UNMSM

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE

SAN MARCOSUniversidad del Perú, DECANA DE

AMERICA

FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS

DEPARTAMENTO DE ACADEMICO DE FISICA

LABORATORIO

UNMSM

DE FISICA EXPERIMENTAL

LIMA-PERU

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

Universidad del Perú, DECANA DE AMERICA

Informes de laboratorio de física experimental

UNMSM

PROFESOR: Soto Moran Leonardo

ALUMNO: Anca Ccopa Josue Gabriel

13130003

Ciudad Universitaria, Noviembre 2014

Experimento 1: espectroscopia gamma

( Calibración, fuentes: 137CS 60CO )

1) Introducción teórica

La espectrometría tal consiste en obtener el número de fotones que tienen una determinada energía. Para ello, usaremos dos fuentes de fotones, como son el 137Cs y el 60Co, y un detector de ioduro de sodio activado con talio. Teóricamente, la radiación emitida por el Cs es monocromática, y la del cobalto bicromática. Cabe esperar que las medidas de radiación generen tres máximos de intensidad en torno a estos valores.

Debido a la naturaleza del detector, y al propio proceso de medida, lo obtenido en el laboratorio difiere de esta distribución de intensidades esperada. Por un lado, la resolución limitada del detector provoca que los máximos de intensidad tengan una cierta anchura. Por otro lado, no todos

UNMSM

los fotones emitidos por la fuente llegan `intactos' al detector, sino que mediremos una distribución continúa de radiación que nos llega en el rango de bajas energías. Estos fotones son los que alcanzan al detector después de sufrir colisiones inelásticas (dispersión Compton) o procedentes de otro tipo de procesos ocurridos

Conceptos importantes

La espectroscopia gamma es un método experimental utilizado para determinar la energía de radiación gamma de una determinada fuenteRadioactiva. La mayoría de las fuentes radioactivas emite rayos gammas de energías características del núcleo de la fuente. La espectroscopia gamma se puede utilizar para determinar la identidad del núcleo medido.Este tipo de radiación se caracteriza por no tener carga y la detección de esta se basa en la interacción de los fotones con el material del detector, estos depositan su energía en el material dando lugar a tres mecanismos básicos de transferencia de energía, efecto fotoeléctrico, Compton y creación de pares. El efecto fotoeléctrico es en este caso producidoInicialmente por un fotón que incide sobre la Superficie de un material (parte del detector) dando Lugar a la emisión de un electrón. Es importante destacar que los electrones al ser emitidos desde laSuperficie del material salen con una energía cinéticaE=hf−w, (1)Donde w es la función trabajo y representa la energía Necesaria para arrancar un electrón de la superficie De material. Esta depende únicamente del material. El efecto Compton se basa en la colisión de un fotón Con un electrón libre del material, dando lugar a unaDispersión de la radiación electromagnética y a un Aumento de la longitud de onda de esta.

UNMSM

La nueva Longitud de onda esta específicamente determinadaPor la dirección de dispersión de la ondaElectromagnética. Se puede demostrar que laVariación de la longitud de onda verifica:

Δλ=h(1−cosθ)/mec , (2)Donde h es la constante de Planck, me es la masa del Electrón, c es la velocidad de la luz y θ es el ángulo entre los fotones incidentes y dispersados. Finalmente la creación de pares es el proceso por el cual una partícula crea dos o más partículas diferentes mediante una colisión. En esta experiencia fue tenida en cuenta la creación de un positrón y un electrón mediante la colisión de un fotón con algún núcleo presente en el material del detector, En ella, el fotón, para poder crear las partículas, deberá tener como mínimo una energía igual a la masa del electrón más la del positrón.

Dicho lo anterior podemos describir como se Observa cada tipo de interacción en un espectro radiación, este es una gráfica de dN/dE vs E.En el efecto fotoeléctrico se absorbe toda la energía del rayo gamma, produciendo foto electrones, luego esto produce un pico en el espectro y este corresponde a la energía del gamma que incide en el detector. Esto se muestra en la Figura 4. En la interacción Compton, el gamma no es

UNMSM

absorbido y el electrón se lleva parte de la energía, por lo tanto, la Radiación deposita una proporción de la energía en el detector y esto da lugar en el espectro a una gran zona frente al pico foto óptica explicadaAnteriormente. Esta puede entenderse observando la Ecuación 2, donde se ve como la energía del fotón Dispersado en el efecto Compton depende de la dirección del fotón emitido por la fuente, dando lugar a fotones dispersados de diferentes energías. Finalmente el fenómeno de creación de pares se observa en el espectro como un pico de menor Energía que el rayo gama incidente. Otro fenómeno interesante es el de backscattering, en el cual la radiación interacciona con otros elementos antes de ser detectados, produciendo picos de menor energía.

INSTRUMENTOS

Sistema de detección Detector de NaI (Tl) cilíndrico Tubo fotomultiplicador (PMT) Pre-amplificador y amplificador lineal Analizador multicanal (MCA) Soporte para el detector Bandeja para las Fuentes radiactivas Bandeja para los absorbentes Conjunto de Fuentes radiactivas Del Laboratorio

II. DESARROLLO EXPERIMENTAL

En la siguiente figura puede observarse el montaje experimental utilizado. Las muestras radioactivas fueron colocadas en una cavidad cuyas paredes estaban constituidas por bloques de plomo, con el objetivo de bloquear la radiación hacia lugares no deseados. La misma poseía una ventana sin blindaje en la cual estaba posicionado el detector de centelleo Nal(Ti). A este se lo

UNMSM

alimentaba desde una fuente de tensión exterior. La salida de la señal estaba conectada a un amplificador de tensión (1024 canales), el cual a su vez conectaba su salida hacia la placa de adquisición de datos de la PC. Para adquirir los datos desde la computadora.

