Date post: | 01-May-2015 |
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SPETTROMETRIA : MESSA IN FUNZIONE DI UNA CATENA DI ACQUISIZIONE CON
RIVELATORI DI NaI(Tl)
RivelatoreNaI(Tl)
Fotomoltiplicatore
Amplificatore
ADC
SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA DI MISURA
MCA
Alta tensione
Fotocatodo
Dinodo
INTERAZIONE FOTONE/MATERIA
I fotoni non interagiscono direttamente con la materia. La radiazione fotonica, quando la attraversa, rilascia la sua energia attraverso tre effetti:
EFFETTO FOTOELETTRICO
EFFETTO COMPTON
PRODUZIONE DI COPPIE
Permette la trasmissione dell’energia del fotone alla materia. Il fotone interagisce con un elettrone che si
trova negli orbitali più interni dell’atomo.
L’elettrone acquista energia e sale di livello; se gli viene somministrata un’energia sufficiente a farlo fuggire dall’atomo, avverrà l’effetto fotoelettrico.
L’effetto Compton è una particolare interazione tra un fotone ed un elettrone libero (poco
legato). Quando il fotone colpisce l’elettrone, varia la sua traiettoria e la sua lunghezza d’onda.
L’energia del fotone secondario e dell’elettrone varierà in funzione dell’angolo di emissione.
Può accadere che un fotone interagisca con i campi elettrici della materia con cui viene a
contatto, producendo un elettrone ed un positrone. L’energia minima che deve avere il fotone per dar luogo a questo effetto, dovrà
essere di 1022 keV.
Am-241
SPETTRI ACQUISITI
Mn-54
Cs-137
Co-60
Fotopicchi
Spalla Compton
x=ch y=conteggi
TARATURA E f(Ch)
Per poter effettuare la calibrazione del rivelatore occorre calcolare un coefficiente che permetta di determinare la relazione che intercorre tra il numero del canale e l’energia del fotone. Nell’ipotesi che tutti i fenomeni siano lineari, la relazione tra l’energia e il numero del canale sarà una retta.
I canali inseriti nel grafico sono quelli relativi ai fotopicchi di alcune sostanze note: Am-241, Cs-137, Co-60. I valori sull’asse delle x sono stati inseriti facendo la media aritmetica dei canali prossimi al conteggio massimo.
L’energia di ogni fotopicco è nota in quanto è un valore caratteristico di ogni radionuclide. Dopo l’individuazione dei punti, si è considerato un errore di 0.5 canali per ogni misura; si è infine tracciata la retta di cui si è calcolata la pendenza fra due punti.
La relazione tra energia e canale è
K = 8,16 keV/Ch b = -10 keV
Si è così verificata una buona relazione tra l’ipotesi e le misure sperimentali effettuate.
E = k*Ch+b
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 50 100 150 200
Ch
E (
Ke
V)
L’errore percentuale medio sul calcolo
dell’energia è del 2%
CURVA DI EFFICIENZA
Efficienza
0,000
0,020
0,040
0,060
0,080
0,100
0,120
0,140
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Energia
effic
ienz
a
Efficienza0,1220,0410,0460,0270,018
Energia [KeV]59,54
661,66834,84
1173,241332,5
NuclideAmericio-241Cesio-137Manganese-54Cobalto-60Cobalto-60
L’efficienza intrinseca di picco è definita come il rapporto tra i fotoni misurati per secondo dal rivelatore ed i fotoni
totali emessi dalla sorgente
conteggi al secondoconteggi al secondo emessi al secondoemessi al secondo
La curva dell’efficienza in funzione dell’energia nell’intervallo da noi considerato è quella riportata in
figura
L’errore percentuale massimo sul calcolo dell’efficienza è del 7%
FWHM
FWHM f(E)
La FWHM (Full Width Half Maximum) rappresenta l’intera larghezza del fotopicco a metà altezza ed è
correlata con la risoluzione del sistema.
Andamento della risoluzione in funzione
dell’energia
0 ,0
5 ,0
10 ,0
15 ,0
20 ,0
25 ,0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Energia [KeV]
R (
%)
H
R=FWHM H
L’errore percentuale massimo sul calcolo della FWHM è minore del
10%
RivelatoreGe (HPGe)
Preamplificatore
Amplificatore
ADC
SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA DI MISURA
MCA
Alta tensione
DALLO IODURO AL GERMANIO…
PERCHE’ IN SPETTROMETRIA SI USANO RIVELATORI AL Ge?
Banda di conduzione
Banda di valenza
Banda di conduzione
Banda di valenza
Isolanti(NaI)
Semiconduttori
(Ge)
E > 5 eVE > 1 eV
FWHM 1N
N = numero medio di particelle cariche (elettroni) per ogni interazione
NGe > NNaI FWHMGe < FWHMNaI
CARATTERISTICHE DEL Ge(HPGe)
Tabella dell’efficienza
Energy Effic. Fit Delta
---------------------------------------------------
0.00 ========== Knee ===========
25.81 0.058500 0.061558 -5.23%
59.30 0.061970 0.059269 4.36%
121.38 0.052830 0.047465 10.15%
244.51 0.030263 0.032248 -6.56%
344.10 0.024433 0.025130 -2.85%
344.79 0.025090 0.025090 -0.00%
778.71 0.011259 0.011779 -4.62%
832.14 0.010965 0.010965 0.00%
963.93 0.008676 0.009307 -7.27%
1111.99 0.008028 0.007880 1.84%
1408.30 0.006435 0.005894 8.40%
1434.10 0.005759 0.005759 0.00%
2615.18 0.002516 0.002516 -0.00%
Energia = -0.1120 +0.174590 Ch -6.0214*10-
10Ch2
FWHM = 4.5103 +0.001259 Ch -4.49739*10-
8Ch2
CONFRONTO SPETTRI DELL’EUROPIO-152
Ge (HPGe) NaI(Tl)
Eff.(661 keV) = 0,011Risoluzione = 0,17 keV/Ch
Eff.(661 keV) = 0,041Risoluzione = 8,16 keV/Ch
N.B. Gli errori sono quelli riportati nelle tabelle precedenti
ANALISI DEI DATI
Lo scopo finale dell’esperienza è quello di analizzare gli spettri di radionuclidi presenti nelle matrici ambientali.
Radionuclide Energia [keV]
Cs-137 661,57 + 0,17
Campione di terra del bosco dei Monti Lepini
Dal momento che il tempo di dimezzamento del Cs-137 è di circa 30 anni è ragionevole pensare che
questo radionuclide risalga a Chernobyl.
Tempo di campionamento: 96709 s
Bosco Andrea
I.T.I.S. “H. Hertz” Roma
Natale Francesco
I.T.I.S “E. Fermi” Frascati
Perotti Roberto
I.T.I.S “S. Cannizzaro” Colleferro
Pirrò Stefano
I.T.I.S “E. Fermi” Frascati
Rega Martina
L.S. “B.Touschek” Grottaferrata