Fisica Nucleare ApplicataFisica Nucleare Applicata

Laurea Magistrale in FisicaLaurea Magistrale in Fisica

DosimetriRivelatori e catene spettrometricheRivelatori e catene spettrometriche

http://www.ge.infn.it/~prati1

p g p

Riferimenti bibliografici

M. Pelliccioni, Fondamenti Fisici della Radioprotezione, Pitagora Editrice, Bologna 1989 (CSB di FISICA)

U. Amaldi, Fisica delle Radiazioni, Boringhieri, (CSB di FISICA)

W. R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments. Springer-Verlag. (CSB di FISICA)

F. A. Smith, A primer in Applied Radiation Physics. World Scientific (CSB di FISICA)

G. Gilmore & J. Hemingway, Practical Gamma-Ray Spectrometry, Wiley & sons ( http://www.gammaspectrometry.co.uk)

Rivelatori di particelle

Un rivelatore di particelle/fotoni è un trasduttore che trasformal’energia cinetica depositata al suo interno dalla radiazione in unsegnale elettricosegnale elettrico.

In tutti i meccanismi di interazione radiazione-materia vengonoprodotti, nel materiale attraversato, delle coppie elettrone-ione: in unrivelatore queste coppie in un tempo finito vengono raccolte perrivelatore queste coppie, in un tempo finito, vengono raccolte performare un impulso di corrente:

i(t)t

QtiRt

=∫0

)(

tArrivo dela

0tR

Ovviamente Q = Q(Ed ) e si cercaparticella Ovviamente Q Q(Edep.) e si cerca di fare in modo che Q ∝ Edep.

Integrazione del segnaleIn generale l’analisi del segnale elettrico prodotto dal rivelatore segue dueIn generale l analisi del segnale elettrico prodotto dal rivelatore segue duefasi/obbiettivi:

1 Individuare la presenza del segnale (contare gli impulsi)

2 Misurare la Q prodotta cioè l’integrale dell’impulso di corrente(proporzionale all’energia ceduta).

Si invia l’impulso si corrente del riv ad un circuito RCSi invia l impulso si corrente del riv. ad un circuito RC

Vc = Q/C

Quando l’impulso di corrente si è esaurito…

Più precisamente si utilizzano circuitiPiù precisamente si utilizzano circuitiRC attivi, detti PREAMPLIFICATORI,che garantiscono maggiore stabilità econsentono di amplificare il segnale

Risoluzione energetica 1

Dopo l’RC si utilizzano comunque altri circuiti (AMPLIFICATORI LINEARI oMAIN AMPLIFIER) che formano il segnale in impulsi di tensione che sisusseguono all’uscita del rivelatore:

V(t)

t

V(t)

t

Rivelatori a gas 1

Sono dei condensatori (spessol d ) d lcilindrici) con un dielettrico gassoso:

la radiazione incidente ionizza il gase le coppie e--ione prodotte vengonoconvogliate sulle armature da un

lcampo elettrico costante.

Le cariche secondarie si muovono nel gas con una velocità = vD=μE/PLe cariche secondarie si muovono nel gas con una velocità vD μE/P

con μ = mobilità ≈ costante : 1 - 1.5 10-4 m2 atm V-1 s-1

Durante il tragitto verso le armature parte delle cariche prodotte possono ricombinare con relativa peggioramento della risoluzione

Rivelatori a gas 2

Camere aContatori

i li

Contatori Geiger-

ionizzazioneproporzionali

gMueller

Per Eced = costante !!

Il Valore della HV applicata

definisce modalità di funzionamento

e dispositivi pdiversi

Rivelatori a gas 3

L’ i di i L’energia media per creare una coppia e- - ione è relativamente alta cattiva risoluzione. La densità del mezzo (gas) è bassa bassa η per i γè bassa bassa η per i γ

Si usano soprattutto perSi usano soprattutto permonitor portatili, il GM è poi uncontatore molto sensibile anchese non può misurare l’energiapdella radiazione incidente.

Misura dell’esposizione: camera ad aria libera

Se Eγ = 200 keV Raria ~ 30 cm; con d ~ 10 cm correzioni < 0.5%, per Eγ > 300 keV aria in pressionee/o campi magnetici assiali per aumentare il percorso dei secondari nel gas.

