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Lezione 2 Laboratorio e tecniche di misura della radioattività

Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia

Anno accademico 2007 – 2008

Lezione 2 Corso di laurea in Medicina e Chirurgia

ADE – a.a. 2007/8 2

I rivelatori di radiazione e

Come si fa una misura in laboratorio

La lezione di oggi

ADE – a.a. 2007/8 3

I rivelatori di radiazioneI rivelatori di radiazioneI rivelatori al Germanio iperpuroI rivelatori al Germanio iperpuro

La catena elettronicaLa catena elettronica

L’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuroL’analisi dati di un rivelatore al Germanio iperpuro

I rivelatori di radiazioneI rivelatori di radiazione

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Strumentazione e tecniche per la misura della radioattività

a. produzione di elettroni liberi e ioni, che possono essere fatti migrare lungo un campo elettrico e raccolti

Processi che avvengono nell’interazione radiazione ionizzante con la materia:

b. per ionizzazione o eccitazione si produce una lacuna che viene riempita da un elettrone con rilascio un fotone, di energia pari a quella di legame, che può essere nel visibile

c. una ionizzazione permanente induce un cambiamento dello stato chimico della sostanza che può essere misurato chimicamente

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Metodi di rivelazione

Conteggi di Fotoni (luce visibile) con scintillatori + fotomoltiplicatori

Speci chimiche alterate in materiali liquidio solidi

Elettroni e ioni con rivelatori a gasElettroni e lacune con semiconduttori

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Interazione - rivelatoreUn fotone che incide su un rivelatore può interagire in 3 modi:

1. effetto fotoelettrico

2. effetto Compton

3. produzione di coppie

Il rivelatore vede solo i prodotti elettricamente carichi di queste interazionielettroni

Gli elettroni ionizzano, creando coppie e/lacuna

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Effetto fotoelettricoIl fotone interagisce con un elettrone delle orbite più interne la cui energia di legame Eb è inferiore di quella del fotone h. Il fotone è assorbito e viene emesso un elettrone di energia:

bpe EhE

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Effetto ComptonIl fotone urta elasticamente un elettrone la cui energia di legame Eb è molto inferiore all’energia del fotone htrasferendogli parte della sua energia

h’ h

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Produzione di coppie Il fotone di energia energia h maggiore di 2 me = 1.02 MeV passa nelle vicinanze di un nucleo e si converte in una coppia e+e-

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Rivelatori a gas(ad esempio, camera a ionizzazione)

tensione tra gli elettrodi

geometria degli elettrodi

composizione e pressione del gas

Fattori che determinano il funzionamento:

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Rivelatori a semiconduttore (1)

Funzionano come una camera a ionizzazione a stato solido: la radiazione ionizzante interagisce con il volume sensibile del rivelatore e produce elettroni di ionizzazione e lacune segnale elettrico

Energia di ionizzazione media: 3.5 eV < energia di ionizzazione media del gas 35 eV a parità di energia rilasciata avrò più cariche rilasciate migliore precisione

ADE – a.a. 2007/8 12

Rivelatori a semiconduttore (2)

Si e Ge hanno 4 elettroni di valenza. Nel cristallo gli atomi sono disposti su un reticolo e uniti da legami di covalenza

L’assorbimento dell’energia della radiazione provoca la rottura dei legami con la creazione di coppie elettrone - lacuna

Elettroni e lacune si muovono liberamente nel cristallo

Connettendo il semiconduttore in un circuito si misurerà una corrente ai suoi capi

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I rivelatori di radiazione I rivelatori di radiazione I rivelatori al Germanio iperpuro (HPGe)I rivelatori al Germanio iperpuro (HPGe)

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Rivelatore al GermanioGeometria coassiale

Gli elettrodi sono la superficie esterna e l’asse del cilindro

Ottengo volumi sensibili di 1000 cm3

Posso anche avere una geometria a pozzo (well), che permette di inserire la sorgente dentro il rivelatore

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Rivelatore al GermanioGeometria coassiale

