Espectroscopia gama - Gamma spectroscopy

A espectroscopia de raios gama é o estudo quantitativo dos espectros de energia de fontes de raios gama , como na indústria nuclear, investigação geoquímica e astrofísica.

A maioria das fontes radioativas produz raios gama, que são de várias energias e intensidades. Quando essas emissões são detectadas e analisadas com um sistema de espectroscopia, um espectro de energia de raios gama pode ser produzido.

Uma análise detalhada desse espectro é normalmente usada para determinar a identidade e a quantidade de emissores gama presentes em uma fonte gama e é uma ferramenta vital em ensaio radiométrico. O espectro gama é característico dos nuclídeos emissores de gama contidos na fonte, assim como em um espectrômetro óptico , o espectro óptico é característico do material contido em uma amostra.

Características de raios gama

O espectro de raios gama do urânio natural , mostrando cerca de uma dúzia de linhas discretas sobrepostas em um contínuo suave, permite identificar os nuclídeos. 226
Ra
, 214
Pb
, e 214
Bi
da cadeia de decaimento do urânio .

Os raios gama são a forma de radiação eletromagnética de maior energia , sendo fisicamente igual a todas as outras formas (por exemplo, raios X, luz visível, infravermelho, rádio), mas tendo (em geral) uma energia de fóton mais alta devido ao seu comprimento de onda mais curto. Por causa disso, a energia dos fótons de raios gama pode ser resolvida individualmente, e um espectrômetro de raios gama pode medir e exibir as energias dos fótons de raios gama detectados.

Os núcleos radioativos ( radionuclídeos ) comumente emitem raios gama na faixa de energia de alguns keV a ~ 10  MeV , correspondendo aos níveis de energia típicos em núcleos com vidas razoavelmente longas. Essas fontes normalmente produzem "espectros de linha" de raios gama (ou seja, muitos fótons emitidos em energias discretas ), enquanto energias muito mais altas (acima de 1  TeV ) podem ocorrer no espectro contínuo observado na astrofísica e na física de partículas elementares. A fronteira entre os raios gama e os raios X é um pouco borrada, já que os raios X normalmente se referem à emissão eletrônica de alta energia de átomos, que pode se estender a mais de 100 keV, enquanto as emissões de energia mais baixas dos núcleos são normalmente chamadas de raios gama, embora seus as energias podem estar abaixo de 20 keV.

Componentes de um espectrômetro gama

Equipamento de laboratório para determinação do espectro de radiação γ com contador de cintilação. A saída do contador de cintilação vai para um Analisador multicanal que processa e formata os dados.

Os principais componentes de um espectrômetro gama são o detector de radiação sensível à energia e os dispositivos eletrônicos que analisam os sinais de saída do detector, como um classificador de pulsos (ou seja, analisador multicanal ). Componentes adicionais podem incluir amplificadores de sinal, medidores de taxa, estabilizadores de posição de pico e dispositivos de manipulação de dados.

Detector

Os detectores de espectroscopia gama são materiais passivos capazes de interagir com os raios gama que chegam. Os mecanismos de interação mais importantes são o efeito fotoelétrico , o efeito Compton e a produção de pares . Por meio desses processos, a energia do raio gama é absorvida e convertida em um sinal de voltagem, detectando a diferença de energia antes e depois da interação (ou, em um contador de cintilação , os fótons emitidos por meio de um fotomultiplicador ). A voltagem do sinal produzido é proporcional à energia do raio gama detectado. Os materiais de detecção comuns incluem contadores de cintilação de iodeto de sódio (NaI) e detectores de germânio de alta pureza .

Para determinar com precisão a energia do raio gama, é vantajoso que ocorra o efeito fotoelétrico, pois ele absorve toda a energia do raio incidente. Absorver toda a energia também é possível quando uma série desses mecanismos de interação ocorre dentro do volume do detector. Com a interação Compton ou produção de pares, uma parte da energia pode escapar do volume do detector, sem ser absorvida. A energia absorvida, portanto, dá origem a um sinal que se comporta como um sinal de um raio de menor energia. Isso leva a uma característica espectral que se sobrepõe às regiões de menor energia. O uso de volumes maiores de detector reduz esse efeito.

