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Spettroscopia Gamma con HPGe

Introduzione sui Rivelatori HPGe

I rivelatori al germanio iperpuro (HPGe) sono i rivelatori di radiazione gamma con la risoluzione energetica migliore. Sono molto utilizzati in applicazioni di spettroscopia gamma anche se necessitano di essere raffreddati a temperature criogeniche. Non scendiamo in dettagli tecnici ma ci limitiamo a mostrare, nella immagine sotto, lo schema costruttivo generale.

Questi rivelatori sono piuttosto costosi e decisamente fuori dalla portata di un “dilettante appassionato”, abbiamo però avuto la fortuna di poter accedere ad un laboratorio e fare delle misure di spettroscopia gamma su alcuni campioni interessanti. Si tratta di campioni di suolo contaminato provenienti dai siti di Chernobyl e di Fukushima ed un campione di Trinitite.
L’analisi su questi campioni ha permesso di rivelare la presenza di numerosi isotopi che andiamo a descrivere nel prossimo paragrafo.

Dati su Isotopi

I dati sugli isotopi sono tratti dal sito NUCLEIDE-LARA che contiene i dati sulle emissioni gamma ed alfa della maggior parte degli isotopi. Questo sito permette sia di selezionare un isotopo e visualizzarne i dati sulle emissioni γ e α, sia di immettere un range di energia (KeV) con lo scopo ricercare gli isotopi con emissioni nel range indicato.

Americio 241

L‘americio è l’elemento chimico di numero atomico 95. Il suo simbolo è Am. L’americio è un elemento metallico sintetico della famiglia degli attinidi, ottenuto bombardando il plutonio con neutroni.
La schermata riportata sotto si riferisce all’isotopo Americio 241.

Cesio 137

Il cesio-137 (137Cs, Cs-137) è un isotopo radioattivo del metallo alcalino cesio che si forma principalmente come un sottoprodotto della fissione nucleare dell’uranio, specialmente nel reattore nucleare a fissione.
Ha un’emivita di circa 30,17 anni e va incontro a decadimento beta per emissione di particelle beta, formando un isomero nucleare metastabile del bario-137: il bario-137m (137mBa, Ba-137m). Il Ba-137m ha un’emivita di circa 2,55 minuti ed è il responsabile di tutte le emissioni di raggi gamma. L’energia del fotone gamma prodotto dal Ba-137m è di 662 keV.
La schermata riportata sotto si riferisce all’isotopo Cesio 137.

Cesio 134

Il cesio-134 ha un’emivita di 2,0652 anni. Viene prodotto sia direttamente (in quantità molto piccole) come prodotto di fissione sia a causa dell’attivazione neutronica del 133Cs non radioattivo (la sezione d’urto per la cattura neutronica è di 29 barn), che è un prodotto di fissione piuttosto comune. Il cesio 134 non viene prodotto per decadimento beta di altri prodotti di fissione (radionuclidi di massa 134) dal momento che il decadimento beta si ferma all’elemento 134Xe, che è più stabile.
Il cesio-134 va incontro a decadimento beta (β), producendo bario-134 direttamente ed emettendo radiazione gamma.
Attualmente viene utilizzato il rapporto cesio-134/cesio-137 per differenziare le aree contaminate dall’incidente di Chernobyl da quello di Fukushima, nell’incidente più recente le concentrazioni di cesio-134 sono maggiori, a causa dell’emivita relativamente breve.
Le schermate riportate sotto si riferiscono all’isotopo Cesio 134.

Europio 152

Dell’Europio sono noti 35 isotopi radioattivi, di cui i più stabili sono 150Eu (con un’emivita di 36,9 anni), 152Eu (13,516 anni) e 154Eu (8,593 anni).
La principale modalità di decadimento degli isotopi più leggeri di 153Eu è la cattura elettronica con conversione in isotopi del samario, quelli più pesanti subiscono invece preferenzialmente un decadimento beta convertendosi in isotopi del gadolinio.
La schermata riportata sotto si riferisce all’isotopo Europio 152.

Bario 133

In natura il bario è una miscela di sette isotopi stabili. Esistono ventidue isotopi noti di tale elemento, ma la maggior parte sono molto radioattivi e hanno emivita che va da pochi millisecondi ad alcuni minuti: la sola eccezione è il 133Ba con emivita di 10,51 anni.
La schermata riportata sotto si riferisce all’isotopo Bario 133.

Spettroscopia Gamma HPGe di un Campione di Suolo da Chernobyl

Abbiamo avuto la possibilità di esaminare un campione di suolo proveniente dalla Bielorussia, precisamente da Chachersk, vicino a Gomel. Chachersk è situato a 190 km a nord di Chernobyl ed è stata investita in pieno dalla nube radioattiva il 26 e il 27 aprile 1986, subito dopo il disastro.
Si tratta di 5,6 g di terriccio contenuti nella bustina di plastica visibile nella immagine a lato.

