La espectroscopia de rayos gamma es el estudio cualitativo de los espectros de energía de fuentes de rayos gamma , como en la industria nuclear, la investigación geoquímica y la astrofísica. [1] La espectrometría de rayos gamma , por otro lado, es el método utilizado para adquirir una medición de espectro cuantitativa . [2]
La mayoría de las fuentes radiactivas producen rayos gamma de distintas energías e intensidades. Cuando se detectan y analizan estas emisiones con un sistema espectroscópico, se puede generar un espectro de energía de rayos gamma.
Un análisis detallado de este espectro se utiliza normalmente para determinar la identidad y la cantidad de emisores gamma presentes en una fuente gamma, y es una herramienta vital en el ensayo radiométrico. El espectro gamma es característico de los nucleidos emisores gamma contenidos en la fuente, al igual que en un espectrómetro óptico , el espectro óptico es característico del material contenido en una muestra.
Los rayos gamma son la forma de radiación electromagnética de mayor energía , siendo físicamente iguales a todas las demás formas (por ejemplo, rayos X , luz visible, infrarrojos, radio) pero teniendo (en general) una energía fotónica más alta debido a su longitud de onda más corta. Debido a esto, la energía de los fotones de rayos gamma se puede resolver individualmente, y un espectrómetro de rayos gamma puede medir y mostrar las energías de los fotones de rayos gamma detectados.
Los núcleos radiactivos ( radionucleidos ) suelen emitir rayos gamma en el rango de energía de unos pocos keV a ~10 MeV , correspondientes a los niveles de energía típicos en núcleos con tiempos de vida razonablemente largos. Estas fuentes suelen producir "espectros de línea" de rayos gamma (es decir, muchos fotones emitidos a energías discretas ), mientras que pueden producirse energías mucho más altas (más de 1 TeV ) en los espectros continuos observados en astrofísica y física de partículas elementales. La diferencia entre rayos gamma y rayos X es algo borrosa. Los rayos gamma surgen de transiciones entre niveles de energía nuclear y son monoenergéticos, mientras que los rayos X están relacionados con transiciones entre niveles de energía atómica ( rayos X característicos , que son monoenergéticos), o se generan eléctricamente (tubo de rayos X, acelerador lineal) y tienen un amplio rango de energía. [3]
Los componentes principales de un espectrómetro gamma son el detector de radiación sensible a la energía y los dispositivos electrónicos que analizan las señales de salida del detector, como un clasificador de pulsos (es decir, un analizador multicanal ). Los componentes adicionales pueden incluir amplificadores de señal, medidores de velocidad, estabilizadores de posición de pico y dispositivos de manejo de datos.
Los detectores de espectroscopia gamma son materiales pasivos que pueden interactuar con los rayos gamma entrantes. Los mecanismos de interacción más importantes son el efecto fotoeléctrico , el efecto Compton y la producción de pares . A través de estos procesos, la energía del rayo gamma se absorbe y se convierte en una señal de voltaje detectando la diferencia de energía antes y después de la interacción [ cita requerida ] (o, en un contador de centelleo , los fotones emitidos utilizando un fotomultiplicador ). El voltaje de la señal producida es proporcional a la energía del rayo gamma detectado. Los materiales detectores comunes incluyen contadores de centelleo de yoduro de sodio (NaI) y detectores de germanio de alta pureza .
Para determinar con precisión la energía del rayo gamma, es ventajoso que se produzca el efecto fotoeléctrico, ya que absorbe toda la energía del rayo incidente. La absorción de toda la energía también es posible cuando una serie de estos mecanismos de interacción tienen lugar dentro del volumen del detector. Con la interacción Compton o la producción de pares, una parte de la energía puede escapar del volumen del detector, sin ser absorbida. La energía absorbida da lugar así a una señal que se comporta como una señal de un rayo de menor energía. Esto conduce a una característica espectral que se superpone a las regiones de menor energía. El uso de volúmenes de detector más grandes reduce este efecto. Los métodos más sofisticados para reducir este efecto incluyen el uso de escudos de supresión Compton y el empleo de detectores segmentados con add-back (véase: clover (detector) ). [4]
Los pulsos de voltaje producidos por cada rayo gamma que interactúa dentro del volumen del detector son analizados por un analizador multicanal (MCA). En el MCA, un amplificador de modelado de pulsos toma la señal de voltaje transitorio y la transforma en una forma gaussiana o trapezoidal . A partir de esta forma, la señal se convierte a una forma digital, utilizando un convertidor analógico a digital (ADC) rápido . En los nuevos sistemas con un ADC de muy alta tasa de muestreo, la conversión analógica a digital se puede realizar sin remodelación.