Campo E nel volume di misura uniforme grazie agli elettrodi di guardia

Misura della dose: camere a pareti “spesse”

L i i i tLe camere a ionizzazione possono essere usate come“dosimetri a cavità”. Se le pareti sono “sottili” (spessore <<Rsecondari) la camera è “piccola” e la ionizzazione prodotta nelgas può essere convertita in Dose con la relazione di Bragg-G ( t d l f t i di i iGray (ma questo succede solo con fotoni di energia superioreal MeV). Se invece le pareti sono “spesse” (spessore >Rsecondari) allora di misura direttamente la Dose nel materialedi cui sono composte le pareti che può essere reso equivalentel ll ( ICRU d i à di 1 / 3al tessuto o alle ossa (e.g. ICRU: densità di 1 g/cm3 e

composizione in massa: 76.2 % O, 11.1 % C, 10.1 % H e 2.6 %N. L’Alluminio è sostanzialmente equivalente al tessuto osseo)

Dosimetri chimici

Con questo approccio si misura direttamente il tasso di formazione di radicali liberi inuna soluzione liquida. Il sistema più utilizzato è basato sull’ossidazione del solfatoferroso in solfato ferrico (dosimetro di Frickie). Si espone alla radiazione una

l i di lf t f i id lf i 0 8 N ( t t i l t )soluzione di solfato ferroso in acido solforico 0,8 N (≈ tessuto equivalente).Inizialmente la soluzione è incolore mentre all’aumentare della concentrazione di ioniFe3+ (prodotti dalla ionizzazione degli ioni Fe2+) la soluzione aumenta la sua assorbanzaa λ = 304 nm. La quantità di ioni Fe3+ prodotti si misura tramite la legge di Lambert-q p ggBeer : I = I0 exp(-μextx), con μext = coefficiente di estinzione a λ =304 nm. La relazionetra Concentrazione di Fe3+ ed energia assorbita vale:

[Fe3+] = (15.7 ± 0.1) ioni/100 eV

I dosimetri chimici sono utilizzati soprattutto per misura di dosi elevate (5-10 Gy, peravere una attenuazione ottica misurabile con precisione). Sono molto sensibili alleimpurezze e vanno calibrati per confronto con altri strumenti. Il rapporto Dose/n. ioniprodotti dipende dal tipo di ioni e, debolmente, dal tipo di radiazione).

Emulsioni fotograficheUna emulsione fotografica è un film di gelatina contente grani di AgBr con dimensioni variabili tra 0 5Una emulsione fotografica è un film di gelatina contente grani di AgBr con dimensioni variabili tra 0.5e 3 μm; gli altri componenti del gel sono H, O, C che complessivamente rappresentano circa il 20%della massa totale. Lo spessore del film può variare da pochi μm fino a qualche decimo di mm; ladensità è intorno a 3 g/cm3.L’assorbimento di energia radiante (2 3 eV/molecola) porta alla rottura delle molecole di AgBr e allaL assorbimento di energia radiante (2-3 eV/molecola) porta alla rottura delle molecole di AgBr e allaformazione di grumi di Ag metallico (“immagine latente”). Con un attacco chimico (lo sviluppo) sifavorisce la precipitazione degli altri atomi di Ag intorno ai grumi contenenti Ag metallico (cioè quellicolpiti dalle radiazioni ionizzanti) con conseguente annerimento del film.

Densità Ottica = D0= log10(I0/I); I0 e I : intensità luminosa (erg/cm2) incidente e trasmessa

Do si misura con un densitometro:Curva caratteristica o curva H e D

20 === − cmn. grani/n grano, Narea di ucon S eII SN

( ) 00

0

NN loglog <<∝∝== se NeIID

gg ,

SNo φ

La pellicola deve essere calibrata!

Emulsioni fotografiche

Curva di calibrazione di una particolare pellicola con costruzione grafica per misurare il contrasto cioè la ΔDo corrispondente a ΔΦ =10 (Più in generale è il rapporto ΔDo/ΔΦ in un qualunque punto della curva di sensibilità)qualunque punto della curva di sensibilità).

