O que é espectroscopia gama – definição

A espectroscopia gama é o estudo dos espectros de energia das fontes de raios gama, como na indústria nuclear e na investigação geoquímica. O espectro gama é característico dos nuclídeos emissores gama contidos na fonte. Dosimetria de Radiação

Em geral, a espectroscopia é a ciência do estudo da interação entre matéria e energia irradiada, enquanto a espectrometria é o método usado para adquirir uma medida quantitativa do espectro. A espectroscopia (scopy significa observação ) não gera nenhum resultado. É a abordagem teórica da ciência. A espectrometria ( medição de meios de medição ) é a aplicação prática em que os resultados são gerados. É a medida da intensidade da radiação usando um dispositivo eletrônico. Frequentemente, esses termos são usados ​​de forma intercambiável, mas toda espectrometria não é espectroscopia (por exemplo, espectrometria de massa vs.espectroscopia de massa)

Espectroscopia gama

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Em geral, a espectroscopia gama é o estudo dos espectros de energia de fontes de raios gama, como na indústria nuclear, investigação geoquímica e astrofísica. Espectroscópios, ou espectrômetros, são dispositivos sofisticados projetados para medir a distribuição espectral de potência de uma fonte. A radiação incidente gera um sinal que permite determinar a energia da partícula incidente.

A maioria das fontes radioativas produz raios gama , que são de várias energias e intensidades. Os raios gama frequentemente  acompanham a emissão  de  radiação alfa  e  beta . Quando essas emissões são detectadas e analisadas com um sistema de espectroscopia, um espectro de energia de raios gama pode ser produzido. Raios gama de decaimento radioativoestão na faixa de energia de alguns keV a ~ 8 MeV, correspondendo aos níveis típicos de energia nos núcleos com vida útil razoavelmente longa. Como foi escrito, eles são produzidos pela decomposição dos núcleos à medida que passam de um estado de alta energia para um estado inferior. Uma análise detalhada desse espectro é normalmente usada para determinar a identidade e a quantidade de emissores gama presentes em uma amostra e é uma ferramenta vital no ensaio radiométrico. O espectro gama é característico dos nuclídeos emissores gama contidos na fonte.

Espectroscopia de Raios-X

A espectroscopia de raios-X é um termo geral para várias técnicas espectroscópicas para caracterização de materiais usando excitação de raios-x. Quando um elétron da camada interna de um átomo é excitado pela energia de um fóton, ele se move para um nível de energia mais alto. Como o processo deixa uma  lacuna  no nível de energia eletrônica de onde o elétron veio, os elétrons externos do átomo  caem em cascata  para preencher os níveis atômicos mais baixos e um ou mais  raios-X característicos geralmente são emitidos. Como resultado, picos de intensidade acentuados aparecem no espectro em comprimentos de onda que são uma característica do material a partir do qual o alvo do ânodo é feito. As frequências dos raios X característicos podem ser previstas a partir do modelo de Bohr. A análise do espectro de emissão de raios-X produz resultados qualitativos sobre a composição elementar da amostra.

Espectrômetro de Raios Gama – Espectroscópio de Raios Gama

Como foi escrito, o estudo e a análise de espectros de raios gama para uso científico e técnico são chamados espectroscopia gama, e os espectrômetros de raios gama são os instrumentos que observam e coletam esses dados. Um espectrômetro de raios gama (GRS) é um dispositivo sofisticado para medir a distribuição de energia da radiação gama. Para a medição de raios gama acima de várias centenas de keV, existem duas categorias de detectores de grande importância: cintiladores inorgânicos como NaI (Tl) e detectores semicondutores. Nos artigos anteriores, descrevemos a espectroscopia gama usando um detector de cintilação, que consiste em um cristal cintilador adequado, um tubo fotomultiplicador e um circuito para medir a altura dos pulsos produzidos pelo fotomultiplicador. As vantagens de um contador de cintilação são sua eficiência (tamanho grande e alta densidade) e as altas taxas de precisão e contagem possíveis. Devido ao alto número atômico de iodo, um grande número de todas as interações resultará na absorção completa da energia dos raios gama, de modo que a fração fotográfica será alta.

Detector HPGe - Germânio
Detector HPGe com criostato LN2 Fonte: canberra.com

Mas, se for necessária uma resolução perfeita de energia , precisamos usar um detector à base de germânio , como o detector HPGe . Os detectores de semicondutores à base de germânio são mais comumente usados ​​onde é necessária uma resolução de energia muito boa, especialmente para espectroscopia gama , bem como espectroscopia de raios-x. Na espectroscopia gama, o germânio é preferido devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e aumentar a probabilidade de interação com raios gama. Além disso, o germânio possui menor energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios, que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio. Isso também fornece ao último uma melhor resolução em energia. O FWHM (largura total na metade do máximo) para detectores de germânio é uma função da energia. Para um fóton de 1,3 MeV, o FWHM é de 2,1 keV, o que é muito baixo.

Estrutura do espectro gama – O espectro de cobalto-60

A análise dos espectros gama é muito interessante, uma vez que possui uma estrutura e os trabalhadores devem distinguir entre pulsos verdadeiros a serem analisados ​​e pulsos acompanhantes de diferentes fontes de radiação. Mostraremos a estrutura do espectro gama no exemplo de cobalto-60 medido pelo detector de cintilação NaI (Tl) e pelo detector HPGe. O detector HPGe permite a separação de muitas linhas gama estreitamente espaçadas, o que é muito benéfico para medir fontes radioativas emissoras de várias gamas.

esquema de decaimento cobalto-60

O cobalto-60  é um isótopo radioativo artificial de cobalto com uma meia-vida de 5,2747 anos . É produzido sinteticamente pela ativação de cobalto-59 em nêutrons em reatores nucleares . O cobalto-60 é uma fonte de calibração comum encontrada em muitos laboratórios. O espectro gama tem dois picos significativos , um em 1173,2 keV e outro em 1332,5 keV . Bons detectores de cintilação devem ter resolução adequada para separar os dois picos. Para os detectores HPGe , esses picos são perfeitamente separados.

