SPETTROMETRIA : MESSA IN FUNZIONE DI UNA CATENA DI ACQUISIZIONE CON RIVELATORI DI NaI(Tl)

SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA DI MISURA Rivelatore NaI(Tl) Fotocatodo Fotomoltiplicatore Alta tensione Dinodo Amplificatore ADC MCA

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 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. EFFETTO COMPTON 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. PRODUZIONE DI COPPIE 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.

SPETTRI ACQUISITI Spalla Compton Fotopicchi x=ch y=conteggi Am-241 Mn-54 Cs-137 Co-60 Fotopicchi x=ch y=conteggi

L’errore percentuale medio sul calcolo dell’energia è del 2% 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. E = k*Ch+b La relazione tra energia e canale è K = 8,16 keV/Ch b = -10 keV L’errore percentuale medio sul calcolo dell’energia è del 2% Si è così verificata una buona relazione tra l’ipotesi e le misure sperimentali effettuate.

L’errore percentuale massimo sul calcolo dell’efficienza è del 7% CURVA DI EFFICIENZA L’errore percentuale massimo sul calcolo dell’efficienza è del 7% 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 secondo g emessi al secondo e = La curva dell’efficienza in funzione dell’energia nell’intervallo da noi considerato è quella riportata in figura

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. FWHM R= FWHM H H Andamento della risoluzione in funzione dell’energia L’errore percentuale massimo sul calcolo della FWHM è minore del 10%

SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA DI MISURA DALLO IODURO AL GERMANIO… Rivelatore Ge (HPGe) Alta tensione Preamplificatore Amplificatore ADC MCA

PERCHE’ IN SPETTROMETRIA  SI USANO RIVELATORI AL Ge? Banda di conduzione Banda di conduzione E > 1 eV E > 5 eV Banda di valenza Banda di valenza Semiconduttori (Ge) Isolanti (NaI) FWHM  1 N 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) = 0,011 Risoluzione = 0,17 keV/Ch Eff.(661 keV) = 0,041 Risoluzione = 8,16 keV/Ch N.B. Gli errori sono quelli riportati nelle tabelle precedenti

Campione di terra del bosco dei Monti Lepini ANALISI DEI DATI Campione di terra del bosco dei Monti Lepini Radionuclide Energia [keV] Cs-137 661,57 + 0,17 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 Lo scopo finale dell’esperienza è quello di analizzare gli spettri di radionuclidi presenti nelle matrici ambientali.

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 Rega Martina L.S. “B.Touschek” Grottaferrata