Emulsioni fotografiche

Un altro parametro importante che caratterizza leprestazioni della pellicola è la sensibilità, definita comel’i s d l fl ss di i h p d D fiss t

Fotoelettrico su Br (Ka≈ 12 keV) e Ag (Ka≈ 22 keV)

l’inverso del flusso di energia che produce una Do fissata(spesso D0 =0.3). La sensibilità dipende dal tipo edall’energia della radiazione incidente ( di solito invece ilcontrasto no)

60Co1

60Co

Minimo di ionizzazione ≈ 3mec2 ≈ 1.5 MeV

2

Altri tipi di dosimetri

Calorimetri: ΔT ≈ 10-3 - 10-4 K/Gy

Scintillatori: possono essere utilizzati ecalibrati direttamente in esposizione. 60Co

Stato solido (TLD) ne riparliamo più avanti

Misure di contaminazione radioattiva

Danno ∝ H = H(tipo di radiazione, energia)

I limiti di dose si traducono in limiti di attività (Bq/g, Bq/m3) per ogni singolo isotopo

Una misura di radioattività ambientale deve consentire di individuare gli isotopi presenti in un campione valutandone l’attività con sensibilità sufficiente a verificare i limiti di l attività con sensibilità sufficiente a verificare i limiti di

legge

Strategia di misura 1

Ci sono alcuni punti fermi:Ci sono alcuni punti fermi:

1. La grande maggioranza dei decadimenti a e b sono accompagnati da emissionedi radiazione γ (monocromatica e caratteristica del nucleo figlio prodotto)

2. La radiazione γ è molto penetrante quindi, anche in presenza di campioni digrosso volume riesce a raggiungere il rivelatore senza eccessivegrosso volume, riesce a raggiungere il rivelatore senza eccessiveattenuazioni

3. Anche le particelle α sono monocromatiche ma hanno range talmente brevinella materia che la loro spettroscopia è possibile solo sotto vuoto

4. Le particelle β hanno range più lunghi ma il loro spettro energetico continuone rende difficile l’identificazione

Strategia di misura 2Strategia di misura 2

In un campione ambientale sono sempre presenti più isotopi…p p p p p

E01 E02 E03

Eγ1 Eγ2 Eγ3

…ma se i decadimenti β sonoaccompagnati da emissioni γ queste

Nello spettro “somma” distinguere gli end-point dei tre spettri è quasi impossibile…

accompagnati da emissioni γ questerestano, solitamente, separate edistinguibili

Strategia di misura 3

Quindi:Qu nd

Tutte le volte in cui è possibile (quasi sempre) si cerca dimisurare la radiazione γ emessa dai nuclei “figli” del decadimentoutilizzando gli schemi di decadimento per risalire al nucleo

di i i i iradioattivo originario.

La misura diretta della radiazione α e/o β si utilizza solo nei pochii di d di i i i di di i icasi di decadimenti senza emissione di radiazione con opportuni

accorgimenti per ridurre la perdita di energia delle particelle nelpercorso campione-rivelatore (camere da vuoto, campioni sottili,etc )etc.)

Spettrometria X e γ

ffi i

⎬Efficienza elevata per

X e γ ⎬ γ

⎬Ottima

risoluzione ⎬ energetica

Nota: il Ge si comporta daNota: il Ge si comporta da semiconduttore solo a basse

temperature !

Rivelatori al germanio: struttura tipica

Si riescono a costruire in volumi tali (≈ litro) da garantire buone efficienze ma vanno mantenuti alla temperatura del LN2 (quasi sempre)

Rivelatori al germanio: struttura tipica

Per minimizzare il rumore elettronico il circuito RC che integra l’impulso di corrente (preamplificatore) è ospitato nel criostato a 77 K

Rivelatori al germanio : risoluzione energetica Sono caratterizzati da ottimarisoluzione energetica che consentedi analizzare spettri γ complessi. Ilcriostato di isolamento ne impedisceinvece l’uso per la rivelazione di

Scintillatore inorganico

invece l uso per la rivelazione diparticelle cariche

FWHM ≈ 1 keV a Eγ ≈ 1 MeV

Per sfruttare a pieno l’ottima risoluzioneèenergetica è indispensabile una calibrazione in

energia molto accurata. Solitamente la relazionecanali-energia risulta lineare con R ≈1

Rivelatori al germanio: risoluzione energetica

La risoluzione energetica è una tt i ti f d t l h caratteristica fondamentale anche

per poter distinguere segnali deboli dal fondo

I t i hi h l t I tre picchi hanno la stessa area (quindi sono stati rivelati con la stessa efficienza) ma larghezze

differenti.

