Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Ciencias S2015-I

Laboratorio de Física Contemporánea II Grupo 8194

Espectroscopia de partículas alfa y rayos gamma.

Villa Aguirre Karen Susana

Resumen

Se hacen uso de muestras radiactivas de Na 22, Am 241, Cu 137 y Co 57 para analizar su

distribución de energías de rayos gamma y de Cm 244 (que decae en Pu 239) para analizar

partículas alfa, por medio de detectores DBS y centellador o semiconductor, respectivamente.

Además se hace un análisis de las fuentes radiactivas naturales encontradas en el ambiente, y su

distribución de energías.

Introducción

Las partículas alfa son núcleos ionizados de helio formados por dos protones y dos neutrones,

cargados positivamente.

Los rayos gamma son más energéticos, es radiación electromagnética neutra, formada por

fotones.

Para detectar este tipo de partículas, se hace uso de detectores, ya sea en este caso un DBS

(detector de barrera superficial) o un centellador. El detector mide directamente por la linealidad

el pulso producido por la energía de la partícula, perdida de energía, asociado al potencial de

frenado y a la interacción de los iones de las partículas alfa con los electrones, o de los fotones con

electrones en el caso de los rayos gamma. Estos pulsos electrónicos son amplificados y analizados

por un multifuncional. La finalidad es medir la distribución de energías de la radiación incidente.

Marco teórico

Detector de barrera superficial

Se establece campo eléctrico a través de un medio de baja conductividad, zona ZD, donde penetra

partícula nuclear que produce pares hueco-agujero. Se separan las cargas y se capturan en las

fronteras. Esta radiación que incide en la zona ZD, son ionizaciones que van de banda de valencia a

la banda de conducción, posteriormente los iones van fuera de la zona ZD transportando carga

que produce cambio de potencial que da producción de pulsos electrónicos. Estos pulsos son

amplificados y analizados.

Diagrama 1.1. Diagrama de un detector DBS.

Zona ZD

En este volumen poco profundo sensible, que va desde o.1 micras a mm. Puede aplicarse

una diferencia de potencial que puede ser con polaridad positiva o negativa.

Si el voltaje de polarización o de capacidad constante es + la zona ZD desparece y la unión

produce corriente.

Si el voltaje de polarización o de capacidad constante es – la zona ZD aumenta y la unión

no conduce.

Para que se de zona de depleción con estos parámetros es necesario aplicar un voltaje

menor o igual a -30volts.

La radiación que incide en esta zona produce iones que van posteriormente fuera de la

zona transportando carga que produce a su vez una diferencia de potencial y produce

finalmente pulsos electrónicos que serán analizados.

La zona de depleción tiene un ancho que depende de la resistividad ρ del material y del

voltaje aplicado (1)

PARAMETROS

1. Corriente inversa: Cantidad variable sensible a la contaminación del material, se

requiere lo más débil posible para buena resolución del espectrómetro.

2. Voltaje de ruptura: Voltaje máximo que soporta el detector, determina ancho de zona

ZD.

3. Superficie: depende de la sensibilidad del detector (aumenta con la superficie si se

incrementa la capacitancia y el ruido) y de la resolución (disminuye si aumenta la

superficie y disminuye la señal)

4. Capacitancia: La barrera superficial actúa como aislante entre conductores, para un

medio con alta épsilon se da un condensador. El espesor de la zona dieléctrica varía con el

voltaje de polarización aplicado. La capacitancia para un espesor en un material tipo

es dada por:

(2)

Donde es la movilidad de los portadores mayoritarios, la resistividad del material,

es la superficie de la unión, el voltaje de polarización y la cte. Dieléctrica.

5. Profundidad sensible: Distancia que va del electrodo frontal donde se pudieron

coleccionar cantidad eficiente de portadores. Para espectroscopia es necesario que la zona

ZD sea may0r que el alcance de las partículas incidentes)

6.Capa muerta: Espesor que debe atravesar la radiación para llegar al la región sensible del

detector (aprox. 40.1 miligramo/cm)

7. Ruido: Energía de una partícula ionizante que produce una señal igual al ruido r.m.s. ,

asociado directamente con la resolución de energías.

8. Resolución: Se mide por el ancho de pico a mitad su altura (FWHM), depende del ruido

proveniente del detector y el amplificador.

