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Spettrometria Gamma DIY

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La spettrometria gamma è lo studio quantitativo degli spettri di energia di fonti di raggi gamma, utilizzata in campi come l’industria nucleare, le indagini geochimiche ed in astrofisica.
La maggior parte delle sorgenti radioattive producono raggi gamma, che sono di svariate energie ed intensità. Quando queste emissioni vengono rilevate ed analizzate con un sistema di spettrometria, viene prodotto uno spettro di energia.


I Raggi Gamma sono la parte di più alta energia dello spettro elettromagnetica, sono fisicamente uguali  a tutte le altre forme di radiazione elettromagnetica (ad esempio, raggi X, luce visibile, infrarosso, radio) ma hanno energia elevata a causa della loro corta lunghezza d’onda. I nuclei radioattivi (radionuclidi) emettono comunemente raggi gamma nell’intervallo di energia da pochi keV a circa 10 MeV, corrispondenti ai livelli di energia tipici dei nuclei.

Componenti e Principi Generali

Le apparecchiature utilizzate nella spettroscopia gamma includono un rivelatore di energia sensibile alle radiazioni, l’elettronica di elaborazione dei segnali prodotti dal rivelatore, un analizzatore multicanale e relativi amplificatori e dispositivi di lettura dei dati per generare, visualizzare e memorizzare lo spettro. I rivelatori più comuni includono contatori a scintillazione a  ioduro di sodio (NaI), attivati al tallio (Tl) e rivelatori al germanio ad alta purezza (HpGe).
I rilevatori di spettroscopia gamma sono materiali passivi nei quali si verifica una interazione  gamma all’interno del volume del rivelatore. I principali meccanismi di interazione sono l’effetto fotoelettrico, l’effetto Compton e produzione di coppie. L’effetto fotoelettrico è quello preferibile, in quanto assorbe tutta l’energia del raggio gamma incidente.
L’impulso di tensione prodotta dal rivelatore (o dal fotomoltiplicatore in un contatore a scintillazione) è sagomato da un analizzatore multicanale (MCA). L’analizzatore multicanale prende un piccolo segnale in tensione prodotto dal rivelatore, lo rimodella in una forma gaussiana o trapezoidale e lo converte in un segnale digitale.

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Schema Generale di uno Spettrometro Gamma

Sonde a Scintillazione

I rivelatori a scintillazione utilizzano cristalli che emettono luce quando raggi gamma interagiscono con gli atomi nei cristalli. L’intensità della luce prodotta è proporzionale all’energia depositata nel cristallo dal raggio gamma.
I rilevatori sono uniti ai fotomoltiplicatori che convertono la luce in elettroni e quindi amplificano il segnale elettrico fornito da questi elettroni. Gli scintillatori più comuni sono ad esempio lo ioduro di sodio drogato tallio NaI(Tl), lo ioduro di cesio CsI(Tl) ed il germanato di bismuto (BGO). Poiché i fotomoltiplicatori sono sensibili anche alla luce ambientale, gli scintillatori vanno racchiusi in contenitori a tenuta di luce.

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Scintillatore e Fotomoltiplicatore

Apparecchiature

Sono state approntate due sonde a scintillazione : una per le media energie (fino ad 1MeV) ed una per alte energie (> 1MeV). Entrambe le sonde sono dotate di un cristallo scintillatore NaI(Tl).

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Assorbimento del cristallo NaI in funzione dell’energia gamma

La sonda per le medie energie ha un cristallo Hillger da 25,4 x 25,4 mm, accoppiato con un fotomoltiplicatore hamamatsu R6095. La sonda per alte energie ha un cristallo di fabbricazione russa da 63 x 63 mm accoppiato ad un fotomoltiplicatore hamamatsu R6233.

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Sonda da 63×63 mm e da 25×25 mm
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Pozzetto di Misura Schermato con Piombo

La sonda a scintillazione è collegata al preamplificatore – shaper PMT Adapter il quale invia gli impulsi, opportunamente amplificati e sagomati, all’ADC contenuto in una scheda audio USB. Gli impulsi vengono poi acquisiti dal software Theremino MCA che provvede a visualizzare sul display del PC lo spettro gamma della sorgente in esame.

PMT Adapter

Il PMT Adapter è un circuito progettato dal team Theremino, con lo scopo di fornire l’alta tensione per il PMT, di estrarre l’impulso proveniente dal PMT e di sagomarlo ed amplificarlo in maniera opportuna per inviarlo all’ADC della scheda audio del PC. La tensione al PMT è regolabile in un ampio intervallo di valori da 500V a 1000V oppure da 700V a 1500V a seconda del valore di una resistenza di feedback. Il circuito viene alimentato con 5Vdc e questa tensione può essere fornita direttamente dal USB del PC. La parte di sagomatura ed amplificazione dell’impulso provvede a produrre in uscita un impulso approssimativamente gaussiano di circa 100μs. Le immagini sotto mostrano lo schema del circuito ed il rendering del PCB popolato con i componenti. Per tutti i dettagli si può fare riferimento alla documentazione presente al link PMT Adapter.

L’impuso prodotto dal PMT viene “estratto” dalla linea HV mediante un condensatore di accoppiamento. L’impulso ha una ampiezza di 100-200mV, con polarità invertita, ed una durata inferiore ad 1μs. Come mostrato nella figura sotto.

