Espectrometría gamma i na-tl-practicante

Instituto Peruano de Energía Nuclear
CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE
ESPECTROMETRÍA GAMMA USANDO
DETECTOR DE INa(TL)
Practicante: Andrés M. Gonzales Gálvez
Asesor: Dr. Agustin Zúñiga Gamarra
DIRECCION DE INSTALACIONES
GRUPO DE CALCULO, ANÁLISIS Y SEGURIDAD – Andrés M. Gonzales G. IPEN, Enero 2010
Diapositiva 1

Contenido
• Resumen
• Objetivo
• Introducción
• Aspectos Teóricos
– Sistema Nuclear de Medición (SNM)
– Características del SMN
• Aspectos Experimentales
– Voltaje de trabajo
– Calibración en energía
Diapositiva 2
– Calibración en energía
– Resolución
– Eficiencia en función de la energía
– Medición de periodo de semidesintegración de radioisótopo
– Medición de actividad de radioisótopo
• Resultados
• Conclusiones
• Referencias

Resumen
• En este trabajo se muestran los conceptos básicos que se deben
de conocer para un buen estudio de un Sistema Nuclear de
Medición (SNM), así como sus partes y características
principales, para buscar tener el mejor funcionamiento y
eficiencia de la cadena, teniendo en cuenta algunas
experiencias básicas, como la medición del voltaje de trabajo,
calibración en energía, eficiencia en función de la energía,
resolución y actividad absoluta de un isótopo radiactivo en una
Diapositiva 3
calibración en energía, eficiencia en función de la energía,
resolución y actividad absoluta de un isótopo radiactivo en una
Cadena Nuclear de Medición (CNM) del RP0, del Instituto
Peruano de Energía Nuclear (IPEN). Estableciendo la
correspondencia en energía de las alturas de los pulsos
generados por los rayos gamma provenientes de las fuentes
radiactivas Cs-137 y Co-60 para la calibración y usando un
detector de centelleo INa(Tl).

Objetivo
• Conocer las partes de un sistema nuclear de
mediciones.
• Conocer las características de un sistema nuclear
de mediciones.
• Realizar algunas mediciones de aplicación con un
Diapositiva 4
• Realizar algunas mediciones de aplicación con un
sistema nuclear de mediciones.

Diagrama de bloques del Sistema Nuclear
de Mediación (SNM)
Diapositiva 5

Sistema Nuclear de Medición (SNM)
Diapositiva 6

Fuente
Fuentes de Cesio y
Cobalto para la
calibración en energía
Diapositiva 7

Fuente
Cadena de Desintegración del Cs-137
Diapositiva 8

Fuente
Cadena de Desintegración del Co-60
Diapositiva 9

• PRINCIPIO:
Radiación atraviesa centellador, excita
átomos → emisión de luz. La luz se
transmite por guías al PMT: fotones
→ e- Se amplifica la señal que se
analiza en el sist. electrónico.
• INFORMACION:
Centellador de INa(Tl)
Diapositiva 10
• INFORMACION:
• Energía depositada o total de la
partícula
• Tiempo de llegada del fotoe- (<1ns)
• Posición (área que abarca en el
centellador)

MATERIAL
Longitud de
onda de max.
Emisión λm (nm)
Constante de
decaimiento
µs
Indice de
refracción
para λm
Densidad
(gr/cm2)
Eficiencia
relativa al
NaI (TI)
NaI (TI) 410 0.23 1.85 3.67 100%
CsI (TI) 565 1 1.8 4.51 45%
LiI (Eu) 470 - 485 1.4 1.96 4.08 35%
Algunos Centelladores
Diapositiva 11
ZnS (Ag) 450 0.2 2036 4.09 130%
CaF2 (Eu) 435 0.9 1.44 3.19 50%
Bi4Ge3O12
480 0.3 2.15 7.13 8%
• IODURO DE SODIO ACTIVADO CON TALIO – NaI (TI)
• IODURO DE CESIO ACTIVADO CON TALIO - CsI (TI)
• IODURO DE LITIO ACTIVADO CON EUROPIO – LiI (Eu)
• SULFURO DE CINC ACTIVADO CON PLATA – ZnS (Ag)
• FLUORURO DE CALCIO ACTIVADO CON EUROPIO – CaF (Eu)

•• Sistema ColectorSistema Colector•• Eficiencia de DetectoresEficiencia de Detectores
Centellador de INa(Tl)
Diapositiva 12

