O que é espectroscopia usando o contador de cintilação – Definição

Os espectrômetros baseados em cintilação têm a vantagem da disponibilidade em tamanho grande e alta densidade, o que pode resultar em altas probabilidades de interação para raios gama. Dosimetria de Radiação
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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.

Espectrômetro de Raios Gama – Espectroscópio de Raios Gama

espectroscópio gama 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 e as altas taxas de precisão e contagem possíveis. Esses últimos atributos são uma conseqüência da duração extremamente curta dos flashes de luz, de cerca de 10 a 9 ( cintiladores orgânicos ) a 10 a 6 ( cintiladores inorgânicos)) segundos. A intensidade dos flashes e a amplitude do pulso da tensão de saída são proporcionais à energia da radiação. Os pulsos são contados e classificados por sua altura, produzindo um gráfico xy do brilho do flash do cintilador x número de flashes, que aproxima o espectro de energia da radiação incidente, com alguns artefatos adicionais. Um raio gama monoenergético produz um fotopico em sua energia. O detector de cintilaçãotambém mostra 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.

Os espectrômetros baseados em cintilação têm a vantagem da disponibilidade em tamanho grande e alta densidade, o que pode resultar em altas probabilidades de interação para raios gama. Por outro lado, seus cintiladores de resolução energética são fracos quando comparados aos detectores de germânio de alta pureza. Os detectores de germânio são a melhor opção para a separação de energias gama estreitamente espaçadas. A resolução energética típica de um bom sistema de germânio é de alguns décimos de por cento em comparação com 5-10% para o iodeto de sódio.

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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