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.

Picco “fotoelettrico”

“Spalla” Compton

Picco di backscattering

La parte continua dello spettro, alla sinistra del picco fotoelettrico, è dovuto alla incompleta raccolta dell’energia dello sciame e.m.

h

h

h m c

1 10

2/ cos

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)

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

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 1 Ci 30.2 y 0.662

Manganese- 54 1 Ci 313 d 0.835

Zinc-65 1 Ci 244 d 1.115

Cobalt-60 1 Ci 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.

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”

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.