La catena di shaping ed amplificazione ha lo scopo di “allungare” l’impulso fino ad una durata di circa 100μs, in modo da facilitare l’acquisizione da parte della scheda audio. Le immagini sotto mostrano gli impulsi che vengono inviati alla scheda audio per la digitalizzazione.

Theremino MCA

Theremino MCA è il software analizzatore multicanale per l’elaborazione degli impulsi provenienti dal PMT ed acquisiti e digitalizzati dalla scheda audio. Il software provvede a selezionare gli impulsi in modo da scartare gli impulsi malformati od affetti da troppo rumore. Gli impulsi vengono raggruppati (bin) in base all’ampiezza (proporzionale all’energia) allo scopo di produrre lo spettro gamma dell’emissione. Nella immagine sotto mostriamo un esempio di spettro gamma ottenuto con Theremino MCA. Per tutti i dettagli si può fare riferimento alla documentazione presente al link Theremino MCA.

Spettro Gamma della Radiazione Naturale di Fondo

Nella radiazione naturale di fondo terrestre, i principali radionuclidi sono potassio, uranio e torio e i loro prodotti di decadimento, alcuni dei quali, come il radio ed il radon sono intensamente radioattivi, ma sono presenti in basse concentrazioni. La maggior parte di queste sorgenti è andata diminuendo col tempo, a causa del decadimento radioattivo, dal priodo di formazione della Terra. Si deduce quindi che la presente attività da uranio-238 è solo la metà di quanto era in origine, a causa della sua emivita di 4,5 miliardi anni, mentre per il potassio-40 è solo circa l’8% della attività originale.
Torio e uranio subiscono principalmente decadimento alfa e beta, e non sono facilmente individuabili. Tuttavia, molti dei loro discendenti sono forti emettitori gamma.
Il torio-232 è rilevabile tramite il picco a 239 keV dal piombo-212, il picco a 2.614 keV dal tallio-208, ed i picchi a 911 e 969 keV da attinio-228.
L’uranio-238 si manifesta con i picchi di bismuto-214 a 609, 1120, e 1764 keV.
Il potassio-40 è rilevabile direttamente attraverso il suo picco gamma a 1.461 keV.

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Spettro gamma background Acquisito con Sonda a Scintillazione 63x63mm

Spettro Gamma dell’Isotopo Naturale Potassio 40K

L’isotopo radioattivo naturale del potassio subisce un duplice decadimento: per l’89% gli atomi di 40K si trasformano in 40Ca per decadimento β– ; per il restante 11% gli atomi di 40K si trasformano in 40Ar per cattura elettronica. Dalla misura di quest’ultimo decadimento, ottenibile con speciali apparecchiature, è quindi possibile risalire al contenuto totale di potassio corporeo. Il processo di decadimento del 40K in 40Ar è anche utilizzato nelle scienze della Terra come misura del tempo geologico sulla base del rapporto 40K /40Ar.
Per la misura è stata utilizzata la sonda con cristallo 63 x 63 mm, come campione sono stati utilizzati 800g di sale iposodico che corrispondono a 228g di potassio, che contengono lo 0,012% di  40K :
228 g di potassio -> 0,02736 g di isotopo 40K

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Spettro Gamma dell’isotopo K40 Acquisito con Sonda a Scintillazione 63x63mm

Spettro Gamma dell’Isotopo Naturale Lutezio 176Lu

Il lutezio naturale è composto di due isotopi di cui solo uno è stabile, 175Lu (abbondanza naturale 97,41%) mentre l’altro, il 176Lu decade beta con emivita di 3,78 × 1010 anni (2,59% abbondanza naturale). Come campione per la misura è stato utilizzato un cristallo scintillatore LYSO.

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Spettro Gamma dell’isotopo Lu176 Acquisito con Sonda a Scintillazione 25x25mm

Spettro Gamma dell’Isotopo Naturale Lantanio 138La

Il lantanio che si trova in natura è composto da un isotopo stabile ( La139 ) e un isotopo radioattivo ( La138 ) , il La139 è il più abbondante ( abbondanza naturale 99,91 % ).
Come campione ho usato 100 g di ossido di lantanio. Mescolati con il lantanio ci sono alcune impurità di torio e attinio 227 che lasciano traccia nello spettro gamma, insieme con le due emissioni gamma dell’isotopo La138 . Penso che le emissioni di Pb212 e Tl208 (derivanti dal decadimento del torio) siano così deboli rispetto agli spettri del torio perché la sostanza è stata purificata e non c’è stato abbastanza tempo per raggiungere l’equilibrio degli isotopi.

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Spettro Gamma dell’isotopo La138 Acquisito con Sonda a Scintillazione 63x63mm

Spettro Gamma degli Isotopi contenuti nella Pioggia

La pioggia concentra le piccole quantità degli isotopi radioattivi presenti nell’aria. Questi sono principalmente quelli dovuti al decadimento del Radon : Pb214 e Bi214. E’ inoltre presente in piccola quantità il Be7 prodotto dall’azione dei raggi cosmici sull’atmosfera.

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Spettro Gamma della pioggia Acquisito con Sonda a Scintillazione 63x63mm

Documento pdf con i dettagli sulla spettrometria gamma : GammaSpec_ITA

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