La pérdida de energía de radiación ionizante, se puede tratar como las colisiones entre partículas

pesadas y electrones atómicos, usando aproximación de Born, que debe cumplir la siguiente

condición, es decir:

(3)

Donde y son la carga y la velocidad de la partícula incidente.

Además si la velocidad de la partícula incidente es mucho mayor que la velocidad promedio de los

electrones atómicos, la perdida de energía de una partícula ionizante al atravesar cada centímetro

de material es:

(4)

Donde

(5)

Donde es el número de atomos por del material, la carga nuclear e representa un

promedio pesado entre la energía y el potencial de ionización.

Esta pérdida de energía, es decir, , también es vista como el potencial de frenado, que es la

energía que pierde una partícula al atravesar un medio por unidad de longitud.

Detector centellador o semiconductor

De los diversos mecanismos de interacción de radiación gamma con la materia son tres los

importantes:

a) Absorción fotoeléctrica: Para radiación gama de baja energía. Cuando un fotón interactúa con

el átomo. Es absorbido por este, que emite un fotoelectrón con la misma energía del fotón

menos la de ligadura del fotoelectrón.

b) Dispersión Compton: Cuando interactúa un fotón gamma incidente con un electrón del

material absorbente, el fotón es desviado un cierto ángulo, transfiriendo parte de su energía

al electrón en forma de energía cinética. Se expresa la transferencia de energía y el ángulo de

desviación a partir de la conservación de la energía y el momento relativista, es decir, de la

forma:

(6)

Donde es la energía del fotón dispersado, es la energía del fotón incidente y es la

masa en reposo del electrón.

c) Producción de pares electrón-positrón: Es posible solo cuando un fotón excede dos veces la

masa en reposo del electrón. El fotón gamma desparece y es reemplazado por un par

electrón-positrón con toda su energía en forma de energía cinética.

d) Producción de pares electrón-hueco: Suele presentarse en semiconductores con alguna red

cristalina definida y por tanto con energías discretas. Las de baja energía son bandas de

valencia y las de mayor la de conducción. Las bandas mencionadas crean una zona prohibida,

parecida a la zona ZD del detector de barrera superficial. Cuando hay absorción de energía, los

electrones de la banda de valencia suben a la banda de conducción, dejando en la banda de

valencia un hueco, que es un ion con carga positiva. Así se da la producción de pares.

Diagrama 1.2. Representa un detector centellador, o bien un detector semiconductor.

En un detector centellador de Nal(Tl) ocurre a), b) y c), mientras que en un detector

semiconductor GeLi ocurren estos además de d). Cada uno tiene formas diferentes de entregar

señal incidente.

La señal que entrega el detector pasa por un preamplificador conectado a una fuente y finalmente

pasa por un amplificador conectado a una fuente obteniendo una señal amplificada proporcional a

la energía depositada por la radiación incidente, conforme transcurre el tiempo, el multicanal va

almacenando la cantidad de pulsos que llegan al fotomultiplicador y dependiendo la energía del

fotón correspondiente al pulso, guarda la cantidad en un canal diferente para cada energía. Así se

obtiene la distribución de energías de los fotones incidentes, donde el número de cuentas es

proporcional a la intensidad.

Desarrollo experimental

Basándonos en los diagramas de las figuras 1.1 y 1.2, tenemos idea clara de lo que pasa dentro de

cualquier detector. Se coloca con cuidado cualquier fuente de radiación gamma o partículas

pesadas alfa, según sea el caso. Debe haber medidas de precaución al trabajar con este tipo de

materiales, las fuentes de vidrio son muy pequeñas y hay que darle un trato cuidadoso. Para el

caso del detector para rayos gamma, este tuvo que enfriarse días antes con nitrógeno líquido, que

a su vez es un líquido peligroso y debe tratarse con precaución. En ambos experimentos se coloca

la fuente de isotopos y se espera cierto tiempo aproximado de 10 a 15 minutos para que el

fotomultiplicador envié la señal de los conteos y verlos reproducidos en la computadora.

Para el caso de desintegración alfa, para su detección fue necesario hacer vacío mecánico, que sin

polarización teníamos un valor de torr que al aplicar vacío por métodos mecánicos y obtener

mayor resolución (es decir, en la medida posible evitar el ruido), llegando a los torr.