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Geometria coassiale: confronto tra vari rivelatori HPGe

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Rivelatore al Germanio e criostato

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Rivelatore al Germanio, Dewar e azoto (liquido)

T bassa (77 oK)

bassa corrente di fuga

Criostato

impurità, stabilità termica

Raffreddo il rivelatore con azoto liquido

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Risoluzione in energiaÈ la caratteristica fondamentale dei HPGe

Rivelatori di al Germanio

Meccanismi di rivelazione dei

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Interazione -HPGe

Un fotone che incide su un rivelatore può interagire in 3 modi:

1. effetto fotoelettrico

2. effetto Compton

3. produzione di coppie

Il rivelatore vede solo i prodotti elettricamente carichi di queste interazionielettroniGli elettroni ionizzano, creando coppie e/lacuna

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Interazione -HPGe (fotopicco - 1)

Un esempio di possibile interazione

incidente

effetto Compton (e- + )

fotoelettrico (e-)

produzione di coppie (e- + + )

ecc. ecc.

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Interazione -HPGe (fotopicco - 2)

... che equivale alla reazione

ossia ad un SINGOLO effetto fotoelettrico perchè è un evento TUTTO CONTENUTO all’interno del rivelatore nessun uscente

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Interazione -HPGe (Compton - 1)Un esempio di possibile interazione

se questo fosse uscito dal rivelatore senza fare fotoelettrico ...

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Interazione -HPGe (Compton - 2)

...sarebbe stato equivalente alla reazione...

...ossia ad un SINGOLO effetto Compton con il uscente, perchè è un evento NON CONTENUTO all’interno del rivelatore almeno 1 uscente

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Sezioni d’urto -Ge (probabilità di interazione del fotone in funzione della

sua energia in un materiale)

fotoelettrico

Comptonproduzione di coppie

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Schema di decadimento del 137Cs

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Spettro multicanale di 137Cs

1 solo fotopicco (663 keV)

Compton multipli all’interno del rivelatore

Spalla Compton (continuo), nel rivelatore e nello schermo

Picco di backscattering dalla schermatura

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Spettro multicanale di 88Y

2 fotopicchi (898 e 1836 keV)

picco di fuga semplice o single escape (1 della produzione di coppie scappa)

ESE=EPE-511keV

picco di fuga doppio o double escape (2 della produzione di coppie scappano)

EDE=EPE-1022keV

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I rivelatori di radiazione I rivelatori di radiazione I rivelatori al Germanio iperpuroI rivelatori al Germanio iperpuro

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Catena elettronica

Devo registrare il segnale creato nel rivelatore

rivelatore preampli shaper multicanale (MCA)

Scopo della catena elettronica è:

amplificare il segnale uscente dal rivelatore

non aggiungere rumore o introdurre distorsioni

Memorizzare il segnale su computer per l’analisi successiva

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I rivelatori di radiazione gI rivelatori di radiazione g

I rivelatori al Germanio iperpuroI rivelatori al Germanio iperpuro

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Analisi dati HPGe: generalità

Scopo:

misurare l’attività e riconoscere il nuclide in un campione

Mezzo:

spettro di multicanale (MultiChannel Analyser, MCA) +

correzioni opportune +

identificazione nuclide e misura attività

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Analisi dati HPGe: significato di uno spettro MCA

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 E(keV)

#eventi

nel tempo t di misura

ho rivelato N fotoni (eventi) con 5 keV<E<7 keV

ADE – a.a. 2007/8 35

Caratteristiche EG&G GMX

n-type HPGe

tensione di lavoro: -4800 V

area attiva nominale: 120 cm2

efficienza relativa al fotopicco: 25%

risoluzione a 5.9 keV (55Fe): 740 eV

risoluzione a 1.33 MeV (60Co): 1.95 keV

rapporto fotopicco-Compton 47:1

finestra d’ingresso in Berillio

range utile di energia 3keV-10MeV

volume di circa 120 cc

La misura dell’attività con un HPGe

ADE – a.a. 2007/8 37

Calcolo dell’attività

R: rateo di emissione per una riga

P: branching ratio per la riga

N: # di eventi nel fotopicco

: efficienza all’energia della riga

C: correzioni varie (autoassorbimento, geometria,...)

