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El objetivo de la práctica es el estudio del espectro de emisión gamma de una muestra problema mediante el análisis de las líneas que se observan en su espectro de energía. Se trata de una camiseta de Camping-Gas que contiene sales de 232Th. En la cadena de desintegraciones del Torio se forma 220Rn que, al ser un gas, tiende a escaparse de la muestra.
Para poder obtener la energía asociada a los picos que se observan en el espectro es necesario calibrar el detector con distintas fuentes estándar: 133Ba, 152Eu y 22Na, y restar el fondo o radiación existente en el laboratorio y que distorsiona la medida.
El método consiste, básicamente, en la medida del espectro emitido por la fuente mediante un detector de Germanio hiperpuro (HPGe) de gran resolución. La mayoría de los detectores de radiación presentan un comportamiento similar. La radiación penetra en el detector e interacciona con los átomos de éste. Fruto de esta interacción, la radiación cede toda o parte de su energía a los electrones ligados de estos átomos. Se libera así, un gran número de electrones de relativamente baja energía que son recogidos y analizados mediante un circuito electrónico.
Para
analizar la forma del espectro obtenido, es necesario conocer los diferentes
procesos de interacción que pueden experimentar los fotones incidentes con los
átomos del detector:
Figura
1. Espectro registrado por el detector HPGe para una muestra de 22Na.
El espectro de la energía total depositada correspondiente a cada línea de emisión tiene una forma característica consistente en un pico estrecho (pico fotoeléctrico) más un perfil continuo que abarca desde energía cero hasta un valor (borde Compton) correspondiente a la máxima energía que el fotón puede ceder en una colisión Compton (dispersión con 180 grados), modificado por procesos de interacción múltiples. La aparición de este continuo dificulta a menudo la interpretación del espectro y se han desarrollado diversas técnicas experimentales para su eliminación, aunque suele ser la principal fuente de incertidumbre.
El análisis de los eventos que caracterizan un espectro de energías de una muestra radiactiva se ha realizado mediante la configuración de un dispositivo experimental con un detector de Germanio hiperpuro (HPGe). En el HPGe, los fotones causan una separación de carga y se crean pulsos de corriente que van directamente a un pre-amplificador incorporado dentro del detector. La amplitud del pulso es una medida de la energía del fotón detectado.
Figura 2. Esquema del dispositivo experimental montado.
Tabla 1. Tabla 4.1. Características del detector de Ge Hiperpuro utilizado.
HPGe | ||
Tamaño del Cristal |
Diámetro = 57.1mm Longitud = 57.1 mm |
|
FWHM | Pico 511 keV | 4.2 |
Pico 1.28 MeV |
5.5 |
|
Relación Pico-Fondo | 102.3 |
El pre-amplificador es capaz de convertir los pulsos de corriente en pulsos de voltaje que son dirigidos hasta un analizador multicanal (MCA). La función de este multicanal es almacenar los espectros para que puedan ser monitorizados gracias al Software 'Maestro' utilizado en el laboratorio.
Se trata de analizar el espectro proporcionado por el detector HPGe. Para ello, es necesario, en primer lugar, calibrarlo con distintas fuentes estándar conocidas y, posteriormente, aplicar los resultados obtenidos al espectro de la muestra problema a analizar.
Para poder extraer con fiabilidad los resultados cuantitativos del espectro de la muestra problema hay que conocer en detalle la repercusión en el mismo de:
El espectro asociado al fondo de radiación en ausencia de la muestra.
La presencia en los materiales y en el aire de emisores radioactivos, y el bombardeo de rayos cósmicos, produce un espectro de fondo que se suma al de cualquier muestra, y que se debe eliminar. Cuando el detector está fuertemente blindado (por Pb, por ejemplo) contra radiaciones que no provengan de la muestra, sólo lo penetra la componente dura de los rayos cósmicos y la radiación que emite el recubrimiento del detector, mientras que cuando el detector no está apenas blindado cobran importancia el resto de las fuentes naturales, dominando usualmente los rayos cósmicos el espectro de fondo.
El fondo que surge debido a la interacción de la radiación emitida por la muestra con los materiales que rodean al detector, que los convierte en emisores secundarios.
La muestra emite radiación que va a parar no sólo al detector de germanio, sino también a los materiales que le rodean, de modo que la interacción de la radiación con éstos da lugar a una radiación secundaria emitida por dichos materiales que en parte va a parar de nuevo al HPGe. Este fondo, que no se puede eliminar fácilmente como el anterior, suele afectar a la zona de energías bajas del espectro (por debajo de 0.6 MeV). Lo que se detecta son principalmente rayos gamma que han sufrido dispersión Compton con ángulos muy grandes (por tanto con energías tendiendo a la mínima), y rayos X asociados a procesos de absorción fotoeléctrica.
Una vez obtenido el espectro de fondo ya estamos en disposición de restarlo al de la muestra patrón, obteniendo un espectro limpio que ya podemos analizar.
(*) Para la resolución del formulario, ver las indicaciones que se adjuntan. Apéndice
(**) Los datos proporcionados están estructurados de manera que podemos encontrar un primer conjunto de datos en los que encontramos el tiempo durante el cual los espectros has sido tomados y un segundo, formado por dos columnas en las que la primera corresponde al Canal y la segunda, al número de Cuentas.