espectrometría gamma

Instituto Peruano de Energía Nuclear

CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE ESPECTROMETRÍA GAMMA USANDO DETECTOR DE INa(TL)

Practicante: Andrés M. Gonzales Gálvez

DIRECCION DE INSTALACIONESGRUPO DE CALCULO, ANÁLISIS Y SEGURIDAD – Andrés M. Gonzales G.

IPEN, Enero 2010

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Contenido• Resumen• Objetivo• Introducción• Aspectos Teóricos

– Sistema Nuclear de Medición (SNM)– Características del SMN

• Aspectos Experimentales– Voltaje de trabajo– Calibración en energía


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– Calibración en energía– Resolución– Eficiencia en función de la energía– Medición de periodo de semidesintegración de radioisótopo– Medición de actividad de radioisótopo

• Resultados• Conclusiones• Referencias

Resumen

• En este trabajo se muestran los conceptos básicos que se debende conocer para un buen estudio de un Sistema Nuclear deMedición (SNM), así como sus partes y característicasprincipales, para buscar tener el mejor funcionamiento yeficiencia de la cadena, teniendo en cuenta algunasexperiencias básicas, como la medición del voltaje de trabajo,calibración en energía, eficiencia en función de la energía,resolución y actividad absoluta de un isótopo radiactivo en una


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calibración en energía, eficiencia en función de la energía,resolución y actividad absoluta de un isótopo radiactivo en unaCadena Nuclear de Medición (CNM) del RP0, del InstitutoPeruano de Energía Nuclear (IPEN). Estableciendo lacorrespondencia en energía de las alturas de los pulsosgenerados por los rayos gamma provenientes de las fuentesradiactivas Cs-137 y Co-60 para la calibración y usando undetector de centelleo INa(Tl).

Objetivo

• Conocer las partes de un sistema nuclear demediciones.

• Conocer las características de un sistema nuclearde mediciones.

• Realizar algunas mediciones de aplicación con un


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• Realizar algunas mediciones de aplicación con unsistema nuclear de mediciones.

Diagrama de bloques del Sistema Nuclear

de Mediación (SNM)


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Sistema Nuclear de Medición (SNM)


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Fuente

Fuentes de Cesio y Cobalto para la

calibración en energía


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FuenteCadena de Desintegración del Cs-137


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FuenteCadena de Desintegración del Co-60


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• PRINCIPIO:Radiación atraviesa centellador, excitaátomos → emisión de luz. La luz setransmite por guías al PMT: fotones→ e- Se amplifica la señal que seanaliza en el sist. electrónico.

• INFORMACION:

Centellador de INa(Tl)


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• INFORMACION:

• Energía depositada o total de la partícula

• Tiempo de llegada del fotoe- (<1ns)• Posición (área que abarca en el centellador)

MATERIAL

Longitud de

onda de max.

Emisión λm (nm)

Constante de

decaimiento

µs

Indice de

refracción

para λm

Densidad

(gr/cm2)

Eficiencia

relativa al

NaI (TI)

NaI (TI) 410 0.23 1.85 3.67 100%

CsI (TI) 565 1 1.8 4.51 45%

LiI (Eu) 470 - 485 1.4 1.96 4.08 35%

Algunos Centelladores


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ZnS (Ag) 450 0.2 2036 4.09 130%

CaF2 (Eu) 435 0.9 1.44 3.19 50%

Bi4Ge3O12480 0.3 2.15 7.13 8%

• IODURO DE SODIO ACTIVADO CON TALIO – NaI (TI)

• IODURO DE CESIO ACTIVADO CON TALIO - CsI (TI)

• IODURO DE LITIO ACTIVADO CON EUROPIO – LiI (Eu)

• SULFURO DE CINC ACTIVADO CON PLATA – ZnS (Ag)

• FLUORURO DE CALCIO ACTIVADO CON EUROPIO – CaF (Eu)

•• Sistema ColectorSistema Colector•• Eficiencia de DetectoresEficiencia de Detectores

Centellador de INa(Tl)


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Eventos en la vecindad del detector - fuente -blindaje


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Diapositiva 13

Fotomultiplicador


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PORTANIM


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Diapositiva 15

Amp 2015

Osciloscopio


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Diapositiva 16

Analizador Multicanal Serie 40


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Diapositiva 17

Analizador Multicanal

• Comandos:

– Modo PHA (analizador de altura de pulsos)

– Collect y Clear All (iniciar la medición y borrar todo)

– Ecal (para calibrar automáticamente)

– Expand (expandir región alrededor del cursor)


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– Preset (prefijar los tiempos)