T: live time

Calibrazioni di un HPGe

ADE – a.a. 2007/8 39

Procedure di calibrazione

Voglio/devo calibrare il rivelatore in: Energia corrispondenza tra segnale raccolto ed energia

del fotone incidente Efficienza quanti conteggi ottengo con una sorgente di

una certa attività analizzata per un certo tempo

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Sorgente di calibrazione

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Spettro di calibrazione

Analisi di spettri MCA

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Analisi dello spettro

Decido i nuclidi che voglio misurare nel campione e analizzo lo spettro di MCA, nel quale mi devo aspettare di trovare:

i fotopicchi dei nuclidi che cerco i fotopicchi del fondo picco a 511 keV dovuto a creazione di coppie Picchi di fuga (semplice e/o doppio)

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Spettro del fondo (1)

con schermo di Pb

senza schermo di Pb

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Spettro del fondo (2)

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I picchi somma

Sono ottenuti quando 2 incidono sul rivelatore insieme (t~)

Posso ottenere: fotopicco+fotopicco fotopicco+Compton Compton+Compton

Un caso tipico lo ottengo con una sorgente (tipo 60Co) che per ogni decadimento produce 2

grande branching ratio

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Picco di fuga singolo e doppio

Se il incidente ha energia sufficiente per fare una creazione di coppie, può succedere che 1 o 2 dei di annichilazione del e+ esca dal rivelatore senza interagire.

Ottengo: Picco di fuga singolo: Efotopicco - 0.511 MeV

Picco di fuga doppio: Efotopicco - 1.022 MeV

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La schermatura

Schermo il rivelatore da fonti esterne di rumore (pareti, mobili, aria, raggi cosmici,...)

Per attenuare i posso usare Pb, che con 5 cm mi attenua di un fattore:

Energia 0.5 MeV 1.0 1.5 3

Attenuazione 9500 56 19 11

Metto lo schermo lontano dal rivelatore per ridurre la probabilità che un faccia Compton sullo schermo e finisca sul rivelatoreSchermo gli X-Pb (12 e 80 keV) con CdSchermo gli X-Cd con CuPosso anche avere 210Pb, 210Bi, 60Co, 137Cs

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Un’analisi in laboratorio

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Scelta del campione da analizzareDeve poter essere messo in un Marinelli

Omogeneo

Sospetto che contenga qualcosa

Lo confronto con un campione di controllo

Lo raccolgo senza perturbarlo troppo

Non dimentico l’equilibrio secolare

ADE – a.a. 2007/8 52

Preparazione della misura

Decido quale elemento voglio misurare

Guardo che sia rivelabile

Controllo i suoi parenti

Calibro il rivelatore

Decido la durata della misura

Non dimentico il fondo

ADE – a.a. 2007/8 53

La misura

Preparo il Marinelli

Metto il campione in misura

Controllo il tempo morto

Decido quanto dovrà stare in misura il campione

Aspetto…. preparando la libreria dei nuclidi

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L’analisi

Controllo bene lo spettro: Fotopicco Escape peak X-rays Fondo

Misuro l’attività

ADE – a.a. 2007/8 55

Cosa è stato misurato negli anni passati ?