Il grafico sotto mostra lo spettro gamma del campione in scala lineare :

 

Il grafico sotto mostra lo spettro gamma del campione in scala logaritmica :

Analisi

Lo spettro gamma del campione di suolo proveniente da Chernobyl mostra la presenza evidente dell’isotopo Cesio 137 proveniente dalla fissione nucleare dell’uranio. Gli altri picchi presenti sono di origine naturale (NORM) : K40, Bi214 e Th232.

Spettroscopia Gamma HPGe di un Campione di Suolo da Fukushima

Abbiamo avuto la possibilità di esaminare un campione di suolo proveniente dalla zona di Fukushima investita in pieno dalla nube radioattiva l’11 marzo 2011, subito dopo il disastro.
Si tratta di un campione di circa 4 g inglobati in resina epossidica, visibile nella immagine a lato.

Il grafico sotto mostra lo spettro gamma del campione in scala lineare :

 

Il grafico sotto mostra lo spettro gamma del campione in scala logaritmica :

Il grafico sotto mostra il dettaglio dei picchi di emissione X a 32KeV, si può notare che le due righe Ka e Kb sono perfettamente separate.

Il grafico sotto mostra il dettaglio in scala logaritmica del range di energia attorno ai principali picchi del Cesio 137 e del Cesio 134 :

Analisi

Lo spettro gamma del campione di suolo proveniente da Fukushima mostra la presenza evidente dell’isotopo Cesio 137 e dell’isotopo Cesio 134 entrambi provenienti dal processo di fissione dell’uranio, o come sotto-prodotto di fissione oppure come prodotto di attivazione neutronica. L’emivita del Cesio 137 è di circa 30 anni mentre quella del Cesio 134 è molto più breve, questo spiega l’intensità molto minore della emissione dovuta al Cesio 134.

Spettroscopia Gamma HPGe di un Campione di Trinitite

La trinitite (conosciuta anche come vetro di Alamogordo o atomite) è il nome dato al residuo vetroso formatosi nel deserto, vicino ad Alamogordo in Nuovo Messico, sul sito dell’esplosione avvenuta il 16 luglio 1945, del primo ordigno nucleare, chiamato in codice “Trinity” e basato sul plutonio.

Il vetro è costituito principalmente di silicio e di feldspato fusi dal calore generato dall’esplosione nucleare, è solitamente di colore verde chiaro, anche se in alcuni campioni si presenta di altri colori. È leggermente radioattivo, ma è possibile maneggiarlo senza rischi dato il basso livello di attività.
Nella immagine sopra si vede il flacone di vetro contenente i frammenti di trinitite che ci sono stati donati per effettuare l’analisi del materiale.

Il grafico sotto mostra lo spettro gamma del campione in scala lineare :

Il grafico sotto mostra lo spettro gamma del campione in scala logaritmica :

Dettaglio della zona delle basse energie con il picco dell’Americio 241 :

Dettaglio della parte delle energie medie con il picco del Cesio 137 :

 

Analisi

La spettroscopia gamma del campione di trinitite mostra chiaramente la presenza dei seguenti isotopi : Cesio 137Americio 241Europio 152 e Bario 133. L’Americio ed il Cesio in particolare danno luogo a fotopicchi molto evidenti.

Il Cesio-137 (137Cs, Cs-137) è un isotopo radioattivo del metallo alcalino cesio che si forma principalmente come un sottoprodotto della fissione nucleare. Ricordiamo che la bomba nucleare esplosa ad Alamogordo nel “Trinity Test” aveva come materiale fissile il Plutonio 239. Durante il processo di fissione il nucleo “padre”, in questo caso il Plutonio 239, viene “fissionato” e produce due nuclei più leggeri di numero atomico pari a circa la metà. Il Cesio 137 è uno di questi, inoltre è anche il prodotto del decadimento Beta di altri isotopi da fissione come lo Xenon 137 e lo Iodio 137. Il Cesio 137 ha una emivita di circa 30 anni. Il Cesio 137 produce emissione gamma a 662 KeV e 32 KeV.

L’Americio 241 è il prodotto del decadimento Beta del Plutonio 241, a sua volta ottenuto a partire dal combustibile Plutonio 239 mediante doppia cattura neutronica. L’emivita di questo isotopo è di 432 anni. Questo isotopo produce emissione alfa ed emissione gamma a 60 KeV.

l’isotopo Europio 152 è stato ottenuto mediante attivazione neutronica degli isotopi stabili Europio 151 ed Europio 153, presenti nel suolo del sito di detonazione. L’emivita è di 13,5 anni.

L’isotopo Bario 133 è stato ottenuto mediante attivazione neutronica degli isotopi stabili del Bario presenti nel suolo del sito di detonazione. L’emivita è di 10,5 anni.

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