¿Qué es la espectroscopia con el contador de centelleo? Definición

En general, la espectroscopía gamma es el estudio de los espectros de energía de las fuentes de rayos gamma, como en la industria nuclear, la investigación geoquímica y la astrofísica. Los espectroscopios, o espectrómetros, son dispositivos sofisticados diseñados para medir la distribución de potencia espectral de una fuente. La radiación incidente genera una señal que permite determinar la energía de la partícula incidente.

La mayoría de las fuentes radiactivas producen rayos gamma , que son de diversas energías e intensidades. Los rayos gamma acompañan frecuentemente  la emisión  de  radiación alfa  y  beta . Cuando estas emisiones se detectan y analizan con un sistema de espectroscopia, se puede producir un espectro de energía de rayos gamma . Rayos gamma de la desintegración radiactivaestán en el rango de energía de unos pocos keV a ~ 8 MeV, correspondiente a los niveles de energía típicos en núcleos con vidas razonablemente largas. Como se escribió, se producen por la descomposición de los núcleos a medida que pasan de un estado de alta energía a un estado más bajo. Un análisis detallado de este espectro se usa típicamente para determinar la identidad y la cantidad de emisores gamma presentes en una muestra, y es una herramienta vital en el ensayo radiométrico. El espectro gamma es característico de los nucleidos emisores de gamma contenidos en la fuente.

Espectrómetro de rayos gamma – Espectroscopio de rayos gamma

El espectroscopio gamma consiste en un cristal centelleador adecuado , un tubo fotomultiplicador y un circuito para medir la altura de los pulsos producidos por el fotomultiplicador. Las ventajas de un contador de centelleo son su eficiencia y la alta precisión y tasas de conteo posibles. Estos últimos atributos son consecuencia de la duración extremadamente corta de los destellos de luz, desde aproximadamente 10 ^-9 ( centelleadores orgánicos ) hasta 10 ^-6 ( centelleadores inorgánicos) segundos. La intensidad de los destellos y la amplitud del pulso de voltaje de salida son proporcionales a la energía de la radiación. Los pulsos se cuentan y se clasifican por su altura, produciendo una gráfica xy del brillo del destello del centelleador frente al número de destellos, que se aproxima al espectro de energía de la radiación incidente, con algunos artefactos adicionales. Un rayo gamma monoenergético produce un foto pico en su energía. El detector de centelleoTambién muestra una respuesta en las energías más bajas, causada por la dispersión de Compton, dos picos de escape más pequeños en las energías 0.511 y 1.022 MeV debajo del fotopico para la creación de pares de electrones-positrones cuando uno o ambos fotones de aniquilación escapan, y un pico de retrodispersión. Se pueden medir energías más altas cuando dos o más fotones golpean el detector casi simultáneamente, apareciendo como picos de suma con energías de hasta el valor de dos o más picos de foto añadidos.

Los espectrómetros basados ​​en centelleo tienen la ventaja de disponibilidad en gran tamaño y alta densidad, lo que puede dar como resultado altas probabilidades de interacción para los rayos gamma. Por otro lado, sus centelleadores de resolución energética son pobres, en comparación con los detectores de germanio de alta pureza. Los detectores de germanio son una mejor opción para la separación de energías gamma estrechamente espaciadas. La resolución energética típica de un buen sistema de germanio es de unas décimas de porcentaje en comparación con el 5-10% para el yoduro de sodio.

Estructura del espectro gamma: el espectro de cobalto-60

El análisis de los espectros gamma es muy interesante, ya que tiene una estructura y los trabajadores deben distinguir entre los pulsos verdaderos para analizar y los pulsos acompañantes de diferentes fuentes de radiación. Mostraremos la estructura del espectro gamma en el ejemplo de cobalto-60 medido por el detector de centelleo NaI (Tl) y por el detector HPGe. El detector HPGe permite la separación de muchas líneas gamma estrechamente espaciadas, lo cual es muy beneficioso para medir fuentes radiactivas que emiten múltiples rayos gamma.

El cobalto-60  es un isótopo radiactivo artificial de cobalto con una vida media de 5.2747 años . Se produce sintéticamente por activación de neutrones de cobalto-59 en reactores nucleares . El cobalto-60 es una fuente de calibración común que se encuentra en muchos laboratorios. El espectro gamma tiene dos picos significativos , uno a 1173.2 keV y otro a 1332.5 keV . Los buenos detectores de centelleo deben tener una resolución adecuada para separar los dos picos. Para los detectores HPGe , estos picos están perfectamente separados.

