Espectroscopia gamma - Instituto Balseiro - CNEA

Informe Nº3
Espectrometría gamma con detectores de
Ge(Li) y NaI
Babaglio, Magni, Pieck, Rodríguez Nieva, Weisman
Ingeniería Nuclear
Instituto Balseiro – Bariloche, Argentina.
25/10/2007

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
Espectrometría gamma con
detectores de NaI y Ge(Li)
Babaglio, Danilo; Magni, Celeste; Pieck, Darío; Rodríguez Nieva, Joaquín; Weisman, Ignacio.
Se detectó radiación gamma proveniente de diferentes fuentes usando detectores
de NaI y de Ge(Li). Se observaron las características principales de un espectro de
altura de pulsos generado por este tipo de radiación debido a las distintas
interacciones: efecto fotoeléctrico, Compton y creación de pares, como así
también efectos debido al backscattering. Se comprobó la superioridad en
resolución del semiconductor (Ge(Li)) frente al centellador(NaI), y su inferioridad
en eficiencia. Con los espectros obtenidos se calibraron los detectores para realizar
espectrometría gamma. La curva de calibración canal-energía fue lineal. También
se analizó el espectro de fondo ambiente con Ge(Li).
1. Introducción
La espectrometría gamma es un importante método para la determinación de la energía de la
radiación gamma de una fuente. La mayoría de las fuentes radioactivas producen rayos
gamma de varias energías e intensidades características de cada núcleo. La espectroscopia
gamma se usa para determinar la identidad y la cantidad de estos emisores.
La radiación gamma se caracteriza por no tener carga y por lo tanto, no producir ionización
directa. La detección de los mismos depende estrictamente de interacciones entre el fotón y el
material del detector. Cuando el gamma deposita su energía en él, produce electrones
rápidos, los cuales son los portadores de información. Los mecanismos básicos de
transferencia de energía son efecto fotoeléctrico, Compton y creación de pares. La
información obtenida se grafica en un espectro de altura de pulsos. Las interacciones producen
efectos distintos en un espectro. En el efecto fotoeléctrico se absorbe toda la energía del
gamma, produciendo fotoelectrones. Esto produce un pico en el espectro, correspondiente a
la energía del gamma (fotopico). En la interacción Compton, el gamma no es absorbido y el
electrón se lleva parte de la energía. Por lo tanto, la radiación deposita una proporción de la
energía en el detector. En la creación de pares, se generan un electrón y un positrón,
generando un pico con una energía total menor en 1,022 MeV que la energía de la radiación
gamma incidente. La energía umbral para este proceso es de 1,022Mev. De acuerdo a la
geometría del detector pueden observarse otros picos, como el double escape, o single escape,
en los cuales, los dos fotones provenientes de la aniquilación del positrón no son absorbidos, o
uno si y el otro no respectivamente. Otro fenómeno interesante es el de backscattering, en el
cual la radiación interacciona con otros elementos antes de ser detectados, produciendo picos
de menor energía. El espectro característico se observa en la figura 1.
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 2 -

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
FIGURA 1. Espectro de altura de pulsos característico de la radiación gamma. Se observan los efectos en
el espectro debido a la interacción Compton, efecto fotoeléctrico y creación de pares.
Los detectores más comunes para la espectroscopia gamma son el centellador de yoduro de
sodio (NaI) y de germanio de alta pureza (o también Ge-Li).
2. Esquema experimental
Las primeras mediciones se realizaron con un detector de NaI. Para ello se utilizó un detector
de NaI, amplicador, un MCA y una PC. El arreglo experimental se indica en la figura 2. Junto a
cada fuente se colocaron dos ladrillos de plomo de manera simétrica. Inicialmente se midió el
espectro debido al fondo, y luego se colocaron diferentes fuentes sobre el portafuentes y se
midieron los espectros. El esquema de medición fue en 512 canales del MCA, con un tiempo
de medición de 200 segundos. Para observar el backscattering se colocó un ladrillo de plomo y
otro de epoxi borado detrás de la fuente como indica la figura (ladrillo punteado).
Para ajustar los parámetros del circuito se usó una fuente de 60 Co de manera de asegurar que
ambos picos (1173 y 1332KeV, los más energéticos de las fuentes usadas) puedan ser
observados dentro de los 512 canales del multicanal.
También se usó un detector de Ge(Li). El arreglo experimental presentaba una configuración
similar a la anterior, con la diferencia que se usó un tanque de N 2 (l) para refrigerar al detector.
Se midieron diferentes espectros usando distintas fuentes. También se usaron 512 canales del
MCA, midiendo durante 200 segundos.
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 3 -