La lógica adicional en el MCA realiza entonces un análisis de altura de pulso , clasificando los pulsos por su altura en contenedores específicos o canales . Cada canal representa un rango específico de energía en el espectro, la cantidad de señales detectadas para cada canal representa la intensidad espectral de la radiación en este rango de energía. Al cambiar la cantidad de canales, es posible ajustar con precisión la resolución espectral y la sensibilidad . [5]
El MCA puede enviar sus datos a una computadora, que los almacena, los muestra y los analiza más a fondo. Hay una variedad de paquetes de software disponibles de varios fabricantes, y generalmente incluyen herramientas de análisis de espectro como calibración de energía (conversión de contenedores a energías), cálculo del área de pico y área neta, y cálculo de resolución. [6]
Una tarjeta de sonido USB puede servir como un conversor analógico-digital económico y comercial , una técnica iniciada por Marek Dolleiser. Un software informático especializado realiza un análisis de la altura de pulso en la forma de onda digitalizada, formando un MCA completo. [7] Las tarjetas de sonido tienen chips conversores analógico-digitales de alta velocidad pero baja resolución (hasta 192 kHz), lo que permite una calidad razonable para una tasa de conteo baja a media. [8] El "espectrómetro de tarjeta de sonido" se ha perfeccionado aún más en círculos amateur y profesionales. [9] [10]
Los sistemas de espectroscopia gamma se seleccionan para aprovechar varias características de rendimiento. Dos de las más importantes son la resolución y la eficiencia del detector.
Los rayos gamma detectados en un sistema espectroscópico producen picos en el espectro. Estos picos también pueden llamarse líneas por analogía con la espectroscopia óptica. El ancho de los picos está determinado por la resolución del detector, una característica muy importante de los detectores espectroscópicos gamma, y la alta resolución permite al espectroscopista separar dos líneas gamma que están cerca una de la otra. Los sistemas de espectroscopia gamma están diseñados y ajustados para producir picos simétricos de la mejor resolución posible. La forma del pico suele ser una distribución gaussiana . En la mayoría de los espectros, la posición horizontal del pico está determinada por la energía del rayo gamma, y el área del pico está determinada por la intensidad del rayo gamma y la eficiencia del detector.
La cifra más común que se utiliza para expresar la resolución del detector es el ancho total a la mitad del máximo (FWHM). Este es el ancho del pico de rayos gamma en la mitad del punto más alto de la distribución de picos. Las cifras de resolución de energía se dan con referencia a energías de rayos gamma específicas. La resolución se puede expresar en términos absolutos (es decir, eV o MeV) o relativos. Por ejemplo, un detector de yoduro de sodio (NaI) puede tener un FWHM de 9,15 keV a 122 keV y de 82,75 keV a 662 keV. Estos valores de resolución se expresan en términos absolutos. Para expresar la resolución de energía en términos relativos, el FWHM en eV o MeV se divide por la energía del rayo gamma y generalmente se muestra como porcentaje. Usando el ejemplo anterior, la resolución del detector es 7,5% a 122 keV y 12,5% a 662 keV. Una resolución típica de un detector de germanio coaxial es de aproximadamente 2 keV a 1332 keV, lo que produce una resolución relativa del 0,15%.
No todos los rayos gamma emitidos por la fuente que pasan a través del detector producirán un recuento en el sistema. La probabilidad de que un rayo gamma emitido interactúe con el detector y produzca un recuento es la eficiencia del detector. Los detectores de alta eficiencia producen espectros en menos tiempo que los detectores de baja eficiencia. En general, los detectores más grandes tienen mayor eficiencia que los detectores más pequeños, aunque las propiedades de protección del material del detector también son factores importantes. La eficiencia del detector se mide comparando un espectro de una fuente de actividad conocida con las tasas de recuento en cada pico con las tasas de recuento esperadas a partir de las intensidades conocidas de cada rayo gamma.
La eficiencia, al igual que la resolución, se puede expresar en términos absolutos o relativos. Se utilizan las mismas unidades (es decir, porcentajes); por lo tanto, el espectroscopista debe tener cuidado de determinar qué tipo de eficiencia se está dando para el detector. Los valores de eficiencia absoluta representan la probabilidad de que un rayo gamma de una energía específica que pasa a través del detector interactúe y sea detectado. Los valores de eficiencia relativa se utilizan a menudo para los detectores de germanio y comparan la eficiencia del detector a 1332 keV con la de un detector de NaI de 3 pulgadas × 3 pulgadas (es decir, 1,2 × 10 −3 cp s / Bq a 25 cm). Por lo tanto, se pueden encontrar valores de eficiencia relativa superiores al cien por ciento cuando se trabaja con detectores de germanio muy grandes.