Rivelatori al germanio: risoluzione energetica La risoluzione energetica èsempre una funzione dell’energiadella radiazione incidente.

Per un rivelatore al Germanio:Per un rivelatore al Germanio:

( ) 22222EXDT WWWWFWHM ++==

WD ∝ 2.355 sqrt(εE)WD . 55 sqrt( E)

(produzione delle cariche, ingenerale interviene il fattore diFano)Fano)

Wx ∝ E e HV

(raccolta delle cariche)

WE ∝ noise elettronico

Efficienza di rivelazione

Non tutte le particelle/radiazioni

emesse (ad es ) da una S

Rivemesse (ad es.) da una sorgente interagiscono

con il rivelatorex

Si definisce efficienza di rivelazione = η

x

sorgentedallaemesse particellerivelatisegnali

=η giηηη =gp gL’efficienza è il prodotto di due termini: la probabilità che la particellavenga emessa all’interno dell’angolo solido sotteso dal rivelatore (ηg) e laprobabilità di interazione (ηi)probabilità di interazione (ηi)

( ) cariche particelleper e iper 1con 1einterazion .ai

x

i deP ==−==−

λγμ

λη λ

Angolo solidoL’angolo solido sotteso da un

Quindi:

Ω

L angolo solido sotteso da unrivelatore (Ω) dipende dallasua forma, dalla sua distanzadalla sorgente di radiazioni.Se la sorgente può essereconsiderata puntiforme una

se l’emissione è

πη

4=g

considerata puntiforme unabuona stima di Ω si ottienefacilmente:

se l emissione è isotropa,

e:

N∫∫ ==Ω⇒=Ωmax

min

sin2sinsinϑ

ϑ

θθπϕθθϕθθ ddddddA

ig

rivs

NNηη

=min

ScalA

Ma…

Ns = n. particelle

emesse dalla

dScal/4πd2 = Ω/4π

Ω = S l/d2 ≈ A/d2 emesse dalla “sorgente”

Ω = Scal/d A/dPer geometrie più complesse ilcalcolo può diventare arduo e Ω sicalcola con simulazioni Monte Carlo

Rivelatori al germanio: sorgenti esteseI campioni ambientali spesso sono liquidi o inpolvere. Per questi casi è diventato uno standard ilcosiddetto “Baker di Marinelli” che consente dieseguire analisi con geometri fissata ed ottimizzatai ll di i i d l i lrispetto alle dimensioni del rivelatore

Rivelatori al germanio: efficienza vs. Eγ

Frequentemente la ηi di un germanioè espressa in rapporto a quella di unNaI 3”x3” all’energia del primo γ del60Co (1.17 MeV) oggi si arriva aηimax ≈ 140%.

L’efficienza di rivelazione èovviamente una funzionedecrescente con l’energia del γincidente, la sua espressioneigηηη =

, panalitica dipende dalla forma edalle dimensioni del rivelatore esi ricava di solito empiricamentecon una serie di misure

Fit con 6 e 8 parametri:Fit con 6 e 8 parametri:

indistinguibili

Rivelatori al germanio: effetti di summing

Summin inSumming in

Summing out

L’152Eu ha molte righe γ e quindi è un isotopo ideale per calibrare in energia il rivelatore ma… perchè alcurva di efficienza, misurata con la sorgente a due diverse distanze dal rivelatore, non ha la stessaforma?

Rivelatori al germanio: effetti di summing

2.5

Germanio

μen

/ρ x 102Consideriamo il 60Co

2.2

2.3

2.4Ge a o

10 392 122

17.1

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−

=ρμ g cm.

E

en

2

2.1

10 002

10 302

122

50.2

122

33.1

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−−

=

−−

=

ρμ

ρμ

g cm.

g cm.

E

en

E

en

1.91 1.5 2 2.5 3

Eγ (MeV)( )

( ) 49.097.0

)5.2()21( )5.2(

)21(

5.2

215.2

2121

50.

→==+

∝

∝∝+

−

+−−

+−−−

μ

μμμ

μμμμ

ee

PPeP

eeeP

x

xxx

)(

Tenendo conto dell’angolo solido

Non si possono certamente usare i conteggi nel picco somma per tracciare una curva η(E) ma anche sulle η dei due γ singoli ci possono essere problemi.