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
Pb
*
NaI
(Tl)
PM PRE AMP
MCA
Pb
PC
FIGURA 2. Esquema experimental. Se colocaron dos ladrillos de plomo a ambos lados de la fuente. En
algunas mediciones se colocó un ladrillo detrás de la misma para observar el backscattering.
3. Discusión
3.1. Detector de NaI:
Se midió el espectro de altura de pulsos obtenido con un detector de NaI y diversas fuentes
con el objetivo de calibrar el detector para hacer espectrometría gamma. En la figura 3 se
observa el espectro de altura de pulsos sin ninguna fuente (fondo). El mismo se caracteriza por
ser un espectro decreciente, aportando con pocas cuentas en los canales superiores del
espectro.
FIGURA 3. Espectro de altura de
pulsos debido al fondo usando un
detector de NaI en 512 canales. El
tiempo de medición fue de 200s.
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 4 -

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
La figura 4 muestra el espectro obtenido usando una fuente de 60 Co. Se observan los dos picos
correspondientes a la radiación gamma de 1173 y 1332 KeV. En canales inferiores aparece el
talón Compton y montado sobre el mismo, un pico adicional. Se determinó que el origen del
mismo fue debido a backscattering con los bloques de plomo que se encontraban junto a las
fuentes (ver líneas punteadas en esquema experimental). Luego de realizada la calibración (ver
sección 3.2), se halló que la energía correspondiente al pico fue de 243±18 KeV. Se sabe que el
efecto Comton cumple con la ecuación
'
Eγ
Eγ
=
Eγ
1+
(1 − cosθ
)
2
mec
La energía mínima de salida (backscattering a 180°) correspondiente a los gamma de 1332 KeV
es
' 1332
Eγ
=
= 215KeV
1332
0
1+
(1 − cos180 )
511
y la correspondiente a los de 1173 KeV es
' 1173
Eγ
=
= 210KeV
1173
0
1+
(1 − cos180 )
511
Por lo tanto, el pico es compatible desde el punto de vista energético con la afirmación
anterior, dentro de una tolerancia de 5%. Veamos que también es compatible desde el punto
de vista geométrico. Sabiendo que el pico de backscattering se encuentra en 243±18 KeV, se
procede a calcular el ángulo del gamma saliente resolviendo
1332
243 =
1332
1+
(1 − cosθ
)
511
El ángulo obtenido es de (136±13)°. Repitiendo el mismo cálculo para el segundo pico
(1173KeV) se obtiene un ángulo de (132±12)°. En consecuencia, ambos gammas vienen de la
dirección correspondiente a los ladrillos, según se indica en la figura 2.
En la figura 5 se observa el espectro de 133 Ba. Se aprecian cuatro picos principales. Los tres más
energéticos corresponden a la radiación gamma de 81, 303 y 356 KeV. El pico más alto (del
orden de 10 5 cuentas) en los canales más bajos es de origen desconocido. El mismo
corresponde a una energía (una vez hecha la calibración) de 26±3 KeV. Se observó un pico de
características similares (similar número de cuentas y en los mismos canales) en los espectros
de 137 Cs y 241 Am, por lo que se puede atribuir a alguna fuente de ruido. El mismo no puede ser
generado por Backscattering con el plomo debido a que no se cumplen las condiciones
energéticas: las energías mínimas (θ=180°) por efecto Compton con el plomo debido a los
gammas de 81, 303 y 356 KeV son 61, 139, 148 KeV respectivamente. El mismo puede deberse
también a alguna desexcitación del núcleo a éstas energías.
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 5 -

