Lezione 2 Laboratorio e tecniche di misura della radioattività

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

Corso di laurea in Medicina e Chirurgia
La lezione di oggi I rivelatori di radiazione a e g Come si fa una misura in laboratorio Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

I rivelatori di radiazione g I rivelatori al Germanio iperpuro La catena elettronica L’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuro I rivelatori di radiazione a Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Strumentazione e tecniche per la misura della radioattività
Processi che avvengono nell’interazione radiazione ionizzante con la materia: produzione di elettroni liberi e ioni, che possono essere fatti migrare lungo un campo elettrico e raccolti 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 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Metodi di rivelazione Elettroni e ioni con rivelatori a gas Elettroni e lacune con semiconduttori Conteggi di Fotoni (luce visibile) con scintillatori + fotomoltiplicatori Speci chimiche alterate in materiali liquidi o solidi Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Interazione g - rivelatore
Un fotone che incide su un rivelatore può interagire in 3 modi: effetto fotoelettrico effetto Compton produzione di coppie Il rivelatore vede solo i prodotti elettricamente carichi di queste interazionielettroni Gli elettroni ionizzano, creando coppie e/lacuna Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

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

Effetto Compton Il fotone urta elasticamente un elettrone la cui energia di legame Eb è molto inferiore all’energia del fotone hn, trasferendogli parte della sua energia Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Produzione di coppie Il fotone di energia energia hn maggiore di 2 me = 1.02 MeV passa nelle vicinanze di un nucleo e si converte in una coppia e+e- Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Rivelatori a gas (ad esempio, camera a ionizzazione)
Fattori che determinano il funzionamento: tensione tra gli elettrodi geometria degli elettrodi composizione e pressione del gas Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

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 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

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 L’assorbimento dell’energia 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 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

I rivelatori di radiazione g I rivelatori al Germanio iperpuro (HPGe) La catena elettronica L’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuro I rivelatori di radiazione a Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Rivelatore al Germanio Geometria coassiale
Gli elettrodi sono la superficie esterna e l’asse del cilindro Ottengo volumi sensibili di 1000 cm3 Posso anche avere una geometria a pozzo (well), che permette di inserire la sorgente dentro il rivelatore 4p Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Rivelatore al Germanio Geometria coassiale
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Geometria coassiale: confronto tra vari rivelatori HPGe

Rivelatore al Germanio e criostato

Rivelatore al Germanio, Dewar e azoto (liquido)
T bassa (77 oK) bassa corrente di fuga Criostato impurità, stabilità termica Raffreddo il rivelatore con azoto liquido Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Risoluzione in energia
È la caratteristica fondamentale dei HPGe Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Rivelatori di g al Germanio
Meccanismi di rivelazione dei g

Interazione g-HPGe Un fotone che incide su un rivelatore può interagire in 3 modi: effetto fotoelettrico effetto Compton produzione di coppie Il rivelatore vede solo i prodotti elettricamente carichi di queste interazionielettroni Gli elettroni ionizzano, creando coppie e/lacuna Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Interazione g-HPGe (fotopicco - 1)
Un esempio di possibile interazione g incidente fotoelettrico (e-) effetto Compton (e- + g) produzione di coppie (e- + g + g) ecc. ecc. Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Interazione g-HPGe (fotopicco - 2)
... che equivale alla reazione Ph ossia ad un SINGOLO effetto fotoelettrico perchè è un evento TUTTO CONTENUTO all’interno del rivelatore  nessun g uscente Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Interazione g-HPGe (Compton - 1)
Un esempio di possibile interazione se questo g fosse uscito dal rivelatore senza fare fotoelettrico ... Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Interazione g-HPGe (Compton - 2)
...sarebbe stato equivalente alla reazione... ...ossia ad un SINGOLO effetto Compton con il g uscente, perchè è un evento NON CONTENUTO all’interno del rivelatore  almeno 1 g uscente Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Sezioni d’urto g-Ge (probabilità di interazione del fotone in funzione della sua energia in un materiale) fotoelettrico Compton produzione di coppie Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Schema di decadimento del 137Cs
g Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Spettro multicanale di 137Cs
1 solo fotopicco (663 keV) Compton multipli all’interno del rivelatore Spalla Compton (continuo), nel rivelatore e nello schermo Picco di backscattering dalla schermatura Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Spettro multicanale di 88Y
2 fotopicchi (898 e 1836 keV) picco di fuga semplice o single escape (1 g della produzione di coppie scappa) ESE=EPE-511keV picco di fuga doppio o double escape (2 g della produzione di coppie scappano)  EDE=EPE-1022keV Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