Para el análisis de resultados en la PC, hacemos uso del programa UCS 30, que nos reporta el canal

donde se encuentra la emisión de radiación y los conteos que serán asociados a la intensidad de

radiación.

A continuación se muestran imágenes de los experimentos:

Imagen 1.1. Detector centellador. Imagen1.2. Fuentes radiactivas gamma.

Imagen 1.3. Dispositivo del detector completo. Figura 1.4. Detector de barrera superficial

Imagen 1.5. Fuente Cm 244, radiación alfa. Imagen 1.6. Vista interna del detector DBS.

Análisis de datos

Para analizar el decaimiento de Cm 244 en partículas alfa como por ejemplo Pu 239 que a su vez

son elementos fisibles, es decir, que su núcleo se puede dividir al ser bombardeado por neutrones

térmicos. Liberando energía y creando reaccione en cadena. Se tienen los siguientes datos:

Energía desintegración(Mev)

Isotopo Periodo desintegración

Posibles decaimientos

6.169 Cm 244 18.1 años Pu 239 5.157 Pu 239 2.41 x años U 235

Ahora se muestran los datos de las fuentes empleadas para analizar radiación gamma:

Gamma E(Kev) Isotopo Vida-media %rendimiento de descomposición

60 Am 241 458 años 36 122 Co 57 270 días 87 661.64 Cs 137/Ba 137 30 años/2.55min 85 1173.2 Co 60 5.26 años 100 1274.5 Na 22 2.60 años 100

El programa UCS 30 nos muestra graficas donde se tienes Energía vs Canal (FWHM), el programa

cuenta con la opción de encontrar los picos, que nos dan a su vez el conteo asociado a la

intensidad de radiación, de cada uno de estos, y su fuente asociada. Veamos los siguientes datos

de algunas fuentes, dadas por el programa:

Nombre Vida- Media

Ba 133 10.4 años Cd 109 1.24 años Co 57 271.7 días Co 60 5.27 años Cs 137 30 años Eu 152 13.5 años Mn 54 312.2 días Na 22 14.65 años Zn 65 244.1 días

Ahora mostraremos los conteos asociados a cada una de las fuentes, estos se analizaron de la

grafica del programa y se reportan en seguida:

1. Para el Am 241

Picos (canal) Conteos

37 230 204 39 478 149 574 2 861 15

Se muestra la grafica correspondiente:

Figura 1.1. Donde el eje Y representa los conteos (intensidad) y el eje X el canal correspondiente

(FHWM).

Además se encuentran de fondo elementos como el Ba 133, Cd 109, Cs 137, Eu 152, Co 57 y Na 22

como se muestra en la gráfica:

Figura 1.2. El eje Y representa los conteos y el eje X el canal correspondiente. De las más

abundantes se encuentra el Ba 133 y el Eu 157, como puede verse. Estos elementos son el

fondo natural de radiación.

0

50

100

150

200

250

37 204 478 574 861

Am 241

Am 241

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 100 200 300 400 500

Ba 133

Cd 109

Cs 137

Eu 157

Co 57

Na 22

2. Para el Co 57 tenemos:

Picos (Canal) Conteos

41 133 204 46 357 30 427 18 471 9 522 10 573 1 860 5

Y su grafica correspondiente:

Figura 1.3. Eje Y representa los conteos y eje X representa el en canal.

0

20

40

60

80

100

120

140

41 204 357 427 471 522 573 860

Co 57

Co 57

Ahora mostramos los isótopos o fuentes radiactivas del ambiente:

Figura 1.4. Eje X representa el canal y el eje Y los conteos o intensidad.

3. Para el Na 22, tenemos los siguientes datos:

Picos (Canal) Conteos (Intensidad)

41 242

155 233

202 126

337 155

411 88

471 66

581 19

859 5

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600 800 1000

Ba 133

Cd 109

Eu 152

Na 22

Co 57

Cs 137

Asociada la grafica:

Figura 1.5. Donde eje X representa el canal y eje Y los conteos. Podemos ver el decaimiento

del Sodio 22 en el detector de rayos gamma.

Ahora los elementos presentes de fondo:

Figura 1.6. El eje Y representa los conteos, mientras el eje X representa el canal.