La energía de los rayos gamma que se detectan es un factor importante en la eficiencia del detector. Se puede obtener una curva de eficiencia al trazar la eficiencia a varias energías. Esta curva se puede utilizar para determinar la eficiencia del detector a energías diferentes de las utilizadas para obtener la curva. Los detectores de germanio de alta pureza (HPGe) suelen tener una mayor sensibilidad.
Los detectores de centelleo utilizan cristales que emiten luz cuando los rayos gamma interactúan con los átomos de los cristales. La intensidad de la luz producida suele ser proporcional a la energía depositada en el cristal por el rayo gamma; una situación bien conocida en la que esta relación falla es la absorción de radiación < 200 keV por detectores de yoduro de sodio intrínseco y dopado. El mecanismo es similar al de un dosímetro termoluminiscente . Los detectores están unidos a fotomultiplicadores ; un fotocátodo convierte la luz en electrones; y luego, mediante el uso de dínodos para generar cascadas de electrones a través de la producción de rayos delta, se amplifica la señal. Los centelleadores comunes incluyen el yoduro de sodio dopado con talio ( NaI(Tl)), a menudo simplificado a detectores de yoduro de sodio (NaI) , y el germanato de bismuto (BGO). Debido a que los fotomultiplicadores también son sensibles a la luz ambiental, los centelleadores están recubiertos con cubiertas herméticas a la luz.
Los detectores de centelleo también se pueden utilizar para detectar la radiación alfa y beta .
El yoduro de sodio dopado con talio (NaI(Tl)) tiene dos ventajas principales:
El NaI(Tl) también es cómodo de usar, lo que lo hace popular para aplicaciones de campo como la identificación de materiales desconocidos para fines de aplicación de la ley.
La recombinación de electrones y huecos emitirá luz que puede volver a excitar los cristales de centelleo puros; sin embargo, el dopante de talio en NaI(Tl) proporciona estados de energía dentro del intervalo de banda entre las bandas de conducción y valencia. Después de la excitación en cristales de centelleo dopados, algunos electrones en la banda de conducción migrarán a los estados activadores; las transiciones descendentes desde los estados activadores no volverán a excitar el cristal dopado, por lo que el cristal es transparente a esta radiación.
Un ejemplo de espectro de NaI es el espectro gamma del isótopo de cesio .137
Cs
— ver Figura 1 .137
Cs
emite una única línea gamma de 662 keV. La línea de 662 keV que se muestra en realidad se produce por137 m
Licenciado en Letras
, el producto de desintegración de137
Cs
, que está en equilibrio secular con137
Cs
.
El espectro de la Figura 1 se midió utilizando un cristal de NaI en un fotomultiplicador, un amplificador y un analizador multicanal. La figura muestra la cantidad de conteos dentro del período de medición en función del número de canal. El espectro indica los siguientes picos (de izquierda a derecha):
La distribución Compton es una distribución continua que está presente hasta el canal 150 en la Figura 1. La distribución surge debido a que los rayos gamma primarios experimentan dispersión Compton dentro del cristal: dependiendo del ángulo de dispersión, los electrones Compton tienen diferentes energías y, por lo tanto, producen pulsos en diferentes canales de energía.
Si hay muchos rayos gamma presentes en un espectro, las distribuciones Compton pueden presentar desafíos de análisis. Para reducir los rayos gamma, se puede utilizar un escudo de anticoincidencia; consulte supresión Compton . Las técnicas de reducción de rayos gamma son especialmente útiles para detectores pequeños de germanio dopado con litio (Ge(Li)).
El espectro gamma que se muestra en la Figura 2 es del isótopo cobalto .60
Co
, con dos rayos gamma de 1,17 MeV y 1,33 MeV respectivamente. ( Véase el artículo sobre el esquema de desintegración para el esquema de desintegración del cobalto-60 ). Las dos líneas gamma se pueden ver bien separadas; el pico a la izquierda del canal 200 probablemente indica una fuente de radiación de fondo fuerte que no se ha restado. Se puede ver un pico de retrodispersión cerca del canal 150, similar al segundo pico de la Figura 1.
