g

b

a a) Sorgenti radioattive (radioattivita’ a, b e g)

b) Raggi cosmici

c) Generatori raggi X

Sorgenti di radiazione per gli esperimenti del corso di laboratorio

Esperienze Sorgenti

Scattering Compton 22Na (241Am)

Raggi cosmici Raggi cosmici

Raggi X 241Am + X-ray generator

Radioattivita’ ambientale (Gamma)

22Na, 60Co, 152Eu, 241Am

Decadimento positronio

22Na

Imaging digitale 22Na

Timing rapido 22Na

a

b g

Caratteristiche generali delle sorgenti radioattive

Tempo di dimezzamento T1/2 Tipo di sorgente: aperta o sigillata Norme di utilizzo Conservazione

Sorgenti di radiazione ionizzante sono: Decadimento alfa ( a )

Decadimento beta ( b )

Decadimento gamma ( g )

Fissione spontanea Sorgenti di neutroni vedi Radiation detection and measurements

G.F. Knoll, Cap. I

a

b

g

Decadimenti alfa (a), beta (b) e gamma (g)

a

b

g

Nucleo come sorgente di radiazioni foglio di

carta sottili fogli di metallo

grandi spessori di metallo o calcestruzzo

in campi magnetici ed elettrici

Tutte le caratteristiche delle

radiazioni nucleari

su http://www.nndc.bnl.gov/

Carta dei nuclidi interattiva

60Co

Decadimento beta (b)

E’ il processo che tende ad ottimizzare il rapporto N/Z. Dovuto all’interazione debole che cambia un neutrone in protone (o viceversa) e crea una coppia leptone-antileptone (elettrone-antineutrino o positrone- neutrino) o trasforma un elettrone in un neutrino (cattura elettronica).

b

epn

b

enp

Z → Z + 1 Z → Z - 1

Il nucleo figlio puo’ essere popolato in uno stato eccitato che poi

decade emettendo radiazione gamma (g) → sorgenti gamma

nep

aelettroniccattura

60Co

Energy Intensity 347.1 0.0075 826.1 0.0076 1173.2 99.85 1332.5 99.98 2158.6 0.0012 2505.7 2·10 -6

Decadimento b-, il 60Co (Z=27) si trasforma in 60Ni (Z=28) ...ma in uno stato eccitato che decade con radiazione gamma

Sorgenti di radiazione gamma

Sorgente con un raggio gamma

(137Cs) b-

Sorgente con due raggi gamma

(60Co) b-

137Cs

60Co

T1/2 = 5.3 anni Al 99.9% viene popolato lo stato 4+ a 2.5 MeV Poi cascata gamma con due fotoni di 1.17 MeV e 1.33 MeV

4+

2+

0+

T1/2 = 30 anni Al 94.7% viene popolato lo stato 11/2- a 0.662 MeV Questo stato decade con un gamma di 662 keV al “ground state“.

11/2-

3/2+

g 662 keV

g 1.17 MeV

g 1.33 MeV

22Na

b

enp

Sorgente con tre raggi gamma (22Na)

b+

Il positrone si annichila producendo due gamma da 511 keV

Spettro g da un rivelatore NaI (Tl)

3+

2+

3-

T1/2 = 13 anni al 28% decade

b- nel 152Gd e al 72% decade per e.c. nel 152Sm

e.c. 72%

28%

b-

Sorgente a molti gamma

(152Eu) b- e b+

122 keV 344 keV

122 keV 344 keV

122 keV

Raggi gamma emessi dalla sorgente 152Eu e relative intensita’

Sorgenti gamma da decadimento alfa (241Am)

241Am

T1/2 = 432.2 anni

Il decadimento a va per l’ 86.0% allo stato a 59 keV che decade con un gamma di 59 keV