– ROI (para definir la región de interes)

– Read Out (para transferir datos al computador)

– ADE IN (para ingreso de la salida del amplificador)

– Ext (utiliza la amplificación externa)

Espectros


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1500

2000

2500

3000

3500

4000

Cs 137

Co

nta

ge

ns

Espectro γγ de 137Cs

−+→ βBaCs 13756

13755


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0 100 200 300 400 500

0

500

1000

Canais

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

Co 60

Co

nta

ge

ns

Espectro γγ de 60Co

−+→ βNiCo 6028

6027


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100 200 300 400 500 600 700 800

0

250

500

750

1000

Co

nta

ge

ns

Canais

Características de la cadena de INa(Tl)

� Voltaje de Trabajo� Calibración� Resolución� Eficiencia


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Diapositiva 22

Voltaje de TrabajoVoltage Monocanal Multicanal

400 101 0

500 46 0

600 6881 17165

700 50619 21248

700 51120 21334

710 51353 21867

720 52305 21570

730 52797 21572

740 53629 21583

750 54192 20999

760 54575 21243

770 55153 21525

780 55537 21543


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Diapositiva 23

790 55865 21749

800 54210 21986

800 54515 21562

800 54387 21978

810 54616 22016

820 54488 21982

830 54209 21843

840 54193 21833

850 44105 21858

850 53894 21915

860 53054 21934

870 53282 21968

880 53155 21866

890 53320 22082

900 24911 21550

900 24956 21873

Calibración en Energía


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Diapositiva 24

Calibración en energía

Canal Energía (keV)

235 662

416 1173

474 1333



662

11731333

y = 2.8113x + 1.7725

R2 = 1

600

800

1000

1200

1400

1600

En

erg

ía


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Diapositiva 25

662

0

200

400

600

0 100 200 300 400 500

Canales

En

erg

ía

E(keV) = 2.811 x (canal) + 1.772

Espectro del Cs-137 y Co-60

Espectro Cs_137 y Co_60

4000

5000

6000

7000

8000

Cu

enta

s


235 662

416 1173

474 1333




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Diapositiva 26

0

1000

2000

3000

0 200 400 600 800 1000 1200

Canales

Cu

enta

s

Calibración en EnergíaFeunte CanalCs-137 235

Co-60 416

Co-60 474

Espectro del Cs-137 y Co-60 en función de la Energía

Espectro _ Energía Vs Cuentas

5000

6000

7000

8000

Cu

enta

s


235 662

416 1173

474 1333




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Diapositiva 27

0

1000

2000

3000

4000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Energía (keV)

Cu

enta

sCalibración en EnergíaFeunte Energía (keV)Cs-137 662

Co-60 1173

Co-60 1333

E(keV) = 2.811 x (canal) + 1.772

Espectro del Cs-137, INa

Fondo

ÁreaÁrea = Int. - Fondo


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Diapositiva 28

Energía Area TL Int C(i) C(d) Ch(i) Ch(d)

Cs-137 662.428 140477 600 158020 402 260 208 260

Co-60 1171.2733 15784 600 23944 142 113 384 447

Co-60 1334.3287 14067 600 18755 113 28 447 512.5

Fondo

Espectro Gamma del Co-60, INa

Fondo

Fondo

ÁreaÁrea


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Diapositiva 29

Energía Area TL Int C(i) C(d) Ch(i) Ch(d)

Cs-137 662.428 140477 600 158020 402 260 208 260

Co-60 1171.2733 15784 600 23944 142 113 384 447

Co-60 1334.3287 14067 600 18755 113 28 447 512.5

Fondo

Áreas Netas

%32.0/140477137 ±=− scuentasACs

%17.2/1578460 ±=− scuentasACo

%44.2/1406760 ±=− scuentasACo


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Diapositiva 30

Resolución

Ancho de picoa la altura

mitad

# de canal en el centroide del

pico

RESOLUCIÓÓÓÓN (%)

Cs-137 18 235 7.66

Co60 25 416 6.01

Co60 27 476 5.67

Es una medida de su habilidad para resolver (identificar) dos fotopicos cercanos.


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Diapositiva 31

Donde:

R : Resolución en %δE: Ancho de pico a la altura

mitad del máximo nivel decontaje, medido en #canales.

E : # canal en la centroide delpico.