Eventos en la vecindad del detector - fuente -
blindaje
Diapositiva 13

Fotomultiplicador
Diapositiva 14

PORTANIM
Diapositiva 15
Amp 2015

Osciloscopio
Diapositiva 16

Analizador Multicanal Serie 40
Diapositiva 17

Analizador Multicanal
• Comandos:
– Modo PHA (analizador de altura de pulsos)
– Collect y Clear All (iniciar la medición y borrar todo)
– Ecal (para calibrar automáticamente)
– Expand (expandir región alrededor del cursor)
Diapositiva 18
– Preset (prefijar los tiempos)
– ROI (para definir la región de interes)
– Read Out (para transferir datos al computador)
– ADE IN (para ingreso de la salida del amplificador)
– Ext (utiliza la amplificación externa)

Espectros
Diapositiva 19

1500
2000
2500
3000
3500
4000
Cs 137
Contagens
Espectro γγ de 137Cs
−
+→ βBaCs 137
56
137
55
Diapositiva 20
0 100 200 300 400 500
0
500
1000
Canais

1000
1250
1500
1750
2000
2250
2500
Co 60
Contagens
Espectro γγ de 60Co
−
+→ βNiCo 60
28
60
27
Diapositiva 21
100 200 300 400 500 600 700 800
0
250
500
750
1000
Contagens
Canais

Características de la cadena de INa(Tl)
Voltaje de Trabajo
Calibración
Resolución
Eficiencia
Diapositiva 22

Voltaje de Trabajo
Voltage Monocanal Multicanal
400 101 0
500 46 0
600 6881 17165
700 50619 21248
700 51120 21334
710 51353 21867
720 52305 21570
730 52797 21572
740 53629 21583
750 54192 20999
760 54575 21243
770 55153 21525
780 55537 21543
Diapositiva 23
790 55865 21749
800 54210 21986
800 54515 21562
800 54387 21978
810 54616 22016
820 54488 21982
830 54209 21843
840 54193 21833
850 44105 21858
850 53894 21915
860 53054 21934
870 53282 21968
880 53155 21866
890 53320 22082
900 24911 21550
900 24956 21873

Calibración en Energía
Diapositiva 24

Calibración en energía
Canal Energía (keV)
235 662
416 1173
474 1333
662
1173
1333
y = 2.8113x + 1.7725
R
2
= 1
600
800
1000
1200
1400
1600
Energía
Diapositiva 25
662
0
200
400
600
0 100 200 300 400 500
Canales
Energía
E(keV) = 2.811 x (canal) + 1.772

Espectro del Cs-137 y Co-60
Espectro Cs_137 y Co_60
4000
5000
6000
7000
8000
Cuentas
235 662
416 1173
474 1333
Diapositiva 26
0
1000
2000
3000
0 200 400 600 800 1000 1200
Canales
Cuentas
Feunte Canal
Cs-137 235
Co-60 416
Co-60 474

Espectro del Cs-137 y Co-60 en
función de la Energía
Espectro _ Energía Vs Cuentas
5000
6000
7000
8000
Cuentas
235 662
416 1173
474 1333
Diapositiva 27
0
1000
2000
3000
4000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Energía (keV)
Cuentas
Feunte Energía (keV)
Cs-137 662
Co-60 1173
Co-60 1333
E(keV) = 2.811 x (canal) + 1.772

Espectro del Cs-137, INa
Fondo
ÁreaÁrea = Int. - Fondo
Diapositiva 28
Energía Area TL Int C(i) C(d) Ch(i) Ch(d)
Cs-137 662.428 140477 600 158020 402 260 208 260
Co-60 1171.2733 15784 600 23944 142 113 384 447
Co-60 1334.3287 14067 600 18755 113 28 447 512.5
Fondo

Espectro Gamma del Co-60, INa
Fondo
Fondo
ÁreaÁrea
Diapositiva 29
Energía Area TL Int C(i) C(d) Ch(i) Ch(d)
Cs-137 662.428 140477 600 158020 402 260 208 260
Co-60 1171.2733 15784 600 23944 142 113 384 447
Co-60 1334.3287 14067 600 18755 113 28 447 512.5
Fondo

Áreas Netas
%32.0/140477137 ±=− scuentasACs
%17.2/1578460 ±=− scuentasACo
%44.2/1406760 ±=− scuentasACo
Diapositiva 30

Resolución
Ancho de pico
a la altura
mitad
# de canal en el
centroide del
pico
RESOLUCIÓÓÓÓN
(%)
Cs-137 18 235 7.66
Co60 25 416 6.01
Co60 27 476 5.67
Es una medida de su habilidad para resolver (identificar) dos
fotopicos cercanos.
Diapositiva 31
Donde:
R : Resolución en %
δE: Ancho de pico a la altura
mitad del máximo nivel de
contaje, medido en #
canales.
E : # canal en la centroide del
pico.

