¿Qué es la espectroscopía gamma? Definición

La espectroscopía gamma es el estudio de los espectros de energía de las fuentes de rayos gamma, como en la industria nuclear y la investigación geoquímica. El espectro gamma es característico de los nucleidos emisores de gamma contenidos en la fuente. Dosimetría de radiación

En general, la espectroscopía es la ciencia del estudio de la interacción entre la materia y la energía radiada, mientras que la espectrometría es el método utilizado para adquirir una medición cuantitativa del espectro. La espectroscopia (scopy significa observación ) no genera ningún resultado. Es el enfoque teórico de la ciencia. La espectrometría (metry significa medición ) es la aplicación práctica donde se generan los resultados. Es la medición de la intensidad de la radiación utilizando un dispositivo electrónico. A menudo, estos términos se usan indistintamente, pero cada espectrometría no es espectroscopía (por ejemplo, espectrometría de masas vs.espectroscopía de masas)

Espectroscopía Gamma

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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.

Espectroscopía de rayos X

La espectroscopía de rayos X es un término general para varias técnicas espectroscópicas para la caracterización de materiales mediante el uso de la excitación por rayos X. Cuando un electrón de la capa interna de un átomo es excitado por la energía de un fotón, se mueve a un nivel de energía más alto. Dado que el proceso deja una  vacante  en el nivel de energía de los electrones del cual proviene el electrón, los electrones externos del átomo  caen en cascada  para llenar los niveles atómicos más bajos, y uno o más  rayos X característicos son generalmente emitidos Como resultado, aparecen picos de intensidad bruscos en el espectro a longitudes de onda que son características del material del que está hecho el objetivo anódico. Las frecuencias de los rayos X característicos se pueden predecir a partir del modelo de Bohr. El análisis del espectro de emisión de rayos X produce resultados cualitativos sobre la composición elemental de la muestra.

Espectrómetro de rayos gamma – Espectroscopio de rayos gamma

Como se escribió, el estudio y análisis de los espectros de rayos gamma para uso científico y técnico se llama espectroscopía gamma, y ​​los espectrómetros de rayos gamma son los instrumentos que observan y recopilan dichos datos. Un espectrómetro de rayos gamma (GRS) es un dispositivo sofisticado para medir la distribución de energía de la radiación gamma. Para la medición de rayos gamma por encima de varios cientos de keV, hay dos categorías de detectores de gran importancia, centelleadores inorgánicos como NaI (Tl) y detectores de semiconductores.. En los artículos anteriores, describimos la espectroscopía gamma utilizando un detector de centelleo, que 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 (gran tamaño y alta densidad) y las altas tasas de precisión y conteo que son posibles. Debido al alto número atómico de yodo, una gran cantidad de todas las interacciones dará como resultado la absorción completa de la energía de los rayos gamma, por lo que la fracción de la foto será alta.

Detector HPGe - Germanio
Detector HPGe con criostato LN2 Fuente: canberra.com

Pero si se requiere una resolución energética perfecta , tenemos que usar un detector basado en germanio , como el detector HPGe . Los detectores de semiconductores basados ​​en germanio se usan más comúnmente cuando se requiere una muy buena resolución de energía, especialmente para la espectroscopía gamma , así como la espectroscopía de rayos X. En la espectroscopía gamma, se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción con los rayos gamma. Además, el germanio tiene una energía promedio más baja necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio. Esto también proporciona a este último una mejor resolución en energía. El FWHM (ancho completo a la mitad como máximo) para los detectores de germanio es una función de la energía. Para un fotón de 1.3 MeV, el FWHM es 2.1 keV, que es muy bajo.

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.

esquema de descomposición de cobalto-60

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 a las energías más bajas, causada por la dispersión de Compton , dos picos de escape más pequeños a las energías 0.511 y 1.022 MeV debajo del fotopico para la creación de pares electrón-positrón cuando escapan uno o ambos fotones de aniquilación, 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.

Espectro del detector HPGe
Figura: Leyenda: Comparación de los espectros de NaI (Tl) y HPGe para cobalto-60. Fuente: Radioisótopos y Metodología de Radiación I, II. Soo Hyun Byun, Notas de la conferencia. Universidad McMaster, Canadá.

 

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 :

  • Compton edge de 60Co en el espectrómetro de gamma Na (Tl).
    Compton edge de 60Co en el espectrómetro de gamma Na (Tl).

    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.

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