SPETTROMETRIA GAMMA

1. SPETTROMETRIA GAMMA • A CURA DI: • FRANCO Daniele ITIS Hertz • SANGERMANO Dario • MANZO Toni Liceo “E. Amaldi” • ROTUNNO Maria Giulia • TUTORI INFN: • CASANO L. • CHITI M.

2. FUNZIONAMENTO DI UNO SPETTROMETRO PER MISURE DI RADIOATTIVITÀ GAMMA Lo spettrometro è l’insieme della strumentazione raffigurata nello schema a blocchi ed è utilizzato per misurare l’intensità e l’energia dei fotoni che sono radiazioni elettromagnetiche di alta energia. Queste radiazioni si riscontrano in natura e per questo vengono effettuate delle misure per verificare se sono osservati i limiti stabiliti a norma di legge per limitare i danni alle persone esposte e all’ambiente. Queste radiazioni vengono emesse dai materiali radioattivi a causa dei decadimenti che subiscono.

3. DECADIMENTI RADIOATTIVI La legge di decadimento esprime la variazione del numero dei nuclei nel tempo che ancora non subiscono una trasformazione radioattiva. (N = N0* e- λt ) Per ricavare questa legge viene utilizzata la costante di decadimento che esprime la frazione di nuclei che decadono nell’unità di tempo. (dN/N0/ ∆t) I nuclei per cercare lo stato energetico minimo, decadono in un nucleo figlio emettendo radiazioni di tipo alfa, beta o gamma.

4. INTERAZIONI DEI GAMMA CON LA MATERIA I fotoni non interagiscono direttamente con la materia, poiché sono privi di carica elettrica e di massa, ma interagiscono indirettamente ovvero rilasciano la loro energia alla materia attraversata per mezzo di 3 fenomeni quantistici: effetto fotoelettrico, effetto Compton, produzione di coppie. EFFETTO FOTOELETTRICO: Il fotone incidente interagisce con un elettrone appartenente agli orbitali dell’atomo maggiormente legati, emettendolo con energia cinetica pari a: Ee = Eγ – B(energia di legame) Il vuoto che si crea viene riempito da uno o più elettroni dell’orbitale più esterno emettendo un raggio γ.

5. EFFETTO COMPTON: In questo fenomeno si ha un urto elastico dove l’energia dell’elettrone dipende dall’angolo di emissione (θ) del fotone diffuso e dall’energia del fotone incidente ( Eγ ). Eγ΄=Eγ/1+(1-cosθ)Eγ/mc2 PRODUZIONE DI COPPIE: La produzione di coppie avviene quando l’energia si trasforma in massa, producendo un elettrone e un positrone,che a loro volta si possono annichilire con altri positroni ed elettroni. Ciascun positrone ed elettrone ha una massa di riposo pari a 511 KeV così occorrono 1022 KeV affinché si produca una coppia.

6. IL RIVELATORE Il rivelatore è un trasduttore e comprende lo scintillatore ed il fotomoltiplicatore. L’insieme dei due trasforma degli “eventi di ionizzazioni ed eccitazioni” in “ impulsi elettrici” perdendo un po’ di energia.

7. Gli scintillatori emettono fotoni nel range del campo visibile quando vengono sollecitati da fotoni. Nel nostro caso utilizziamo uno scintillatore al NaI attivato al Tl che è mescolato nel reticolo cristallino. I fotoni emessi dall’ interazione dei gamma nel rivelatore si muovono in maniera isotropa e vengono convogliati sul fotomoltiplicatore. Per l NaI l’energia media di eccitazione e’ di circa 30eV, il picco di emissione (del NaI) è di circa 400nm e l’efficienza è di circa il 10%. Il cristallo di NaI è incapsulato di alluminio ed è a contatto col fotocatodo con un grasso ottico che ha un indice di rifrazione di 1,5. GLI SCINTILLATORI

8. FOTOMOLTIPLICATORE: Il fotomoltipicatore è costituito inizialmente da un FOTOCATODO che è un elettrodo che per effetto fotoelettrico converte i fotoni emessi dallo scintillatore in elettroni con un’efficienza del 25%. La carica emessa è talmente piccola(0,0012pC) che occorre moltiplicarla tramite una struttura a dinodi. I DINODI, posti a tensioni crescenti, moltiplicano gli elettroni ad ogni impatto e sono posizionati in successione a potenziale crescente.

9. AMPLIFICATORE: Serve per amplificare il segnale proveniente dal fotomoltplicatore. Esso agisce in maniera da avere la stessa impedenza onde evitare l’attenuazione del segnale e l’eventuale riflessione dello stesso fa sì che il segnale d’uscita sia proporzionale al segnale d’entrata che a sua volta è proporzionale all’energia iniziale. ADC & MCA: Il segnale analogico emesso dall’amplificatore viene digitalizzato in codice binario attraverso l’ADC ( analogic digital converter ) e viene classificato e contato attraverso l’MCA ( multi chanel analyzer ) che immagazzina i segnali a diversi livelli energetici in canali diversi.

10. APPARATO SPERIMENTALE OTTIMIZZAZIONE DELLA RISOLUZIONE VARIANDO L’HV La risoluzione è: R = FWHM/ Ho dove FWHM è l’ampiezza a mezza altezza del picco e Ho è il canale centrale del picco.

13. Variando la tensione ( Hv ) sul nostro amplificatore abbiamo trovato che la migliore risoluzione è 0,061 corrispondente ai 980 Volt

14. VERIFICA DELLA LINEARITA’ DELL’AMPLIFICATORE L’amplificazione è definita dal rapporto Vout/ Vin Questo rapporto deve mantenersi costante

15. Analizzando i rapporti tra la tensione in entrata e quella in uscita abbiamo trovato una zona in cui la linearità dell’amplificatore si mantiene costante fino al segnale di tensione di 0,4 Volt.

16. VERIFICA DELLA LINEARITA’ DELL’ADC Verificando il rapporto tensione su canale abbiamo riscontrato dei valori costanti quindi la linearità dell’ADC è verificata.

17. CALIBRAZIONE IN ENERGIA La calibrazione permette di trovare la relazione matematica tra canale dell’adc ed energia dei fotoni.

18. EFFICIENZA E' il rapporto fra fotoni visti/ fotoni emessi ovvero il numero di impulsi registrati dal rivelatore per un radionuclide e il numero di disintegrazioni realmente avvenute nel radionuclide. Per calcolare l’efficienza è quindi necessario conoscere l’attività del radionuclide al momento della misura

20. Conclusione: Ponendo a misura diversi campioni ( matrice ambientali ) riusciamo a stabilire: In base alla posizione dei picchi ( energia del picco ) i tipi di radionuclidi presenti Risalire e conoscere l’attività di ciascun radionuclide