Eficiencia
• Coeficiente que relaciona las actividades de una muestra (Am)
y el estándar (As):
fA
A
S
m
.=ε LT
Area
mA =
t
S eAA λ−
= 0
137
Cs
60
Co
T1/2 (años) 30.17 5.27
E(keV) 661,661 1173.237
1332.501
Diapositiva 32
S 0
Donde:
• Área: área bajo el fotopico
• TL: tiempo vivo
• Ao: actividad del estándar
• t : tiempo hasta hoy
• λ: constante de decaimiento
• f: intensidad relativa (fracción de decaimiento)
1332.501
Iγ 0.85 0.99

Eficiencia
Energía Eficiencia
Cs-137 661.6 0.0103 ± δ=0.32%
Co-60 1173.2 0.0045 ± δ=2.17%
Co-60 1332.5 0.0040 ± δ=2.44%
Cálculos
Diapositiva 33
Cálculos

Espectro del In-116
Potencia 5W
Tiempo 90 min
Irradiación
Inicio Irradiacion: 9:58:00
Características de la
irradiación y trabajo
Diapositiva 34
Fin Irradiacion: 11:28:00
Medicion:
Inicio Medicion: 12:10:00
Fin Medicion: 15:56:00

Fotopico del Indio
Fondo
Área
Diapositiva 35
Area Int Ci Chi Cd Chd TL
13035 15983 51 435 37 501 200
Fondo

Irradiación del Indio
Isótopo Radiactivo – In-116
Diapositiva 36

Eficiencia del Indio
Diapositiva 37
Donde:
a = 80.349
b = -1.38068
Cálculo de a y b
Energía Eficiencia
In-116 1293.4 0.00406 ± δ=0.00060%

Periodo de Semidesintegración del
In-116
Diapositiva 38
Cálculos

Siendo:
= 0.844
t = 2h 35min = 155min = 9300s
T1/2 = 58.2511min
Actividad del Indio
)107.3)()(( 4
xIEficienciaT
ÁreaNeta
Ci
L γ
µ =
)
696.0
(
0
2/1
.)( T
t
eCittCi
−
== µµ
γI
Diapositiva 39
BqCiAIn 65.190130.5139116 ==− µ
BqttAIn 65.3007Ci0.0757)( 0116 ===− µ
Actividad después de la Irradiación:
Actividad finalizando las mediciones:

CONCLUSIONES
• Para caracterizar un sistema de espectrometría gamma usando detector de
NaI(Tl) se debe de tener bien claro cuales son las partes de una cadena nuclear
de medición (CNM), así como también las condiciones para un
funcionamiento óptimo.
• Para que el SNM funcione de manera óptima, se debe conocer bien sus
características: Voltaje de trabajo, calibración de energía, eficiencia y
resolución.
Diapositiva 40
• El valor del voltaje de trabajo esta en el rango de 750V hasta 850V, ya que la
curva se estabiliza teniendo datos muy parejos y no tomamos los valores
extremos, porque hay menos probabilidad de estabilidad.
• El número de cuentas que se registra no depende del voltaje, si es que este se
encuentra en el rango del voltaje de trabajo, pero si el voltaje escapa de este
rango, si depende.

• Gracias al gráfico de la eficiencia en función de la energía que se calculó,
se puede hallar fácilmente cualquier otra eficiencia para otro elemento
radiactivo.
• Conforme aumenta la energía del isótopo radiactivo, la resolución también
aumenta en valor, por lo tanto empeora. Mientras menor sea la resolución,
se podrá tener un resultado más detallado.
CONCLUSIONES
Diapositiva 41
se podrá tener un resultado más detallado.
• El detector NaI(Tl) es muy eficiente en estos tipos de estudio, teniendo una
resolución de aproximadamente de 50 keV, no necesita refrigeración con
nitrógeno líquido como los detectores de Ge(HP) Germanio Hiperpuro,
aunque la resolución de estos detectores es mucho mejor de
aproximadamente de 1 a 2 keV. Por lo tanto no genera muchos gastos en la
compra de nitrógeno líquido. Y hace al NaI un detector muy eficiente para
estos estudios.

Referencias
• [1] TRAVESI, Análisis por Activación Neutrónica.
• [2] ORTEC, Camberra. Manuales de Venta y Mantenimiento de
cada Tipo xe Módulo.
• [3] LEDERER M. Table of the Isotopes, 6th ed., Wiley. N.Y.
(1967)
• [4] SEELMANN W. Tabla de Núclidos, Karlsruhe (1974)
• [5] OIEAEDERER M. Table of the Isotopes, 6th ed., Wiley. N.Y.
Diapositiva 42
• [5] OIEAEDERER M. Table of the Isotopes, 6th ed., Wiley. N.Y.
(1967)
• [6] http://mirador nuclearperu.blogspot.com
• [7] http://www.fisicarecreativa.com/datos/datos/fuentes_rsd.pdf

Muchas Gracias
Andrés Gonzales Gálvez
andresgz@hotmail.com
Diapositiva 43

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