Terra (Verbania, Caluso, Torre Pellice, Lanzo, Roero, Ceresole, Cavoretto)

Sabbia zirconifera

Filtri aria 86

Cemento

Olio esausto

Licheni

Foglie (Robinia 86, incognite 96)

Caffe’ (Lavazza, Sarajevo)

Vino (Dolcetto 87, Vercelli 96, Pecetto 97)

Succo di frutta (Nipiol, Tropical)

Acqua (Po prima e dopo Molinette, Viverone, Sangone prima e dopo S.Luigi, rubinetto, Finlandia, Saluggia)

Acqua minerale (Sangemini, Boario)

Miele (88, 96)

Farina

Pesce (sardine, merluzzo)

Camice di un radiologo

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I rivelatori di radiazione gI rivelatori di radiazione g

I rivelatori al Germanio iperpuroI rivelatori al Germanio iperpuro

I rivelatori di radiazione I rivelatori di radiazione

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Surface Barrier Si: generalità

I rivelatori di Si a T ambiente sono quasi ideali per la rivelazione di particelle cariche

Sono robusti, economici, facili da usare

OK su un grande range di E (da e- di 20 keV a di 200 MeV

Sono veloci (~1ns)

e’ virtualmente 100%

Li trovo in qualunque forma/geometria

ADE – a.a. 2007/8 58

Wafer di Si

Qualunque varieta’ di geometria

ADE – a.a. 2007/8 59

Range delle particelle cariche

Con rivelatori di 10 m riesco a misurare ioni di 1 MeV

ADE – a.a. 2007/8 60

Setup sperimentale

Il silicio è alloggiato in una camera a vuoto

ADE – a.a. 2007/8 61

I rivelatori

Hanno aree sensibili di

25-3000 mm2

Sono alloggiati dentro il modulo a vuoto

Normalmente sono sensibili alla luce

ADE – a.a. 2007/8 62

Preparazione esperimento

Uso il setup standard per spettroscopia

ADE – a.a. 2007/8 63

Posizionamento campione

Devo tener conto del fattore 1/R2 quando posiziono i campioni da analizzare

angolo solido visto dal rivelatore

Metto la sorgente nella camera a vuotoFaccio il vuoto(100 mTorr)

ADE – a.a. 2007/8 64

Lo spettro di 241Am

3 picchi a 5.486 MeV 5.443 MeV5.380 MeV

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Lo spettro del 252Cf

Spettro di fissione

Surface Barrier Si detectors:precauzioni varie

ADE – a.a. 2007/8 67

Allargamento della Larghezza a Metà Altezza

(Full Width Half Maximum, FWHM)

Avvicino molto la sorgente al rivelatore

L’angolo di incidenza massimo aumenta e lo spessore visto dallo ione aumenta

Ho un allargamento della FWHM (energy straggling)

ADE – a.a. 2007/8 68

Spessore in energia della sorgente

La sorgente è normalmente un dischetto di plastica, con depositata sopra la sostanza radioattiva

Dato il range delle , anche lo spessore del materiale radioattivo provoca un autoassorbimento

Proporzionale allo spessore

Surface barrier Si: esperimenti

ADE – a.a. 2007/8 70

Attività assoluta di una sorgente

Ho un rivelatore con una efficienza del 100%

Posso quindi misurare l’attività di una sorgente dalla:

s= distanza sorgente-rivelatorer= raggio rivelatore

alphapiccoattivita

ADE – a.a. 2007/8 71

Rapporto tra i modi di decadimento di 241Am

Se ho abbastanza risoluzione in energia posso vedere i 3 modi di decadimento: 5.476 MeV 5.433 MeV 5.378 MeV

Verifico le branching ratios: 84.4% 13.6% 1.4%

ADE – a.a. 2007/8 72

Misura della dE/dx

Metto la sorgente nel portacampione

Misuro lo spettro e calibro in E

NON sposto la sorgente

Misuro l’energia residua delle interponendo vari spessori tra sorgente e rivelatore

Questo mi da una misura della dE/dx nel materiale

Posso confrontarlo con le tabelle Energia-Range

ADE – a.a. 2007/8 73

Tabella Range-Energia per

Cu)=8.96 g/cm3

Range(5MeV) = 9.1(mg/cm2)/(8.96g/cm3) = 10.2 m

ADE – a.a. 2007/8 74

Posso misurare la radioattività in matrici ambientali con un rivelatore al Germanio

... e ora si va in laboratorio a provare ...

Riassumendo

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