T1/2 = 432.2 anni

a

Uno spettro sperimentale: decadimento alfa del 239Pu

tre righe alfa: 5.157 MeV (69%) 5.144 MeV (20%) 5.105 MeV (11%)

g-decay

T1/2 = 2.4·104 anni

239Pu

235U

Sorgenti radioattive del Dipartimento di Fisica ed Astronomia Polo Didattico Attivita’ sorgenti sggiornata a Settembre 2015 www.dfa.unipd.it Servizi Servizi generali

Per l’esperimento sui raggi cosmici, le sorgenti di radiazione sono appunto i

Raggi cosmici

Sulla superficie della terra arrivano in continuazione muoni, elettroni, positroni, neutrini, antineutrini, gamma,....

generatore di raggi X

Per l’ esperimento con i raggi X e’ necessario utilizzare un

Tubi a vuoto per la produzione di raggi X

Tubi a raggi X comunemente usati nella radiologia medica o nelle radiografie industriali. Al loro interno, un fascio di elettroni ad alta energia colpisce un bersaglio fatto di atomi pesanti, ad esempio di tungsteno. I raggi X vengono prodotti grazie ai processi atomici indotti dagli elettroni negli atomi del bersaglio.

Spettro prodotto da un tubo a raggi X

Incident electron Ejected K-shell electron

characteristic X-Rays X-Rays from

Bremsstrahlung

Sorgente di raggi X a stato solido (utilizzata in laboratorio)

Un cristallo piroelettrico ha la proprieta’ di generare una differenza di potenziale quando e’ sottoposto a un ciclo termico. Puo’ quindi accelerare elettroni che a loro volta producono raggi X quando colpiscono il cristallo stesso oppure un bersaglio (Cu). Funziona per cicli termici di 2-5 minuti.

Ci sono due fasi: riscaldamento e raffreddamento a) Riscaldamento Nella fase di riscaldamento la superficie del cristallo e’ carica positivamente e gli elettroni del gas a bassa pressione vengono attratti e,colpendo il cristallo, producono raggi X caratteristici e di bremsstrahlung. b) Raffreddamento Nella fase di raffreddamento, la superficie e’ caricata negativamente e quindi gli elettroni sono accelerati verso il bersaglio di Cu posto a massa producendo quindi raggi X

Spettro durante il raffreddamento

Spettro durante il riscaldamento

8 keV

Cool-X X-ray generator 300 cicli di riscaldamento e raffreddamento sommati

cicli di riscaldamento e raffreddamento in funzione del tempo Flusso di raggi X in funzione dell’angolo

Un generatore di raggi X COOL-X e un rivelatore di raggi X in un esperimento di fluorescenza a raggi X (XRF)

Rivelatore

Generatore

L’ apparato per fluorescenza X presente in laboratorio

Norme di sicurezza in Laboratorio

Possibili rischi....e quindi cose da evitare

a) Uso di alimentatori di alta tensione (HV = High Voltage) Tutti gli alimentatori HV utilizzati in laboratorio sono gia’ predisposti per il funzionamento, i cavi HV gia’ collegati e non c’e’ la possibilita’ di toccare, anche solo per errore, componenti sotto tensione. Gli studenti non devono mai disconnettere i cavi HV.

b) Gas liquefatti Il rivelatore al germanio (HPGe) viene mantenuto alla temperatura dell’ azoto liquido (77 K) e qualunque operazione che lo riguardi viene eseguita esclusivamente dal personale del laboratorio.

a) b) c)

c) Sorgenti radioattive Le sorgenti radioattive le troverete gia’ inserite nelle postazioni di misura e opportunamente schermate con mattoni di piombo. Il Servizio di Radioprotezione dell’Universita’ verifica sempre che la dose collegata a tali sorgenti sia trascurabile per gli studenti. - Le sorgenti mobili di calibrazione saranno sempre ed esclusivamente maneggiate dal personale del laboratorio. - La presenza di sorgenti deve essere sempre segnalata da opportuni cartelli. - Le sorgenti sono conservate, quando non in uso, nella cassaforte.

- Nei laboratori dove sono conservate le sorgenti c’e’ il divieto di mangiare e bere.