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
Backscattering
Talón
Compton
canal
FIGURA 4. Espectro de 60 Co. Los dos picos en los canales superiores de la figura son los correspondientes
a 1.17MeV y 1.33 MeV. Aparece también el talón Compton y un pico correspondientes a backscattering.
También se observan los talones Compton y en los canales más altos se observa únicamente
los pulsos generados por el ruido.
FIGURA 5. Espectro de 133 Ba. Hay tres picos principales correspondientes a 81, 303, 356 KeV y uno
correspondiente a 26±3 KeV. En canales más bajos con respecto a cada pico principal se observan los
correspondientes talones Compton.
En el espectro de 137 Cs (figura 6) se presenta el pico principal correspondiente a 661 KeV. Sobre
el talón Compton se observa un pico secundario. El mismo se debe a backscattering con el
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 6 -

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
bloque de plomo. Nuevamente se verificó la compatiblidad geométrica y energética como en
el caso de 133 Ba. La energía mínima de salida de backscattering de un gamma de 661 KeV es de
184 KeV. El pico se encuentra en el canal 69±2, correspondiente a una energía de 201±6 KeV.
El ángulo de backscattering correspondiente es (140±7)°, por lo que, como antes, es
compatible geométricamente. Como en el espectro de 133 Ba, se observó un pico en el canal
11±1. El mismo no se corresponde con backscattering, por lo que puede ser atribuido a ruido o
a algún gamma a esas energías.
Canal
FIGURA 6. Espectro de 137 Cs. Se observa el pico principal de 661 KeV, y sobre el talón Compton un pico
secundario debido a backscattering.
El 241 Am presenta dos picos (figura 7). El primero de ellos corresponde a una energía de 26 KeV
y el segundo de 60 KeV. En los canales superiores se observa el espectro de fondo. En este
caso también aparece el pico en el canal 11±1 que se observó en las muestras anteriores.
En el espectro de 22 Na (figura 8) se observa un débil pico correspondiente a la energía de 511
KeV, superpuesto al espectro de fondo. El mismo es debido a la aniquilación del positrón
proveniente del decaimiento β + del núcleo. Debido a ser una fuente poco intensa, el espectro
de altura de pulsos se caracteriza por estar dominada por el ruido. No se observaron otras
características distintivas en el espectro.
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 7 -

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
Canal
FIGURA 7. Espectro de 241 Am. Se observan dos picos en los canales más bajos. Uno corresponde a 26 y el
otro a 60 KeV. Nuevamente se observa el pico en el canal 11±1 y el ruido en los canales superiores.
FIGURA 8. Espectro de 22 Na. Se observa un único pico correspondiente a la energía de la radiación
proveniente de la aniquilación del positrón por el decaimiento β + .
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 8 -

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
También se midieron espectros debido a diferentes fuentes, como 54 Mn, 203 Hg y sal dietética
de mesa. En los dos primeros se obtuvo el espectro de fondo, debido a que las fuentes no
presentaban actividad. Esto era de esperar ya que el tiempo de vida medio de las mismas son
300 días y 47 días respectivamente, y las fuentes son del año 1977. No se observan diferencias
significativas entre el espectro de la sal de mesa dietética y de fondo, salvo en los canales
superiores, donde aparecen un número levemente mayor de cuentas debido a las presencia
40 K (figura 9) (cuya energía es de 1461 KeV).
FIGURA 9. Espectro de sal de mesa y de fondo. No se observan diferencias significativas, salvo en los
canales superiores, donde aparece un aporte debido al 40 K, presente en la sal dietética.
Para verificar la estabilidad de los instrumentos se repitió la medición del espectro de 133 Ba
(uno de los primeros en ser medidos). En la figura 10 se observa que los picos se encuentran
en los mismos canales, aunque las cuentas medidas no sean las mismas. Esto puede ser debido
a que el número total de cuentas depende de la posición de la fuente con respecto al detector,
y en ambas experiencias la ubicación no fue exactamente la misma.
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 9 -

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
FIGURA 10. Verificación de la estabilidad del experimento. Se observa una caída en las mediciones
debido a una variación en la posición de la fuente, pero se verifica que los picos se encuentran en los
mismos canales.
Luego se observó el efecto de agregar bloques de epoxi borado y Pb detrás de la fuente de
137 Cs, con el objetivo de observar el efecto de backscattering. La figura 11 muestra la curva de
137 Cs medida inicialmente superpuesta con la de backscattering con epoxi borado y plomo. En
este último caso se observa la presencia de un pico ancho, generado por el backscattering con
el plomo. No se observaron diferencias significativas en la forma de la curva, salvo en el
número de cuentas obtenido, debido a que la fuente no fue colocada exactamente en el
mismo lugar que antes. En la figura 12 se observa el espectro de altura de pulsos ampliado en
la región donde se observa backscattering debido al plomo.
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 10 -