Rivelatori al germanio: effetti di summing

21111'1

111

ηηη

η

ApApn

Apn

T−=

=

21133'3

12122'2

211111

ηηη

ηηη

ηηη

ApApn

ApApn

pp

T

T

+=

−=

Quindi:

1) Si possono valutare gli effetti di summingd i l t dieseguendo misure con la sorgente a diverse

distanze dal rivelatore

2) Si possono usare isotopi che emettono una sola) p p mriga γ o per i quali la probabilità di summing ètrascurabile

3) Si può costruire una curva di efficienza “per3) Si può costruire una curva di efficienza perisotopo” piuttosto in funzione di Eγ.

Rivelatori al germanio: forma dello spettro

L’analisi degli spettri γ di un germanio deve tenere conto dei tre meccanismi diinterazione γ-materia: ogni γ monocromatico incidente produce uno spettrocontinuo e, in generale, diversi picchi.

E =1 368 MeVEγ1 1.368 MeV

Eγ2= 2.753 MeVC. Edge 1C. Edge 1

C. Edge 2Prod. coppie

Picchi di “fuga”

SensibilitàLa sensibilità di misura è definita come la minima ampiezza del segnale (o meglio dellaLa sensibilità di misura è definita come la minima ampiezza del segnale (o meglio dellaquantità ad esso associata: attività, flusso di particelle, concentrazione, etc) rivelabile(MDL). Dipende naturalmente dall’efficienza del rivelatore e dal fondo. Se nella zona dellospettro dove vado a cercare la presenza di un certo picco ho, in media, b conteggi di fondop p p ggal secondo allora:

bMDLmisTbnMDL

η=

Coun

tegg

i

ratefondoconteggiratebHp

=⇒==

η

-1

SconteggirateSeventi][s medio :

B Energia

C

Area del Picco = Σcount - B

che corrisponde alla minima quantità (attività, concentrazione, etc) che produce un conteggio

misB bTnn

rate

==→

=⇒=

ση

η

misminTS MDL quindi

S conteggirateS eventiea de cco count

che corrisponde alla minima quantità (attività, concentrazione, etc) che produce un conteggiopari a n deviazioni standard del conteggio medio del fondo e cioè sicuramente nonconfondibile con una fluttuazione statistica del fondo stesso (si dovrebbe anche tenereconto delle fluttuazioni statistiche del segnale…)

Spettro di fondo, rivelatore HPGe

N(E)Rosso= rumore elettronico

Giallo= picchi isotopi naturali

Verde= cosmici (plateau + picco)

( )

Verde cosmici (plateau picco)

E

Le serie radioattive naturali

Gli elementi radioattivi naturali sono quasi sempre membri di una delle trecatene o serie radioattiva seguenti:

• serie del Torio (4n ; n=58)

• serie dell’Uranio (4n+2 ; n=59)• serie dell Uranio (4n+2 ; n=59)

• serie dell’Uranio (4n+3 ; n=58)

Il numero di massa di ogni elemento della serie può essere espresso dalaf l h ddi i l i i i bilformula che contraddistingue la serie con n intero variabile.

Manca la serie (4n+1) come serie radioattiva naturale, detta serie del Neptunio:ù èinfatti l’elemento a vita media più lunga di questa serie è il che ha un tempo di

dimezzamento di 2.6 106 anni: poichè si ritiene che tutte questa serie radioattive sisiano formate contemporaneamente all’atto della formazione della terra, cioè circa5 109 anni fa, si comprende perchè sia ormai ampiamente estinto.

La serie dell’Uranio

222Rn: gassoso

La serie dell’Attinio

La serie del Torio

Altri isotopi naturali con τ > 109 y

decadimento β-

Eγ = 1460 keV

I raggi cosmiciN n è n t s l m i p t d ll p ti ll h mp n n iNon è ancora certo se la maggior parte delle particelle che compongono iraggi cosmici abbia origine galattica o extra-galattica. In figura è riportatolo spettro della componente primaria di raggi cosmici misurato. L’energia piùalta riportata in figura è pari a 1011 GeV (cioè 1020 eV, ossia 10 Joule !), map g p ( , ),sono stati osservati raggi cosmici con energia di 1012 e 1013 GeV. La potenzatotale posseduta dai raggi cosmici nella nostra galassia è nell’ordine di 1049

erg/anno = 1052 GeV/anno (1035 Watt).