Aquisição de dados

Os pulsos de voltagem produzidos para cada raio gama que interage com o volume do detector são então analisados ​​por um analisador multicanal (MCA). Ele pega o sinal de tensão transiente e o remodela em uma forma gaussiana ou trapezoidal . A partir desta forma, o sinal é então convertido em uma forma digital. Em alguns sistemas, a conversão analógica para digital é realizada antes que o pico seja remodelado. O conversor analógico-digital (ADC) também classifica os pulsos por altura em compartimentos ou canais específicos . Cada canal representa uma faixa específica de energia no espectro, o número de sinais detectados para cada canal representa a intensidade espectral da radiação nesta faixa de energia. Ao alterar o número de canais, é possível ajustar a resolução espectral e a sensibilidade .

Princípio do Analisador de Altura de Pulso: Três pulsos, 1 , 2 e 3, são detectados em tempos t diferentes . Dois discriminadores emitem um sinal de contagem se o nível de tensão definido for atingido por um pulso. Pulso 2 gatilhos do Nível Inferior E L , mas não o Nível Superior E U . Pulso 2 é, portanto, contado na região espectral denotado como P . O contador anti-coincidência evita que um pulso seja classificado em mais de uma região

Um analisador multicanal usa um ADC rápido para registrar os pulsos de entrada e armazena informações sobre os pulsos de uma das duas maneiras:

A saída do analisador multicanal é enviada a um computador, que armazena, exibe e analisa os dados. Uma variedade de pacotes de software estão disponíveis de vários fabricantes e geralmente incluem ferramentas de análise de espectro, como calibração de energia, área de pico e cálculo de área líquida e cálculo de resolução.

Desempenho do detector

Os sistemas de espectroscopia gama são selecionados para aproveitar as vantagens de várias características de desempenho. Dois dos mais importantes incluem a resolução do detector e a eficiência do detector.

Resolução do detector

Os raios gama detectados em um sistema espectroscópico produzem picos no espectro. Esses picos também podem ser chamados de linhas por analogia à espectroscopia óptica. A largura dos picos é determinada pela resolução do detector, uma característica muito importante dos detectores espectroscópicos gama, e a alta resolução permite ao espectroscopista separar duas linhas gama próximas uma da outra. Os sistemas de espectroscopia gama são projetados e ajustados para produzir picos simétricos da melhor resolução possível. A forma do pico é geralmente uma distribuição gaussiana . Na maioria dos espectros, a posição horizontal do pico é determinada pela energia do raio gama, e a área do pico é determinada pela intensidade do raio gama e a eficiência do detector.

A figura mais comum usada para expressar a resolução do detector é a largura total na metade do máximo (FWHM). Esta é a largura do pico dos raios gama na metade do ponto mais alto da distribuição do pico. Os números de resolução são dados com referência às energias de raios gama especificadas. A resolução pode ser expressa em termos absolutos (ou seja, eV ou MeV) ou relativos. Por exemplo, um detector de iodeto de sódio (NaI) pode ter um FWHM de 9,15 keV a 122 keV e 82,75 keV a 662 keV. Esses valores de resolução são expressos em termos absolutos. Para expressar a resolução em termos relativos, o FWHM em eV ou MeV é dividido pela energia do raio gama e geralmente mostrado como porcentagem. Usando o exemplo anterior, a resolução do detector é de 7,5% a 122 keV e 12,5% a 662 keV. Um detector de germânio pode fornecer resolução de 560 eV a 122 keV, produzindo uma resolução relativa de 0,46%.