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
FIGURA 11. Espectro obtenido usando una fuente de 137 Cs colocando detrás de la fuente un
bloque de epoxi borado, de plomo y sin colocar nada. No se observaron grandes diferencias en
el mismo.
FIGURA 12. Ampliación de espectro obtenido usando una fuente de 137Cs Se observa la
presencia de un pico adicional debido al backscattering, esto no se observa con el bloque de
epoxi.
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 11 -

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
3.2. Calibración instrumentos:
Se realizó la curva de calibración del detector de NaI usando los espectros anteriores, y los
valores tabulados de energía de las fuentes. Para calibrar es necesario buscar la ubicación del
pico (en qué canal se encuentra) y la incerteza en la misma. A este canal se le asocia la energía
del gamma encontrado en tablas. Se usaron dos criterios.
Criterio 1: para hallar el canal donde se encuentra el pico se busca el que contiene mayor
número de cuentas, restando el espectro de fondo al ya obtenido. Para hallar la incerteza se
supone que el proceso de medición sigue una estadística de Poisson, por lo que la dispersión
en las cuentas de cada canal es
todos los canales de modo tal que el intervalo de incerteza (N i -
N
i
, siendo N i el número de cuentas. Se buscan entonces
N
i
; N i +
N
i
) se solape con
el intervalo del que tiene mayor número de cuentas. La curva obtenida se graficó en la figura
13. Se halló que si no se hubiera restando el fondo, el resultado hubiera sido el mismo. Se
encontró una relación lineal entre el canal y la energía.
FIGURA 13. Recta de calibración usando el criterio 1. Los puntos se ajustaron con la recta
Canal=(3.0±0.7)+(0.331±0.001)E(KeV)
Criterio 2: para caracterizar el pico se definió un ancho efectivo usando la altura mitad del
pico. El canal en el que se encuentra el pico se obtiene según
según σ =
C
∑
( Ci − C )
∑
Ni
2
∑
∑
CiNi
C = y la dispersión
Ni
Ni
, donde Ci son los canales correspondientes al ancho efectivo
y Ni sus respectivas cuentas. La calibración obtenida se encuentra en la figura 14. Con este
criterio se usaron dos puntos menos que en el anterior, debido a que el método falla cuando
los picos se superponen, como en el caso de 133 Ba.
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 12 -

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
FIGURA 14. Recta de calibración usando el criterio 2. Con éste criterio se usan menos puntos que en el
anterior. Los puntos se ajustaron con la recta Canal=(3±1)+(0.327±0.002)E(KeV).
Usando ambos criterios se obtiene una relación lineal entre el canal y la energía, lo que hace
relativamente fácil la calibración de los instrumentos.
3.3. Detector de Ge(Li):
Se comparó un detector de Ge(Li) con uno de NaI para observar las diferencias en los
espectros de altura de pulsos obtenidos, a partir de una fuente de 60 Co (figura 12).
FIGURA 12.
Comparación de
los espectros
obtenidos a
partir de un
detector de NaI
y Ge(Li). Se
observa que el
Ge(Li) presenta
una mayor
resolución de los
picos, aunque
una menor tasa
de conteo
debido a su
menor
eficiencia.
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 13 -

