Lezione 2

Lezione 2
Laboratorio e
tecniche di misura
della radioattività
Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia
Anno accademico 2007 – 2008
ADE
La lezione di oggi
I rivelatori di radiazione a e g
Come si fa una misura in laboratorio
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2
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
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3
Strumentazione e tecniche per la
misura della radioattività
Processi che avvengono nell’interazione radiazione ionizzante con la
materia:
a. 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
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4
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
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5
Interazione g - rivelatore
Un fotone che incide su un rivelatore può interagire in 3
modi:
1.
2.
3.
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
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6
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:
E pe  h  Eb
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7
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
hn
hn’

e-
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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-
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9
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
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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
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11
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
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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
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13
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
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Rivelatore al Germanio
Geometria coassiale
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Geometria coassiale: confronto tra
vari rivelatori HPGe
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Rivelatore al Germanio e criostato
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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
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Risoluzione in energia
È la caratteristica fondamentale dei HPGe
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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:
1.
2.
3.
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
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Interazione g-HPGe (fotopicco - 1)
Un esempio di possibile interazione
g incidente
effetto Compton (e- + g)
produzione di coppie (e- + g + g)
fotoelettrico (e-)
ecc. ecc.
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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
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Interazione g-HPGe (Compton - 1)
Un esempio di possibile interazione
se questo g fosse uscito
dal rivelatore senza fare
fotoelettrico ...
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Interazione g-HPGe (Compton - 2)
e-
...sarebbe stato
equivalente alla
reazione...
C
...ossia ad un SINGOLO effetto Compton con il g uscente,
perchè è un evento NON CONTENUTO all’interno del
rivelatore  almeno 1 g uscente
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25
Sezioni d’urto g-Ge
(probabilità di interazione del fotone in funzione
della sua energia in un materiale)
fotoelettrico
Compton
produzione
di coppie
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26
Schema di decadimento del
137Cs
g
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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
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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
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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
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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
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31
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
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Analisi dati HPGe:
generalità
Scopo:
Mezzo:
misurare l’attività e
riconoscere il nuclide
in un campione
spettro di multicanale
(MultiChannel Analyser, MCA) +
correzioni opportune +
identificazione nuclide e misura
attività
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33
Analisi dati HPGe:
significato di uno spettro MCA
#eventi
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
E(keV)
nel tempo Dt di misura
ho rivelato N fotoni (eventi) con 5 keV<Eg<7 keV
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Caratteristiche EG&G GMX
n-type HPGe
tensione di lavoro: -4800 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
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35
La misura dell’attività
con un HPGe
Calcolo dell’attività
R
N
A 
C
P PTe
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
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37
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
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39
Sorgente di calibrazione
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40
Spettro di calibrazione
Lezione 2
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41
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:




Lezione 2
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)
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43
Spettro del fondo (1)
con schermo di Pb
senza schermo di Pb
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44
Spettro del fondo (2)
Lezione 2
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45
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
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46
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:


Lezione 2
Picco di fuga singolo: Efotopicco - 0.511 MeV
Picco di fuga doppio: Efotopicco - 1.022 MeV
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47
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
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48
Lezione 2
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49
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
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51
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
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52
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
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53
L’analisi
Controllo bene lo spettro:




Fotopicco
Escape peak
X-rays
Fondo
Misuro l’attività
Lezione 2
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54
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
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55
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
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56
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
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57
Wafer di Si
Qualunque varieta’ di geometria
Lezione 2
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58
Range delle particelle cariche
Con rivelatori di 10 mm
riesco a misurare ioni di
1 MeV
Lezione 2
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59
Setup sperimentale
Il silicio è alloggiato in una
camera a vuoto
Lezione 2
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60
I rivelatori
Hanno aree
sensibili di
25-3000 mm2
Sono alloggiati
dentro il modulo a
vuoto
Normalmente
sono sensibili alla
luce
Lezione 2
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61
Preparazione esperimento
Uso il setup standard per spettroscopia
Lezione 2
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62
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
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63
Lo spettro di
241Am
3 picchi a
5.486 MeV
5.443 MeV
5.380 MeV
Lezione 2
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64
Lo spettro del
252Cf
Spettro di
fissione
Lezione 2
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65
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
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67
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
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68
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:
  picco _ alpha  s 2 4p 
 2 
attivita'  
 r p 
tempo



s= distanza sorgente-rivelatore
r= raggio rivelatore
Lezione 2
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70
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:



Lezione 2
84.4%
13.6%
1.4%
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71
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
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72
Tabella Range-Energia per a
r(Cu)=8.96 g/cm3
Range(5MeV) =
9.1(mg/cm2)/(8.96g/cm3) =
10.2 mm
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73
Riassumendo
Posso misurare la radioattività in matrici ambientali con un
rivelatore al Germanio
... e ora si va in laboratorio
a provare ...
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