Procedimiento1. Ponga en funcionamiento el programa analizador multicanal. 2. Ponga el potencial de trabajo del detector 3. Ajuste la ganancia, o sólo según la disponibilidad en cada equipo) del amplificador a la unidad.4. Conecte la alta tensión.

Dispositivo experimental para la adquisición de losEspectros gamma de los elementos.

UNMSM

5. Coloque una fuente de Cs-137

6. Adquiera un espectro

7. Adquiera un espectro de Cs-137 durante suficiente tiempo para poder determinarClaramente la posición del fotopico.

8. Almacene el espectro de Cs-137, bórrelo de la pantalla, y sustituya esta fuente por una

De co-60. Adquiera durante tiempo suficiente para que losFotopicos queden bien definidos. Almacene el espectro del co-60.

Para el espectro de Cs-137

Espectro del Cs-137 obtenido con un detector de centelleo NaI(Tl).

UNMSM

Descripción de la gráfica del cs-137.

La siguiente gráfica sirve para poder determinar la ubicación del fotopico del cs-137 en su respectivo canal

EN EL ORIGEN 9.1

0 200 400 600 800 1000 12000

50000

100000

150000

200000

250000

canales

A

B

C

D

E

conteo

UNMSM

A continuación mostraremos los valores de los puntos importantes de la gráfica.

A=ruido B=borde compton C=fondo compton

D=fotopico

E=punto bajo del fotopico

Tabla de valores

descripciones Canales Conteosruido 109 83153Borde compton 245 42840Fondo compton 311 9635fotopico 377 210306

UNMSM

Punto bajo del fotopico 429 3843

Para nuestro experimento solo necesitamos saber las coordenadas del fotopico de la gráfica del Cs-137

Las cuales son.

Canal 377

Numero conteos 210306

Para el espectro de Co-60

Espectro del Co-60 obtenido con un detector de centelleo NaI (Tl).

UNMSM

Descripción de la gráfica del Co-60

Para este grafico podemos observar dos fotopicos

La siguiente gráfica sirve para poder determinar la ubicación del fotopico del cs-137 en su respectivo canal

0 200 400 600 800 1000 12000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

cuen-

tas

ca-nal

A

B

C

D

E

F

UNMSM

EN EL ORIGIN 9.4

A continuación mostraremos los valores de los puntos importantes de la gráfica.

A=ruido

B=borde compton

C=fondo compton

D=fotopico mayor

E=valle

F= fotopico menor

G=punto bajo del fotopico

Tabla de valores

descripciones canales Conteosruido 129 11616Borde compton 503 7420

UNMSM

Fondo compton 575 4910Fotopico mayor 648 13048valle 694 5465Fotopico menor 736 9794Punto bajo del fotopico 807 607

Para nuestro experimento solo necesitamos saber las coordenadas del fotopico mayor y del fotopico menor de la gráfica del Co-60

Las cuales son.

Fotopico mayor

Canal 648

Numero conteos 13048

Fotopico menor

Canal 736

Numero conteos 9794

Valores teóricos de los fotopicos del Cs-137 y Co-60

Para el Cs 137 el valor es

137Cs Energía del fotopico = 0.66MeV

60Co Energía del fotopico menor= 1.17MeV

60Co Energía del fotopico mayor= 1.33MeV

UNMSM

Mediante estos datos obtenidos de las gráficas deCs-137 , Co-60 y los valores teóricos de las energías de los fotopicos construiremos la recta calibrada .

Para esto utilizaremos el método de regresión lineal

Sea nuestra ecuacion.

Y=mx+b

Calcularemos m y b mediante las siguientes formulas

X=canal Y=energía(Mev)cesio 377 0.66Cobalto 648 1.17Cobalto 736 1.33P=cantidad de datos=3

.m=0.0018699 .b=-0.044347

Por lo tanto la ecuación es

Y=0.0018699X-0.044347

.r=0.9991996 (coeficiente de correlación)

UNMSM

Calculo del error.ERRORES CS137 CO(60)MAYO

RCO(60)MENOR

%E 0.092% 0.143% 0.223%

ERROR ABSOLUTO

Ea=0.153%

350 400 450 500 550 600 650 700 750 8000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

cs-137

co-60

co-60

energía(Mev) vs canal

ENERGIA

canal

UNMSM

CONCLUSIONES

A partir de la identificación de los picos característicosDe los isótopos 60Co, 137Cs, 60Co se calibró un detector de radiación por centelleo. Se analizó el espectro del 137Cs a partir del cual se identificaron los Componentes característicos de la interacción de la radiación con la materia (efecto fotoeléctrico y dispersión de Compton). Colocando un blindaje de Pb y se estudiaron las modificaciones al espectro del 137Cs, y se identificó el pico de retro dispersión con su talón Compton correspondiente.Similarmente para el 60Co, se pudo observar los dos fotopicos del espectro de radiación y sus respectivos canales.

Con los valores obtenidos de las gráficas y los valores energéticos teóricos correspondientes se logró obtener

UNMSM

una gráfica correspondiente a (energía vs canal) con el método de calibración, regresión lineal.