Raggi cosmici secondari

Un protone altamente energetico interagisce nell’atmosfera e generasecondari che a loro volta, interagiscono e generano altre particelle: si haun processo a cascata. I pioni carichi hanno una elevata probabilità di

l i l di lt i i i d i I i i t i hcolpire un nucleo e di generare altri pioni secondari. I pioni neutri, chehanno una vita media più corta (τ = 10-16 s, λl = 3⋅10-6 cm), generalmentedecadono in due γ: I γ producono cascate elettromagnetiche. I pioni carichiche non interagiscono con la materia decadono trasformandosi in muoni μg m f m mu μcon un tempo di dimezzamento pari a 10-8 sec: π± → μ± + ν (τ = 10-8 s, λl =7.8 m).

I μ non interagiscono con la materia nucleare, hanno una massa di 105.7 MeV ed untempo di dimezzamento di 10-6 sec e λl ≈ 700 m): possono con buona probabilitàattraversare l’atmosfera senza decadere, e se la loro energia è abbastanza grande, g gnon solo giungono sulla superficie terrestre, ma penetrano considerevolmente sottola crosta terrestre. Il muone decadendo si trasforma in elettrone:

μ± → e± + νe + νμ

il decadimento avviene con più alta probabilità (anzi quasi esclusivamente) quandoha perso tutta la sua energia cinetica e si è arrestato. I μ sono al minimo diionizzazione (dE/dx ≈ 2MeV/cm2/g)

Everest

M.Bianco

Sea level

Schermature passive

La parte meno penetrante della radiazione di fondo (naturale ecosmica) può essere eliminata schermando i rivelatori con spessoriopportuni di diversi materiali

Paraffina drogata con B o Li

Pb

Det

Pb

Cu AlDet AlAtmosfera di gas inerte

La schermatura va estesa su tutto l’angolo solido o comunque al massimo di copertura possibile

Rivelatori al germanio: misure di bassissima attivitàLNGS: set-up esperimento LUNALNGS set up esperimento LUNA

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Energy (keV)

Cou

nts

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Energy (keV)

Cou

nts

≈ 0.7 counts/(day keV)ROI 1230 - 1765

Ultra Low-Background HPGe ; η = 130%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Energy (keV)

Cou

nts T = 21.68 d

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500

Energy (keV)

Cou

nts

Rivelatori al germanio: misure di bassissima attività

Le schermature attive “active shielding”riducono il fondo ma hanno ( o possono avere)( p )effetti anche sull’efficienza di rivelazione nelcaso, molto frequente, di emissioni γ in cascatada uno stesso isotopo con un meccanismo

tt l t l ll d l iconcettualmente analogo a quello del summing.I rivelatori di anti-coincidenza sonosolitamente scintillatori inorganici (NaI, BGO)per gli schermi anti-Compton mentre sip g pprivilegiano grandi scintillatori organici per ilveto della radiazione cosmica.

Fukushima

Il trasporto delle masse d’aria dal Giappone puòconvogliare gli isotopi radioattivi dispersinell’ambiente con l’incidente di Fukushima fino agrandi distanze

130Te + n 131Te 131I + β + ύ

ZrYSr

CeLaBaCsXe

nSrXenU

9440

9439

9438

14058

14057

14056

14055

14054

9438

14054

23592 2

⎯→⎯⎯→⎯

⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯

++=+

−−

−−−−

ββ

ββββ

134Cs, 137Cs : prodotti di fissione

FukushimaMetodo: raccolta di Particolato Atmosferico (PTS, PM10) su filtro e successiva analisi insp ttr m tri c n riv l t r HPGspettrometria γ con rivelatore HPGe.

Membrana porosa (filtro)

Pompa, controllo del φp , φ

Campione NG8, raccolto a Milano dall’1 al 4 aprile 2011. 2124 m3 di aria flussati in 72 h. Spettro raccolto in ~ 2.8 d con HpGe 28% in schermatura di 15 cm Pb + 2 cm Cu

800

1000

NG8: 131I

150

200

NG8: 134Cs e 137Cs

500

550

600

NG8

141Ce140

A≈ 300 μBq/m3 A134≈ A137≈ 30 μBq/m3226Ra, serie

dell’238U

?