Como pode ser visto na figura, existem dois fotopicos de raios gama . Ambos os detectores também mostram resposta nas energias mais baixas, causadas pelo espalhamento de Compton , dois picos de escape menores nas energias 0,511 e 1,022 MeV abaixo do fotopico para a criação de pares elétron-pósitron quando um ou ambos os fótons de aniquilação escapam e um pico de retroespalhamento . Energias mais altas podem ser medidas quando dois ou mais fótons atingem o detector quase simultaneamente, aparecendo como picos de soma com energias até o valor de dois ou mais fotopicos adicionados.

Espectro do detector HPGe
Figura: Legenda: Comparação dos espectros de NaI (Tl) e HPGe para o cobalto-60. Fonte: Radioisótopos e metodologia de radiação I, II. Soo Hyun Byun, notas de aula. Universidade McMaster, Canadá.

 

A estrutura geral do espectro de raios gama geralmente possui as seguintes características principais :

  • Os fotopicos são picos de energia total criados quando o raio γ transfere sua energia total ( ligação hω-E ) para o material sensível (cristal de cintilação ou cristal de germânio). O espectro de cobalto-60 contém dois fotopicos, um a 1173,2 keV e outro a 1332,5 keV.
  • Compton Continuum . No cristal, um raio gama sofre várias interações, mas para energias intermediárias a dispersão de comptons domina. Na dispersão compton, o fóton de raios gama incidente é desviado através de um ângulo Θ em relação à sua direção original. O fóton transfere uma parte de sua energia para o elétron de recuo. A energia transferida para o elétron de recuo pode variar de zero a uma grande fração (E máxima) da energia incidente de raios gama, porque todos os ângulos de dispersão são possíveis. O tamanho do cristal de cintilação altera a proporção entre o fotopico e o continuum de Compton. Para um detector esférico infinitamente grande, centralizado em torno de uma fonte, nenhum fóton seria capaz de escapar e apenas um fotopico seria visto no espectro. Para detectores muito pequenos, a chance de um fóton sair após a dispersão de Compton é alta e o continuum de Compton seria grande em comparação com o fotopico.
  • Compton Edge . A borda de Compton é uma característica do espectrógrafo resultante da dispersão de Compton no cintilador ou detector. Esse recurso é devido aos fótons que sofrem dispersão de Compton com um ângulo de dispersão de 180 ° e escapam do detector. Quando um raio gama se espalha pelo detector e escapa, apenas uma fração de sua energia inicial pode ser depositada na camada sensível do detector. Depende do ângulo de dispersão do fóton, quanta energia será depositada no detector. Isso leva a um espectro de energias. A energia da borda de Compton corresponde ao fóton retroespalhado total  As contagens entre a borda de Compton e os fotopicos são causadas por vários eventos de dispersão de Compton, onde o fóton gama disperso sai do material sensível.

Às vezes, a estrutura do espectro de raios gama possui os seguintes recursos secundários :

  • Borda Compton de 60Co no espectrômetro gama Na (Tl).
    Borda Compton de 60Co no espectrômetro gama Na (Tl).

    Pico de retroespalhamento . Um pico de retroespalhamento Compton é encontrado quando os raios γ entram no material ao redor do detector e são espalhados de volta no detector. O fóton gama pode interagir pelo mecanismo Compton no escudo ou em materiais adjacentes e é retrodifundido de um material para um volume sensível. A energia máxima de fótons nessa interação é de ~ 200 keV, independentemente da energia inicial de fóton. Isso resulta em um pico secundário em -200 keV.

  • Picos de raios-X . Quando os raios gama sofrem efeito fotoelétrico nos materiais circundantes (por exemplo, blindagem de chumbo), o raio X de saída pode ser capturado novamente pelo detector. Isso fornece um pico característico de raios-X com uma energia dependendo do material de origem. No caso de chumbo, as energias características dos raios X estão na faixa de 72 a 84 keV. Absorção fotoelétrica pelo elétron K-shell no chumbo da blindagem, resultando em uma vaga de K-shell. A transição K -> L para chumbo = 72 keV. Se este raio-x característico for absorvido no cristal, é observado um pico secundário a 72 keV.
  • Pico da Coincidência Absorção simultânea de dois fótons gama em cristal, resultando em um pico mais alto em energia do que o fotopico. Os fótons gama podem resultar de transições isoméricas seriais (por exemplo, 2 keV mais 1332,5 keV no caso de cobalto-60) ou decaimentos simultâneos em radionuclídeos separados (por exemplo, 2 x 1173,2 keV no caso de cobalto-60).
  • Pico de aniquilação . Para raios gama de alta energia (acima de 1,02 MeV), a produção de pares elétron-pósitron é uma possível interação. Mas um pósitron pode então se aniquilar no detector ou no material circundante. Se ambos os fótons de aniquilação de 0,51 MeV forem absorvidos no cristal, um pico secundário de 1,02 MeV abaixo do pico fotográfico poderá ser encontrado. Se um fóton de aniquilação é absorvido e o segundo sai do cristal, então 0,51 MeV é removido do pico fotográfico, resultando em um pico secundário de 0,51 MeV abaixo do pico fotográfico. A probabilidade é maior de que um fóton de aniquilação seja absorvido.

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