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
La principal diferencia entre ambos es la resolución obtenida en el espectro. El ancho de los
picos usando un detector de Ge(Li) es mucho menor que usando un detector de NaI, lo que
significa que su resolución es mejor. Ésta es una ventaja de los semiconductores sobre los
centelladores. Sin embargo, la eficiencia del NaI es mayor que la del Ge(Li), debido al mayor
número de cuentas que efectuaron los mismos. Ésta es uno de las ventajas de los
centelladores. En la figura se observan, además de los picos característicos del 60 Co, el talón
Compton. En el espectro medido con NaI se observa además el pico de backscattering, debido
a que durante la medición con el mismo se colocó un ladrillo de plomo detrás de la fuente.
Usando éste espectro se calibró el detector de Ge(Li) usando los métodos analizados
anteriormente y se midió el espectro de altura de pulsos para una fuente de AmBe (figura 13).
En la misma se observan los picos correspondientes a las diferentes energías de los gamma de
la fuente, los picos correspondientes a single escape, double escape y los talones Compton.
Pico de 495
KeV debido
a 241Am
Single
escape
Fotopico
en 1075
KeV
Double
escape
Talón
Compton
FIGURA 13. Espectro de altura de pulsos de una fuente de Am-Be. La escala se calibró con la fuente de
60 Co.
Finalmente se midió el espectro de altura de pulsos del fondo (figura 14). En el mismo se
usaron 2048 canales, y se midió durante 200000 s. Se indican algunos de los picos principales.
Para caracterizarlos se identificaron los picos más intensos, el de 208Tl y el de 40K. Con estos
dos picos se realizó una primera calibración del instrumento, usando el método 1 descrito
anteriormente. Una vez hecha la calibración se identificaron los picos mediante valores
tabulados. Esto permitió hacer una segunda calibración utilizando más puntos.
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 14 -

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
FIGURA 14. Espectro de fondo usando un detector de Ge(Li). Se identificaron varios picos identificando
inicialmente los correspondientes a 208Tl y 214Bi, los más intensos del espectro.
Los picos observados en los canales más bajos se deben a la presencia de ruido y a los hijos del
uranio y del torio, presentes en la corteza terrestre.
4. Conclusiones
Usando un detector de NaI se midió el espectro de altura de pulsos correspondiente a
diferentes fuentes: 60 Co, 133 Ba, 241 Am, 137 Cs, 22 Na, 54 Mn, 203 Hg y sal de mesa dietética. Para cada
espectro se observaron las características principales correspondientes a un espectro medido
con centelladores: ruido, talones Compton, picos de backscattering, fotopicos. En los espectros
de 133 Ba, 241 Am y 137 Cs se observaron picos que fueron atribuidos a ruido.
En los espectros con fuentes de 137 Cs y 60 Co se observó la presencia de picos de backscattering.
Se verificó que los mismos cumplan las condiciones energéticas y geométricas para ser
considerados consecuencia de backscattering y no de algún otro fenómeno. Las fuentes de
54 Mn y 203 Hg no presentaron actividad, debido a la corta vida media de los estados excitados,
comparadas con la fecha de producción. La sal de mesa dietética presentó baja actividad, la
cual era debida al 40 K.
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 15 -

Informe Nº3: Espectroscopia gamma – Mediciones Nucleares 2007 – Instituto Balseiro
Se verificó la estabilidad de los instrumentos midiendo por segunda vez una fuente, y se
comprobó que los picos no se desplazaron. También se agregó un ladrillo de epoxi borado y
uno de plomo detrás de la fuente para observar el backscattering. En el primer caso no se
observó el fenómeno, mientras que en el segundo apareció un pico secundario en el espectro.
Con los espectros de altura de pulsos obtenidos se realizó la calibración de los intrumentos.
Para ello se usaron dos criterios que presentaron valores similares.
También se realizaron mediciones con un detector de Ge(Li) y se compararon los espectros
obtenidos con un detector de NaI. Se observó que el detector semiconductor tiene más
resolución que el centellador, pero éste último tiene mayor eficiencia, debido al mayor contaje
de eventos que tuvo. También se observó un pico adicional en el espectro debido al agregado
de un ladrillo de plomo. Con la fuente de 60 Co se calibró el instrumento y se usó el detector
para hacer espectrometría de una fuente de AmBe. También se midió el espectro de alturas de
pulsos debido a la radiación de fondo. Se calibró el mismo conociendo dos picos de alta
intensidad ( 40 K y 208 Tl). Con ellos se identificaron los picos restantes, los cuales se encontraban
tabulados.
Bibliografía
Glenn F. Knoll (1979) Radiation detection and measurement, USA, ISBN 0-471-49545-X
Tabla de Environmental Radionuclide Full-Energy Photopeak Energies –IAEA
http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/indx_adopted.jsp
Instituto Balseiro – UNCu – CNEA. Página - 16 -