Eficiência do detector

Nem todos os raios gama emitidos pela fonte que passam pelo detector irão produzir uma contagem no sistema. A probabilidade de um raio gama emitido interagir com o detector e produzir uma contagem é a eficiência do detector. Os detectores de alta eficiência produzem espectros em menos tempo do que os detectores de baixa eficiência. Em geral, detectores maiores têm maior eficiência do que detectores menores, embora as propriedades de blindagem do material do detector também sejam fatores importantes. A eficiência do detector é medida comparando um espectro de uma fonte de atividade conhecida com as taxas de contagem em cada pico com as taxas de contagem esperadas das intensidades conhecidas de cada raio gama.

A eficiência, assim como a resolução, pode ser expressa em termos absolutos ou relativos. As mesmas unidades são usadas (ou seja, porcentagens); portanto, o espectroscopista deve tomar cuidado para determinar que tipo de eficiência está sendo fornecido para o detector. Os valores de eficiência absoluta representam a probabilidade de que um raio gama de uma energia especificada que passa pelo detector interaja e seja detectado. Os valores de eficiência relativa são frequentemente usados ​​para detectores de germânio e comparam a eficiência do detector a 1332 keV com a de um detector de 3 in × 3 em NaI (ou seja, 1,2 × 10-3  cp s / Bq a 25 cm). Valores de eficiência relativa maiores do que cem por cento podem, portanto, ser encontrados ao trabalhar com detectores de germânio muito grandes.

A energia dos raios gama sendo detectados é um fator importante na eficiência do detector. Uma curva de eficiência pode ser obtida traçando a eficiência em várias energias. Esta curva pode então ser usada para determinar a eficiência do detector em energias diferentes daquelas usadas para obter a curva. Os detectores de germânio de alta pureza (HPGe) normalmente têm maior sensibilidade.

Detectores de cintilação

Os detectores de cintilação usam cristais que emitem luz quando os raios gama interagem com os átomos nos cristais. A intensidade da luz produzida é geralmente proporcional à energia depositada no cristal pelo raio gama; uma situação bem conhecida em que essa relação falha é a absorção de radiação <200 keV por detectores de iodeto de sódio intrínsecos e dopados. O mecanismo é semelhante ao de um dosímetro termoluminescente . Os detectores são unidos a fotomultiplicadores ; um fotocátodo converte a luz em elétrons; e, em seguida, usando dinodos para gerar cascatas de elétrons através da produção de raios delta, o sinal é amplificado. Cintiladores comuns incluem tálio - dopado iodeto de sódio (Nal (Tl)) - frequentemente simplificado para iodeto de sódio (Nal) detectores e germanato de bismuto (BGO). Como os fotomultiplicadores também são sensíveis à luz ambiente, os cintiladores são protegidos por coberturas à prova de luz.

Os detectores de cintilação também podem ser usados ​​para detectar radiação alfa e beta .

Detectores baseados em iodeto de sódio

Figura 1: Espectro gama de iodeto de sódio de césio-137 (137
Cs
)
Figura 2: Espectro gama de iodeto de sódio de cobalto-60 (60
Co
)

O iodeto de sódio dopado com tálio (NaI (Tl)) tem duas vantagens principais:

  1. Pode ser produzido em grandes cristais, rendendo boa eficiência e
  2. ele produz explosões intensas de luz em comparação com outros cintiladores espectroscópicos.

NaI (Tl) também é conveniente de usar, tornando-o popular para aplicações de campo, como a identificação de materiais desconhecidos para fins de aplicação da lei.

A recombinação de buracos de elétrons emitirá luz que pode reexcitar cristais de cintilação puros; entretanto, o dopante de tálio em NaI (Tl) fornece estados de energia dentro do gap entre as bandas de condução e valência. Após a excitação em cristais de cintilação dopados, alguns elétrons na banda de condução irão migrar para os estados de ativador; as transições descendentes dos estados do ativador não excitarão novamente o cristal dopado, portanto, o cristal é transparente a esta radiação.