Como se puede ver en la figura, hay dos fotopicos de rayos gamma . Ambos detectores también muestran una respuesta en las energías más bajas, causada por la dispersión de Compton , dos picos de escape más pequeños en las energías 0.511 y 1.022 MeV debajo del fotopico para la creación de pares de electrones-positrones cuando uno o ambos fotones de aniquilación escapan, y un pico de retrodispersión . Se pueden medir energías más altas cuando dos o más fotones golpean el detector casi simultáneamente, apareciendo como picos de suma con energías de hasta el valor de dos o más picos de foto añadidos.

La estructura general del espectro de rayos gamma generalmente tiene las siguientes características principales :

• Los picos fotográficos son picos de energía completa, que se crean cuando los rayos γ transfieren su energía completa ( _unión hω −E ) al material sensible (cristal de centelleo o cristal de germanio). Se debe observar una sola función delta en el espectro. El espectro de cobalto-60 contiene dos fotopicos, uno a 1173.2 keV y otro a 1332.5 keV.
• Compton Continuum . En el cristal, un rayo gamma experimenta una serie de interacciones, pero para las energías intermedias domina la dispersión de compton. En la dispersión de compton, el fotón de rayos gamma incidente se desvía a través de un ángulo Θ con respecto a su dirección original. El fotón transfiere una parte de su energía al electrón de retroceso.. La energía transferida al electrón de retroceso puede variar de cero a una gran fracción (máximo E) de la energía de rayos gamma incidente, porque todos los ángulos de dispersión son posibles. El tamaño del cristal de centelleo cambia la relación entre el foto pico y el continuo de Compton. Para un detector esférico infinitamente grande centrado alrededor de una fuente, ningún fotón podría escapar y solo se vería un pico de foto en el espectro. Para detectores muy pequeños, la posibilidad de que un fotón se vaya después de la dispersión de Compton es alta y el continuo de Compton sería grande en comparación con el pico de la foto.
• Compton Edge . El borde de Compton es una característica del espectrógrafo que resulta de la dispersión de Compton en el centelleador o detector. Esta característica se debe a los fotones que sufren la dispersión de Compton con un ángulo de dispersión de 180 ° y luego escapan del detector. Cuando un rayo gamma se dispersa del detector y escapa, solo una fracción de su energía inicial puede depositarse en la capa sensible del detector. Depende del ángulo de dispersión del fotón, cuánta energía se depositará en el detector. Esto conduce a un espectro de energías. La energía del borde de Compton corresponde al fotón retrodispersado completo .  Los recuentos entre el borde de Compton y los fotopicos son causados ​​por múltiples eventos de dispersión de Compton, donde el fotón gamma disperso sale del material sensible.

A veces, la estructura del espectro de rayos gamma tiene las siguientes características secundarias :

• 

  Backscatter Peak . Un pico de retrodispersión de Compton se encuentra cuando los rayos γ ingresan al material alrededor del detector y se dispersan nuevamente dentro del detector. El fotón gamma puede interactuar mediante el mecanismo Compton en el escudo o en los materiales circundantes y se retrodispersa de un material a un volumen sensible. La energía fotónica máxima en esta interacción es ~ 200 keV independientemente de la energía fotónica inicial. Esto da como resultado un pico secundario a -200 keV.

• Picos de rayos X . Cuando los rayos gamma experimentan un efecto fotoeléctrico en los materiales circundantes (por ejemplo, blindaje de plomo), el detector puede capturar nuevamente los rayos X salientes. Esto proporciona un pico de rayos X característico con una energía que depende del material del que proviene. En caso de plomo, las energías de rayos X características están en el rango de 72-84 keV. Absorción fotoeléctrica por electrones K-shell en plomo de blindaje, lo que resulta en una vacante de K-shell. La transición K -> L para plomo = 72 keV. Si esta característica radiografía se absorbe en el cristal, se observa un pico secundario a 72 keV.
• Pico de coincidencia . Absorción simultánea de dos fotones gamma en cristal, lo que resulta en un pico más alto en energía que el foto pico. Los fotones gamma pueden ser el resultado de transiciones isoméricas seriales (por ejemplo, 2 keV más 1332.5 keV en el caso del cobalto-60) o desintegraciones simultáneas en radionucleidos separados (por ejemplo, 2 x 1173.2 keV en el caso del cobalto-60).
• Pico de aniquilación . Para los rayos gamma de alta energía (mayor de 1.02 MeV), la producción de pares de electrones-positrones es una posible interacción. Pero un positrón puede aniquilarse en el detector o en el material circundante. Si ambos fotones de aniquilación de 0,51 MeV se absorben en el cristal, se puede encontrar un pico secundario de 1,02 MeV por debajo del fotopico. Si se absorbe un fotón de aniquilación y el segundo sale del cristal, entonces se eliminan 0,51 MeV del fotopico, lo que da como resultado un pico secundario de 0,51 MeV por debajo del fotopico. La probabilidad es mayor de que se absorba un fotón de aniquilación.