Eficiencia• Coeficiente que relaciona las actividades de una muestra (Am) y el estándar (As):

fAA

S

m

.=ε LTArea

mA =

tS eAA λ−= 0

137Cs

60Co

T1/2 (años) 30.17 5.27

E(keV) 661,661 1173.237

1332.501


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Diapositiva 32

S 0

Donde:• Área: área bajo el fotopico• TL: tiempo vivo• Ao: actividad del estándar• t : tiempo hasta hoy• λ: constante de decaimiento• f: intensidad relativa (fracción de decaimiento)

1332.501

Iγ 0.85 0.99

EficienciaEnergía Eficiencia

Cs-137 661.6 0.0103 ± δ=0.32%Co-60 1173.2 0.0045 ± δ=2.17%Co-60 1332.5 0.0040 ± δ=2.44%

Cálculos


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Diapositiva 33

Cálculos

Espectro del In-116

Potencia 5W

Tiempo 90 min

Irradiación

Inicio Irradiacion: 9:58:00

Características de la irradiación y trabajo


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Diapositiva 34

Fin Irradiacion: 11:28:00

Medicion:

Inicio Medicion: 12:10:00

Fin Medicion: 15:56:00

Fotopico del Indio

Fondo

Área


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Diapositiva 35

Area Int Ci Chi Cd Chd TL

13035 15983 51 435 37 501 200

Fondo

Irradiación del IndioIsótopo Radiactivo – In-116


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Diapositiva 36

Eficiencia del Indio


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Diapositiva 37

Donde:

a = 80.349

b = -1.38068

Cálculo de a y b

Energía Eficiencia

In-116 1293.4 0.00406 ± δ=0.00060%

Periodo de Semidesintegración delIn-116


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Diapositiva 38

Cálculos

Siendo:

= 0.844

t = 2h 35min = 155min = 9300s

T1/2 = 58.2511min

Actividad del Indio

)107.3)()(( 4xIEficienciaT

ÁreaNetaCi

L γµ =

)696.0

(

02/1.)( T

t

eCittCi−

== µµ

γI


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BqCiAIn 65.190130.5139116 ==− µ

BqttAIn 65.3007Ci0.0757)( 0116 ===− µ

Actividad después de la Irradiación:

Actividad finalizando las mediciones:

CONCLUSIONES

• Para caracterizar un sistema de espectrometría gamma usando detector deNaI(Tl) se debe de tener bien claro cuales son las partes de una cadena nuclearde medición (CNM), así como también las condiciones para unfuncionamiento óptimo.

• Para que el SNM funcione de manera óptima, se debe conocer bien suscaracterísticas: Voltaje de trabajo, calibración de energía, eficiencia yresolución.


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• El valor del voltaje de trabajo esta en el rango de 750V hasta 850V, ya que lacurva se estabiliza teniendo datos muy parejos y no tomamos los valoresextremos, porque hay menos probabilidad de estabilidad.

• El número de cuentas que se registra no depende del voltaje, si es que este seencuentra en el rango del voltaje de trabajo, pero si el voltaje escapa de esterango, si depende.

• Gracias al gráfico de la eficiencia en función de la energía que se calculó,se puede hallar fácilmente cualquier otra eficiencia para otro elementoradiactivo.

• Conforme aumenta la energía del isótopo radiactivo, la resolución tambiénaumenta en valor, por lo tanto empeora. Mientras menor sea la resolución,se podrá tener un resultado más detallado.

CONCLUSIONES


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Diapositiva 41

se podrá tener un resultado más detallado.

• El detector NaI(Tl) es muy eficiente en estos tipos de estudio, teniendo unaresolución de aproximadamente de 50 keV, no necesita refrigeración connitrógeno líquido como los detectores de Ge(HP) Germanio Hiperpuro,aunque la resolución de estos detectores es mucho mejor deaproximadamente de 1 a 2 keV. Por lo tanto no genera muchos gastos en lacompra de nitrógeno líquido. Y hace al NaI un detector muy eficiente paraestos estudios.

Referencias

• [1] TRAVESI, Análisis por Activación Neutrónica.

• [2] ORTEC, Camberra. Manuales de Venta y Mantenimiento decada Tipo xe Módulo.

• [3] LEDERER M. Table of the Isotopes, 6th ed., Wiley. N.Y.(1967)

• [4] SEELMANNW. Tabla de Núclidos, Karlsruhe (1974)

• [5] OIEAEDERER M. Table of the Isotopes, 6th ed., Wiley. N.Y.


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• [5] OIEAEDERER M. Table of the Isotopes, 6th ed., Wiley. N.Y.(1967)

• [6] http://mirador nuclearperu.blogspot.com

• [7] http://www.fisicarecreativa.com/datos/datos/fuentes_rsd.pdf

Muchas GraciasAndrés Gonzales Gá[email protected]


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