0

50

100

150

200

250

300

41 155 202 337 411 471 581 859

Na 22

Na 22

0

100

200

300

400

500

600

700

0 200 400 600 800 1000

Ba 133

Cd 109

Cs 137

Co 57

Eu 152

Hasta aquí los isótopos relacionados con la radiación gamma, pudimos observar el decaimiento del

Americio 241, del Cobalto 57 y del Sodio 22, además de analizar el fondo detrás del experimento.

Ahora analizaremos el fondo, correspondiente a cada una de las fuentes radiactivas en el

ambiente:

4. Fondo de fuentes radiactivas en el ambiente, se encontraron los picos y conteos

siguientes:

Picos (Canal) Conteos (Intensidad)

40 148 204 51 373 29 427 23 471 9 525 2 527 4 858 3

Graficaremos estos datos, de forma que:

Figura 1.7 El eje Y representa los conteos o intensidad, mientras el eje X representa los picos o

el canal.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

40 204 373 427 471 525 527 858

Radiación de fondo

Radiación de fondo

Se muestra la radiación de fondo sin ninguna fuente radiactiva impuesta.

5. Ahora veremos las fuentes presentes:

Figura 1.8. El eje X representa el canal y el eje Y representa los conteos o intensidad.

Aparecen elementos nuevos no analizados anteriormente, por ejemplo el Mn 54, aunque con

poca intensidad, de los más abundantes como siempre, se tiene al Ba 133 y al Eu 152.

6. Finalmente mostraremos la reproducción de datos para el análisis de partículas alfa,

usando una fuente radiactiva de Cm 244, se muestra a su vez la radiación en el detector

DBS sin muestra y con ella en la fuente triple.

Figura 1.9. Detector de barrera superficial sin fuente radiactiva.

0

50

100

150

200

250

300

0 200 400 600 800 1000

Ba 133

Cs 137

Cd 109

Co 57

Eu 152

Mn 54

Na 22

DBS

0

100

200

19 761

803 838

pic

os

(Can

al)

Conteos (Intensidad)

DBS

DBS

Como puede verse hay tres picos, correspondientes a la radiación que proviene de partículas alfa,

en el valor de 19 marca un cero que en realidad es el valor de 28, 655 conteos, es decir muy alta

intensidad.

7. Ahora con nuestra fuente radiactiva alfa Cm 244

Picos (Canal) Conteos (intensidad)

853 1038 304 963 912 103

Figura 1.10. Se muestran tres picos asociados a a fuente radiactiva. El eje Y corresponde a los

conteos o intensidad, mientras el eje X representa el canal.

0

200

400

600

800

1000

1200

853 304 912

Cm 244

Cm 244

8. Asociado a la fuente triple se halla también el fondo de radiación siguiente.

Figura 1.11. Eje X representa el canal, el eje Y representa el conteo.

Como puede verse aparece en el fondo Am 241, pues éste en una fuente de alfas, así como los ya

presentes en nuestra detección de gammas.

Conclusiones

En ambos casos, es decir en la detección del decaimiento de isotopos radiactivos, se hallan

presente además fuentes naturales de radiación. La perdida de energía es gradual

conforme se hizo el análisis en el tiempo, los isotopos con mayor abundancia fueron el Ba

133 aunque con intensidades no tan altas y el Eu 152 que parece tener más intensidad de

radiación. Los que también están presentes aunque en menor grado son el Cs 137, el Co

57, el Cd 109, Na 22 y algunas veces Mn 54. Además de que nuestras fuentes decaen en

estos isótopos, estas fuentes pueden provenir del ambiente, como del suelo, el sol o los

rayos cósmicos.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 200 400 600 800 1000

Am 241

Ba 133

Cd 109

Co 57

Cs 137

Eu 152

Na 22

Mn 54

Bibliografía

[1] Espectroscopia de partículas alfa con detector de barrera superficial, Labs. De Física

Moderna, 1er semestre 1983, UNAM.

[2] AN 34 Experiments in Nuclear Science, ORTEC, Application Note. Second edition.

[3] https://www.csupomona.edu/~pbsiegel/bio431/genergies.html

[4] http://www.uam.es/docencia/elementos/spV21/sinmarcos/cm.html