400

600

100

150

134Cs137Cs

350

400

450

140Ba

cont

eggi

0

200

340 350 360 370 380 390

Energia (keV)

0

50

580 600 620 640 660 680

Energia (keV)

200

250

300

140 150 160 170 180 190 200 210 220

Energia (keV)

Spettrometria α: rivelatori al SiIl silicio si utilizza per la rivelazione di particellecariche e di raggi x I rivelatori al silicio hannocariche e di raggi x. I rivelatori al silicio hannospessori variabili tra 100 e 2000 μm sufficienti adassorbire completamente particelle di diverse decinedi MeV. La risoluzione energetica è nell’ordine del°/°°. La misura va fatta in vuoto con campioni sottili edi piccole dimensioni. L’unica eccezione è il caso del222Rn che verrà discusso separatamente.

FWHM≈ 10 keV

Le energie sono tutte molto simili

Spettrometria βI decadimenti β-puri sono solo quelli elencati in tabellama comprendono tre casi di primaria importanza:

3H: usato come marcatore di molecole in radiobiologia epresunto futuro combustibile nei reattori a fusione14C d tt d i i i i i t f ll b14C: prodotto dai raggi cosmici in atmosfera e alla basedella datazione tramite “radiocarbonio”90Sr (in Equilibrio Secolare con 90Y): prodotto di fissioneparticolarmente pericoloso per la sua lunga vita media e

l ffi ità hi i il l i i hiper la sua affinità chimica con il calcio rischio pertumore alle ossa.

Il rivelatore di elezione per lamisura dell’energia di particelle β è 100misura dell energia di particelle β èlo scintillatore organico,eventualmente liquido nel caso del3He e talvolta del 14C.

ε ≈ 100 eV

Il Curie plot - 1p

Per risalire all’isotopo padre dalla misura dello spettro beta occorre individuarel’energia della testa dello spettro (E0). Questa operazione e solitamente difficile

(o impossibile) perchè il rumore di fondo si sovrappone al segnale…

?N(E)

?

EE0

Si può allora ricorrere al plot di Curie che consente di linearizzare la forma dellospettro e misurarne l’intersezione con l’asse delle ascisse (E0)

Il Curie plot - 2Il Curie plot 2

La forma dello spettro β può essere descritta dall’espressione:

N(p)dp = C F(Z,E) (E0-E)2p2dp (considerando mν =0)

Con C = costante e F(Z,E) = funzione di Fermi (interazione nucleo-elettrone):

quando E E0 F(Z,E) 1

E la funzione:f

[N(p)/F(Z,E)p2]1/2 ≅ [N(p)/p2]1/2 = C1/2(E0-E)

è h l’ d ll E Eè una retta che interseca l’asse delle energie in E = E0.

E0 E0

Tecniche spettrometriche

Per l’3H Re(E = 20 keV) ≈ 8 μm quasi esclusivamente si porta il campione in soluzione e lo si miscelacon un scintillatore liquido. In questi casi si deve misurare il “quenching” dovuto alla perdita ditrasparenza della soluzione a causa di possibili impurità. Si utilizza il metodo dello “standard interno”, si

è d l’ l d l à d h dàaggiunge cioè dopo l’analisi del campione una quantità di un isotopo noto che dà Cs conteggi in unasoluzione senza quenching:

ΔC= η(Cs+C0)-ηC0 = ηCs η = ΔC/Cs

La correzione è sicura solo se l’isotopo standard è ancora 3H perché η = η(E). Tipicamente η(3H) ≈ 60%.

Per 14C R (E= 160 keV) ≈ 0 3 mm la misura è ancora critica e lo scintillatore liquido è la scelta piùPer 14C Re(E= 160 keV) ≈ 0.3 mm la misura è ancora critica e lo scintillatore liquido è la scelta piùcomune. Il problema è quello di isolare il 14C da altri isotopi presenti nel campione, problema comuneanche al conteggio tramite AMS di cui si parlerà a proposito del radiocarbonio.

Per 90Sr+90Y Re(E= 2300 keV) ≈ 1.2 cm si possono usare scintillatori plastici con l’accortezza dipreparare il campione in uno strato sottile. Resta in generale il problema della separazione da altriemettitori β e/o γ presenti nel campione.

90Sr: separazione chimica

Grande complessità, notevole probabilità di contaminazione e/o di perdita di materiale, lunghi tempidi preparazione e di conteggio con uno scintillatore plastico (che non si utilizza realmente come

lspettrometro ma semplicemente come contatore.

