picco fotoelettrico, spalla Compton,..) in relazione al fondo ottenuto anche in assenza di sorgente. Valutare la forma del picco fotoelettrico ed estrarre la risoluzione energetica (larghezza a metà altezza del picco) Se il fondo non è trascurabile, effettuare una misura di fondo e sottrarla, opportunamente normalizzata, dalla misura in presenza di sorgente.

A = R / (B ε εgeo) 4. Stima dell’attività della sorgente Adoperando una sorgente posta ad una distanza nota dal rivelatore, stimare l’attività (N. di decadimenti/s), tenendo conto dell’accettanza geometrica e dell’efficienza di rivelazione: A = R / (B ε εgeo) R = Rate misurato (conteggi/s) B = Branching Ratio ε = Efficienza di rivelazione εgeo = Accettanza geometrica

Esempio di calcolo di simulazione per la stima dell’efficienza assoluta = (Accettanza geometrica) x (Efficienza) a fotoni da 662 keV. Rivelatore cilindrico di NaI(Tl) da 3” x 3”

I = I0 e-μx 5. Misura del coefficiente di assorbimento Adoperando degli spessori di un dato materiale interposti tra sorgente e rivelatore, si può determinare il coefficiente di assorbimento per fotoni di quella data energia, usando una legge di attenuazione di tipo esponenziale: I = I0 e-μx I0 = Rate misurato nel picco fotoelettrico (conteggi/s) in assenza di assorbitori I = Rate misurato con un dato spessore x μ = Coefficiente di assorbimento (cm-1 se x in cm, oppure in cm2/g se si usa la densità superficiale g/cm2 per lo spessore) Valutare l’area del picco fotoelettrico, eventualmente tenendo conto del fondo.