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 l’analisi successiva Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Analisi dati HPGe: generalità
Scopo: misurare l’attività e riconoscere il nuclide in un campione Mezzo: spettro di multicanale (MultiChannel Analyser, MCA) + correzioni opportune + identificazione nuclide e misura attività Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Analisi dati HPGe: significato di uno spettro MCA
E(keV) #eventi nel tempo Dt di misura ho rivelato N fotoni (eventi) con 5 keV<Eg<7 keV Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Caratteristiche EG&G GMX
n-type HPGe tensione di lavoro: V area attiva nominale: 120 cm2 efficienza relativa al fotopicco: 25% risoluzione a 5.9 keV (55Fe): 740 eV risoluzione a 1.33 MeV (60Co): 1.95 keV rapporto fotopicco-Compton 47:1 finestra d’ingresso in Berillio range utile di energia 3keV-10MeV volume di circa 120 cc Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

La misura dell’attività con un HPGe

Calcolo dell’attività
R: rateo di emissione per una riga P: branching ratio per la riga N: # di eventi nel fotopicco e: efficienza all’energia della riga C: correzioni varie (autoassorbimento, geometria,...) T: live time Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Calibrazioni di un HPGe

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 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Sorgente di calibrazione

Spettro di calibrazione

Analisi di spettri MCA

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) Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Spettro del fondo (1) con schermo di Pb senza schermo di Pb Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Spettro del fondo (2) Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

I picchi somma grande branching ratio Sono ottenuti quando 2 g incidono sul rivelatore insieme (Dt~t) Posso ottenere: fotopicco+fotopicco fotopicco+Compton Compton+Compton Un caso tipico lo ottengo con una sorgente (tipo 60Co) che per ogni decadimento produce 2 g Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Picco di fuga singolo e doppio
Se il g incidente ha energia sufficiente per fare una creazione di coppie, può succedere che 1 o 2 dei g di annichilazione del e+ esca dal rivelatore senza interagire. Ottengo: Picco di fuga singolo: Efotopicco MeV Picco di fuga doppio: Efotopicco MeV Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

La schermatura Schermo il rivelatore da fonti esterne di rumore (pareti, mobili, aria, raggi cosmici,...) Per attenuare i g posso usare Pb, che con 5 cm mi attenua di un fattore: Energia 0.5 MeV 1.0 1.5 3 Attenuazione 9500 56 19 11 Metto lo schermo lontano dal rivelatore per ridurre la probabilità che un g 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 210Pb, 210Bi, 60Co, 137Cs Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Un’analisi in laboratorio

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 l’equilibrio secolare Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

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 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

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 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

L’analisi Controllo bene lo spettro: Fotopicco Escape peak X-rays Fondo Misuro l’attività Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

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 Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

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 a di 200 MeV Sono veloci (~1ns) e e’ virtualmente 100% Li trovo in qualunque forma/geometria Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Wafer di Si Qualunque varieta’ di geometria Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Range delle particelle cariche
Con rivelatori di 10 mm riesco a misurare ioni di 1 MeV Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Setup sperimentale Il silicio è alloggiato in una camera a vuoto Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

I rivelatori Hanno aree sensibili di mm2 Sono alloggiati dentro il modulo a vuoto Normalmente sono sensibili alla luce Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Preparazione esperimento
Uso il setup standard per spettroscopia Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Posizionamento campione
Metto la sorgente nella camera a vuoto Faccio il vuoto (100 mTorr) Devo tener conto del fattore 1/R2 quando posiziono i campioni da analizzare  angolo solido visto dal rivelatore Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Lo spettro di 241Am 3 picchi a MeV MeV 5.380 MeV Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Lo spettro del 252Cf Spettro di fissione Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Surface Barrier Si detectors: precauzioni varie

Allargamento della Larghezza a Metà Altezza (Full Width Half Maximum, FWHM) Avvicino molto la sorgente al rivelatore L’angolo di incidenza massimo aumenta e lo spessore visto dallo ione aumenta Ho un allargamento della FWHM (energy straggling) Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Spessore in energia della sorgente
La sorgente è normalmente un dischetto di plastica, con depositata sopra la sostanza radioattiva Dato il range delle a, anche lo spessore del materiale radioattivo provoca un autoassorbimento Proporzionale allo spessore Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Surface barrier Si: esperimenti

Attività assoluta di una sorgente
Ho un rivelatore con una efficienza del 100% Posso quindi misurare l’attività di una sorgente dalla: s= distanza sorgente-rivelatore r= raggio rivelatore Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Rapporto tra i modi di decadimento di 241Am
Se ho abbastanza risoluzione in energia posso vedere i 3 modi di decadimento: 5.476 MeV 5.433 MeV 5.378 MeV Verifico le branching ratios: 84.4% 13.6% 1.4% Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Misura della dE/dx Metto la sorgente nel portacampione Misuro lo spettro e calibro in E NON sposto la sorgente Misuro l’energia residua delle a interponendo vari spessori tra sorgente e rivelatore Questo mi da una misura della dE/dx nel materiale Posso confrontarlo con le tabelle Energia-Range Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Tabella Range-Energia per a
r(Cu)=8.96 g/cm3 Range(5MeV) = 9.1(mg/cm2)/(8.96g/cm3) = 10.2 mm Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

Riassumendo Posso misurare la radioattività in matrici ambientali con un rivelatore al Germanio ... e ora si va in laboratorio a provare ... Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia ADE – a.a. 2007/8

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