Um exemplo de espectro NaI é o espectro gama do isótopo de césio137
Cs
- consulte a Figura 1 .137
Cs
emite uma única linha gama de 662 keV. A linha 662 keV mostrada é, na verdade, produzida por137m
BA
, o produto da decadência de137
Cs
, que está em equilíbrio secular com137
Cs
.

O espectro na Figura 1 foi medido usando um cristal de NaI em um fotomultiplicador, um amplificador e um analisador multicanal. A figura mostra o número de contagens dentro do período de medição versus o número do canal. O espectro indica os seguintes picos (da esquerda para a direita):

  1. radiação de baixa energia x (devido à conversão interna do raio gama),
  2. retroespalhamento na extremidade de baixa energia da distribuição Compton , e
  3. um fotopico (pico de energia total) a uma energia de 662 keV

A distribuição Compton é uma distribuição contínua que está presente até o canal 150 na Figura 1. A distribuição surge por causa dos raios gama primários passando pelo espalhamento Compton dentro do cristal: Dependendo do ângulo de espalhamento, os elétrons Compton têm energias diferentes e, portanto, produzem pulsos em diferentes canais de energia.

Se muitos raios gama estiverem presentes em um espectro, as distribuições de Compton podem apresentar desafios de análise. Para reduzir os raios gama, um escudo anticoincidência pode ser usado - veja supressão de Compton . As técnicas de redução de raios gama são especialmente úteis para pequenos detectores de germânio dopado com lítio (Ge (Li)).

O espectro gama mostrado na Figura 2 é do isótopo de cobalto60
Co
, com dois raios gama com 1,17 MeV e 1,33 MeV respectivamente. ( Ver o esquema de decaimento artigo para o esquema de decaimento de cobalto-60. ) As duas linhas de gama pode ser visto bem separados; o pico à esquerda do canal 200 provavelmente indica uma forte fonte de radiação de fundo que não foi subtraída. Um pico de retroespalhamento pode ser visto no canal 150, semelhante ao segundo pico na Figura 1.

Os sistemas de iodeto de sódio, como todos os sistemas cintiladores, são sensíveis às mudanças de temperatura. Mudanças na temperatura operacional causadas por mudanças na temperatura ambiente irão deslocar o espectro no eixo horizontal. Mudanças de pico de dezenas de canais ou mais são comumente observadas. Essas mudanças podem ser evitadas usando estabilizadores de espectro .

Devido à baixa resolução dos detectores baseados em NaI, eles não são adequados para a identificação de misturas complicadas de materiais produtores de raios gama. Os cenários que requerem tais análises requerem detectores com resolução mais alta.

Detectores baseados em semicondutores

Espectro gama de germânio de uma fonte radioativa Am-Be.

Os detectores de semicondutores , também chamados de detectores de estado sólido, são fundamentalmente diferentes dos detectores de cintilação: eles dependem da detecção dos portadores de carga (elétrons e lacunas) gerados nos semicondutores pela energia depositada pelos fótons de raios gama.

Em detectores de semicondutores, um campo elétrico é aplicado ao volume do detector. Um elétron no semicondutor é fixado em sua banda de valência no cristal até que uma interação de raios gama forneça ao elétron energia suficiente para se mover para a banda de condução . Os elétrons na banda de condução podem responder ao campo elétrico no detector e, portanto, mover-se para o contato positivo que está criando o campo elétrico. A lacuna criada pelo elétron em movimento é chamada de "buraco" e é preenchida por um elétron adjacente. Esse embaralhamento de orifícios move efetivamente uma carga positiva para o contato negativo. A chegada do elétron no contato positivo e o buraco no contato negativo produz o sinal elétrico que é enviado para o pré-amplificador, o MCA, e através do sistema para análise. O movimento de elétrons e lacunas em um detector de estado sólido é muito semelhante ao movimento de íons dentro do volume sensível de detectores cheios de gás, como câmaras de ionização .

Os detectores baseados em semicondutores comuns incluem germânio , telureto de cádmio e telureto de cádmio e zinco .