90Sr: separazione “fisica”90Sr: separazione “fisica”

La tecnica dellaDiscriminazione dellaforma di impulso (PULSEforma di impulso (PULSESHAPEDISCRIMINATION) siutilizza in svariatesituazioni perdistinguere segnaliprodotti daparticelle/radiazionidiverse in uno stessorivelatorerivelatore

DLA= Amplificatore a linea di ritardo

Cavo coassiale (BNC, Lemo)

pF55 62mH ln0.2ln

2 0

επε

μμμ

πμ

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

ab

abL

Maglia di rame Conduttore internompF

ln

55.6 ln

2

0εεπε

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

ab

ab

C

Tipicamente: C ~ 100 pF/m ; L ~ 20-30 μH/m

R L

C 1/GR= res./m

G= cond./m

DLA= Amplificatore a linea di ritardo

Si può scrivere la caduta di potenziale e le perdita di intensità di corrente lungo un tratto di cavo di lunghezza Δz:

( )tzI∂ ,)()( ( )

( )t

tzVzCtzzVGtzI

ttzIzLtzzIRtzV

∂∂

Δ−Δ−=Δ

∂∂

Δ−Δ−=Δ

,),(),(

,),(),(

Se R = G = 0

VVV ∂∂∂ 22

:passaggi alcunicon e

( )

( ) III

RGVtVRCLG

tVLC

zV

∂∂∂

+∂∂

++∂∂

=∂∂

22

2

2

2

2

∂∂

=∂∂

2

2

2

2

tVLC

zV

( ) RGItIRCLG

tILC

zI

+∂∂

++∂∂

=∂∂

22( )[ ] ( )[ ]

ω

ωωω

===

=+= +−

nepropagaziodiàvelocit1

LCk )(

v

eVeVzV kztib

kztif

με=

===

LC :costante è cavo del sezione la se

nepropagaziodià velocit LCk

v

DLA= Amplificatore a linea di ritardoI i i li h Z 50 Ω lt i l i t d d (93 Ω)

00 ln60Z:ticacaratterisImpedenza με

⎟⎞

⎜⎛===

bLV

I cavi commerciali hanno Z0= 50 Ω o altri valori standard (93 Ω)

00 ln60Z:ticacaratteris Impedenza

εμ⎟⎠

⎜⎝ aCI

h d l Se si chiude il cavo su una resistenza R:

VV + R<<Z ρ = -1 VR = -V0

IIVVR

R

R

++

=0

0 R<<Z ρ = 1 VR = V0

R = Z ρ =0 VR = 0

R >> Z ρ = 1 VR = - V0

ZRZR

VVR

+−

==0

ρ Vo VR dZRV +0

Al PSD

90Sr: separazione “fisica”

Rivelatori di neutroni (termici)I t l i i ià i t i li i till t i i i hIn taluni casi, come già visto, si possono usare gli scintillatori organici che, se pur con scarsarisoluzione, consentono di misurare l’Energia cinetica del neutrone stesso. Una buona risoluzione siottiene invece accoppiano due scintillatori posti ad una certa distanza e misurando il “Tempo di volo”(E = ½ mv2 v = d/Δt) ma l’efficienza di misura è inevitabilmente molto bassa.

Un caso molto importante è quello dei rivelatori di neutroni termici che consistono in contatoriproporzionali in cui il gas contiene isotopi che catturano i neutroni termici con elevata probabilitàt it i i ( ) ( ) si il i di l’i ls l tt i d tt d l ss i d lltramite reazioni (n,α) o (n,p) si rileva quindi l’impulso elettrico prodotto dal passaggio delleparticelle ionizzanti emesse dalla reazione di cattura per “contare” il n. di neutroni incidenti

Contatori proporzionali BF3

Contatori proporzionali 3HeNB: l’3He è molto scarso e quindi molto caro i contatori ad 3He stanno scomparendo

Rivelatori di neutroni: scintillatori liquidi

NE213: τ ~ 15 ns per γ e τ ~ 130 ns per protoni ( e quindi per neutroni)

Rivelatori di neutroni: discriminazione multiparametrica

Rivelatori di neutroni: discriminazione multiparametrica

Rivelatori di neutroni:discriminazione multiparametricam m p m