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Rapporto Photonuclear / Compton Scattering Cross Section

Teoria

Proponiamo un esperimento presentato nel CAEN educational catalog.
Lo scopo dell’esperimento è la investigazione dell’assorbimento della radiazione gamma nella materia ed in particolare nella determinazione, in funzione dell’energia dei fotoni gamma, del rapporto tra la sezione d’urto per effetto fotoelettrico e quella dovuta alla diffusione Compton.

Nell’intervallo di energia fino a 2 MeV, i raggi gamma interagiscono con la materia per mezzo di due processi :

  • Effetto Fotoelettrico, dominante per energie inferiori a 100 KeV. In questo processo l’energia del fotone è completamente trasferita ad un elettrone atomico legato :
    γ + atom -> ion + e-
  • Diffusione Compton, si tratta di una collisione elastica tra elettroni atomici ed i fotoni, diventa rilevante per energie dell’ordine di 1 MeV :
    γ + e- -> γ’ + e-‘

La modalità principale di interazione dipende dalla energia dei fotoni incidenti e dal numero atomico del materiale con il quale i raggi gamma interagiscono. Acquisendo lo spettro γ è possibile stimare la frazione degli eventi dovuti alla diffusione Compton e quelli causati dall’effetto fotoelettrico. Il rapporto fra queste due frazioni, che dipende dalle dimensioni del cristallo scintillatore, ci fornisce indicazioni sul rapporto effettivo tra le sezioni d’urto.

Nel grafico sotto viene rappresentato il coefficiente di assorbimento (fotoelettrico e Compton) in funzione della energia del fotone γ. Al di sopra di 2 – 3 MeV comincia ad essere significativo l’apporto del processo di assorbimento gamma dovuto alla produzione di coppie elettrone-positrone.

Esperimento

L’esperimento viene eseguito semplicemente acquisendo lo spettro γ di alcune sorgente radioattive emettitrici gamma, noi abbiamo usato Cs137 e Na22.
Come mostrato nella figura a lato, lo spettro γ “ideale” è composto da due parti : il picco a piena energia ed il continuo Compton. Il picco corrisponde alla interazione fotoelettrica ed anche alla interazione Compton nel caso in cui il fotone γ diffuso viene nuovamente assorbito nel cristallo (in questo caso tutta l’energia viene trasferita al cristallo). Il continuo Compton corrisponde invece alla diffusione Compton dove il fotone diffuso fuoriesce dal cristallo e quindi l’energia ceduta al cristallo è minore della energia originaria del fotone γ.

Cristallo Scintillatore 63×63 mm NaI(Tl)

Le immagini sotto mostrano lo spettro γ del Cs137 e del Na22 acquisiti con un cristallo NaI(Tl) 63×63 mm. Il fotopicco ed il continuo Compton vengono misurati per tre energie : 511 KeV, 662 KeV and 1274 Kev.

 Energia Rapporto Photopeak Count / Compton Count
 511 KeV (Na22) 1.14
 662 KeV (Cs137) 0.86
 1274 KeV (Na22) 0.17

Cristallo Scintillatore 25×25 mm NaI(Tl)

Le immagini sotto mostrano lo spettro γ del Cs137 e del Na22 acquisiti con un cristallo NaI(Tl) 25×25 mm. Il fotopicco ed il continuo Compton vengono misurati per tre energie : 511 KeV, 662 KeV and 1274 Kev.

 Energia Rapporto Photopeak Count / Compton Count
 511 KeV (Na22) 0.47
 662 KeV (Cs137) 0.26
 1274 KeV (Na22) 0.04

Risultati

Usando diverse sorgenti radioattive e due cristalli scintillatori di dimensioni diverse, viene esaminata la dipendenza dall’energia del rapporto tra le sezioni d’urto dei due processi di assorbimento, si è verificato sperimentalmente che la sezione d’urto per effetto fotoelettrico, in confronto alla sezione d’urto per diffusione Compton, diminuisce all’aumentare dell’energia del fotone γ.
Inoltre questo rapporto migliora per detector di dimensioni maggiori, come atteso, perchè con cristalli più grandi la probabilità che la radiazione Compton diffusa fuoriesca dal cristallo è minore.

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