Os detectores de germânio fornecem resolução de energia significativamente melhorada em comparação com os detectores de iodeto de sódio, conforme explicado na discussão anterior sobre resolução. Os detectores de germânio produzem a resolução mais alta comumente disponível hoje. No entanto, uma desvantagem é a exigência de temperaturas criogênicas para a operação dos detectores de germânio, normalmente por resfriamento com nitrogênio líquido .

Interpretação de medições

Pico de retroespalhamento

Em uma configuração de detector real, alguns fótons podem e irão passar por um ou mais processos de espalhamento Compton (por exemplo, no material do invólucro da fonte radioativa, no material de proteção ou outro material ao redor do experimento) antes de entrar no material do detector. Isso leva a uma estrutura de pico que pode ser vista no espectro de energia mostrado acima de137
Cs
(Figura 1, o primeiro pico à esquerda da borda Compton), o chamado pico de retroespalhamento. A forma detalhada da estrutura do pico de retroespalhamento é influenciada por muitos fatores, como a geometria do experimento (geometria da fonte, posição relativa da fonte, proteção e detector) ou o tipo do material circundante (dando origem a diferentes proporções das seções transversais do efeito Foto e Compton).

O princípio básico, no entanto, é o seguinte:

  • Fontes de raios gama emitem fótons isotropicamente
  • Alguns fótons passarão por um processo de espalhamento Compton, por exemplo, no material de proteção ou no alojamento da fonte com um ângulo de espalhamento próximo a 180 ° e alguns desses fótons serão subsequentemente detectados pelo detector.
  • O resultado é uma estrutura de pico com aproximadamente a energia do fóton incidente menos a energia da borda Compton.

Picos de escape único e duplo escape

Para energias de fótons incidentes E maiores que duas vezes a massa de repouso do elétron (1,022 MeV), a produção de pares pode ocorrer. O pósitron resultante se aniquila com um dos elétrons ao redor, normalmente produzindo dois fótons com 511 keV. Em um detector real (ou seja, um detector de tamanho finito), é possível que após a aniquilação:

  • Ambos os fótons depositam sua energia no detector.
  • Um dos dois fótons escapa do detector e apenas um dos fótons deposita sua energia no detector, resultando em um pico com E - 511 keV, o único pico de escape.
  • Ambos os fótons escapam do detector, resultando em um pico com E - 2 × 511 keV, o pico de escape duplo.

O espectro da fonte Am-Be acima mostra um exemplo de pico de escape simples e duplo em uma medição real.

Calibração e radiação de fundo

Se um espectrômetro gama for usado para identificar amostras de composição desconhecida, sua escala de energia deve ser calibrada primeiro. A calibração é realizada usando os picos de uma fonte conhecida, como césio-137 ou cobalto-60. Como o número do canal é proporcional à energia, a escala do canal pode ser convertida em uma escala de energia. Se o tamanho do cristal do detector for conhecido, também se pode realizar uma calibração de intensidade, de modo que não apenas as energias, mas também as intensidades de uma fonte desconhecida - ou a quantidade de um determinado isótopo na fonte - possam ser determinadas.

Como alguma radioatividade está presente em todos os lugares (ou seja, radiação de fundo ), o espectro deve ser analisado quando nenhuma fonte estiver presente. A radiação de fundo deve então ser subtraída da medição real. Absorventes de chumbo podem ser colocados em torno do aparelho de medição para reduzir a radiação de fundo.

Veja também

Trabalhos citados

  • Gilmore G, Hemingway J. Practical Gamma-Ray Spectrometry. John Wiley & Sons, Chichester: 1995, ISBN  0-471-95150-1 .
  • Knoll G, Detecção e medição de radiação. John Wiley & Sons, Inc. NY: 2000, ISBN  0-471-07338-5 .
  • Nucleonica Wiki. Gerador de espectro gama . Acessado em 8 de outubro de 2008.

Referências

links externos