Los sistemas de yoduro de sodio, como todos los sistemas de centelleo, son sensibles a los cambios de temperatura. Los cambios en la temperatura de funcionamiento provocados por cambios en la temperatura ambiental desplazarán el espectro en el eje horizontal. Se observan comúnmente desplazamientos de pico de decenas de canales o más. Dichos desplazamientos se pueden evitar utilizando estabilizadores de espectro.
Debido a la baja resolución de los detectores basados en NaI, no son adecuados para la identificación de mezclas complejas de materiales que producen rayos gamma. Los escenarios que requieren tales análisis requieren detectores con mayor resolución.
Los detectores de semiconductores , también llamados detectores de estado sólido, son fundamentalmente diferentes de los detectores de centelleo: se basan en la detección de los portadores de carga (electrones y huecos) generados en los semiconductores por la energía depositada por los fotones de rayos gamma.
En los detectores de semiconductores, se aplica un campo eléctrico al volumen del detector. Un electrón en el semiconductor se fija en su banda de valencia en el cristal hasta que una interacción de rayos gamma proporciona al electrón suficiente energía para moverse a la banda de conducción . Los electrones en la banda de conducción pueden responder al campo eléctrico en el detector y, por lo tanto, moverse al contacto positivo que está creando el campo eléctrico. El espacio creado por el electrón en movimiento se llama "agujero" y se llena con un electrón adyacente. Esta mezcla de agujeros mueve efectivamente una carga positiva al contacto negativo. La llegada del electrón al contacto positivo y el agujero al contacto negativo produce la señal eléctrica que se envía al preamplificador, el MCA, y a través del sistema para su análisis. El movimiento de electrones y agujeros en un detector de estado sólido es muy similar al movimiento de iones dentro del volumen sensible de los detectores llenos de gas, como las cámaras de ionización .
Los detectores comunes basados en semiconductores incluyen germanio , telururo de cadmio y telururo de cadmio y zinc .
Los detectores de germanio proporcionan una resolución energética significativamente mejorada en comparación con los detectores de yoduro de sodio, como se explicó en el análisis anterior sobre la resolución. Los detectores de germanio producen la resolución más alta disponible en la actualidad. Sin embargo, una desventaja es el requisito de temperaturas criogénicas para el funcionamiento de los detectores de germanio, generalmente mediante enfriamiento con nitrógeno líquido .
En una configuración de detector real, algunos fotones pueden y experimentarán uno o potencialmente más procesos de dispersión Compton (por ejemplo, en el material de la carcasa de la fuente radiactiva, en el material de protección o en el material que rodea el experimento) antes de ingresar al material del detector. Esto conduce a una estructura de pico que se puede ver en el espectro de energía que se muestra arriba.137
Cs
(Figura 1, el primer pico a la izquierda del borde Compton), el llamado pico de retrodispersión. La forma detallada de la estructura del pico de retrodispersión está influenciada por muchos factores, como la geometría del experimento (geometría de la fuente, posición relativa de la fuente, protección y detector) o el tipo de material circundante (lo que da lugar a diferentes proporciones de las secciones transversales del efecto fotoeléctrico y del efecto Compton).
El principio básico, sin embargo, es el siguiente:
El pico de retrodispersión suele aparecer amplio y se produce a menos de 250 keV. [12] [13]
Para energías de fotones incidentes E mayores que dos veces la masa en reposo del electrón (1,022 MeV), puede ocurrir la producción de pares . El positrón resultante se aniquila con uno de los electrones circundantes, produciendo típicamente dos fotones con 511 keV. En un detector real (es decir, un detector de tamaño finito) es posible que después de la aniquilación:
El espectro de fuente Am-Be anterior muestra un ejemplo de pico de escape simple y doble en una medición real.
Si se utiliza un espectrómetro gamma para identificar muestras de composición desconocida, primero se debe calibrar su escala de energía. La calibración se realiza utilizando los picos de una fuente conocida, como cesio-137 o cobalto-60. Como el número de canal es proporcional a la energía, la escala de canal se puede convertir a una escala de energía. Si se conoce el tamaño del cristal del detector, también se puede realizar una calibración de intensidad, de modo que no solo se puedan determinar las energías sino también las intensidades de una fuente desconocida (o la cantidad de un isótopo determinado en la fuente).
Debido a que hay radiactividad en todas partes (es decir, radiación de fondo ), el espectro debe analizarse cuando no hay ninguna fuente presente. Luego, la radiación de fondo debe restarse de la medición real. Se pueden colocar absorbentes de plomo alrededor del aparato de medición para reducir la radiación de fondo.
Marek trabaja en la Universidad de Sydney con estudiantes de física de tercer año y desarrolló PRA como una herramienta educativa para sus estudiantes.
