Misura del Decadimento Gamma del Np237 con il metodo della coincidenza Alpha-Gamma

Abstract: in questo articolo presentiamo il progetto di un apparato DIY per la rilevazione in coincidenza delle emissioni alfa e gamma prodotte dal decadimento dell’isotopo Americio 241. Ci proponiamo di acquisire gli impulsi e di misurare l’intervallo temporale di separazione, con l’obiettivo di fare una misura di precisione del tempo di decadimento del nucleo eccitato di Nettunio 237.

Introduzione

Il progetto che proponiamo in questo lavoro consiste nella realizzazione di un apparato per la rilevazione in coincidenza delle emissioni alfa e gamma prodotte dal decadimento dell’isotopo Americio 241. Come viene mostrato in Fig.1 lo schema di decadimento consiste in un primo decadimento alfa con la produzione di un nucleo eccitato di Nettunio 237. Questo isotopo, a sua volta, va incontro ad emissione gamma, con emissione principale a 59.5 keV. Il tempo di decadimento gamma (half-life) del nucleo di nettunio è di 67ns, un tempo molto breve ma facilmente misurabile con una strumentazione adeguata. In PhysicsOpenLab abbiamo strumentazione DIY, quindi queste risoluzioni temporali sono un “pò fuori range”, però vogliamo comunque provare a fare questa misurazione.

Figura 1 – Schema di decadimento del Am 241

Detectors

Per la rilevazione delle particelle alfa abbiamo utilizzato un film plastico con uno strato di ZnS(Ag). Questo è un materiale che produce luminescenza in seguito alla interazione con particelle alfa. Il tempo di decadimento dell’impulso luminoso è di circa 60ns, quindi abbastanza veloce. Il film plastico è accoppiato al SiPM in modo che gli impulsi luminosi prodotti vengano rilevati dal nostro detector. Per la rilevazione della radiazione gamma abbiamo utilizzato uno scintillatore CsI(Tl), anch’esso accoppiato con un SiPM. Il detector è descritto nell’articolo Spettroscopia gamma con SiPM & RedPitaya. Il decay time del CsI(Tl) è di circa 1us, quindi più lento rispetto al detector alfa.  I detector sono mostrati nelle Fig. 2-3-4.

Figura 2 – Film plastico con strato scintillante ZnS(Ag) sensibile alle particelle alpha

Figura 3 – “Dark box” con il detector per radiazione gamma (nel blocchetto di legno) ed il detector per radiazione alpha (blocchetto di plastica nera). La sorgente di Am-241 è il dischetto bianco tra i due detector

Figura 4 – SiPM utilizzato insieme al film plastico contenente ZnS(Ag) per la rilevazione di radiazione alpha

SiPM Front-End

Per la lettura del segnale prodotto dai SiPM abbiamo utilizzato l’amplificatore a transimpedenza descritto nel progetto Amplificatore a Trans-Impedenza. E’ una soluzione che funziona bene, va fatta attenzione ai collegamenti tra i SiPM e l’amplificatore, che non devono essere troppo lunghi.

Figura 5 – Elettronica di front-end per i segnali prodotti dai SiPM

Edge Detector

Gli impulsi generati dai due SiPM, uno accoppiato al film plastico rivestito da uno strato di ZnS(Ag) e l’altro accoppiato allo scintillatore CsI(Tl), corrispondono alla rilevazione della particella alpha e del fotone gamma emessi durante il decadimento dell’atomo di Americio 241. Dato che siamo interessati al timing di questi impulsi, abbiamo utilizzato un circuito “Edge Detector” che produce impulsi rettangolari molto stretti in corrispondenza del fronte di salita dell’impulso originale. L’edge detector è basato sul microcontrollore PSoC 5lp che rende disponibili svariati ingressi analogici. Due di questi vengono utilizzati per acquisire i segnali generati dai SiPM, mentre altri due sono collegati a due potenziometri multigiro di precisione. I segnali del SiPM e del potenziometro vengono inviati ad un comparatore con isteresi che produce un segnale a gradino quando il segnale del SiPM supera la soglia impostata con il potenziometro. Il segnale a gradino viene inviato ad un flip-flop che produce un segnale impulsivo rettangolare con durata di circa 20ns (la durata temporale dell’impulso è data dai valori della resistenza Rp e della capacità Cp, nel nostro caso 200ohm e 100pF). La Fig.8 mostra lo schema del firmware implementato nel PSoC.

Figura 6 – PSoC 5lp per l’acquisizione dei segnali analogici dei SiPM e per la generazione degli impulsi di edge detection

Figura 7 – Impostazione delle soglie sul “Edge Detector”

Figura 8 – Schema del firmware implementato nel PSoC per la generazione degli impulsi di edge detection

Red Pitaya

Per l’acquisizione ed elaborazione degli impulsi abbiamo deciso di utilizzare la scheda Red Pitaya. Questa scheda elettronica è un microcomputer linux e dispone di due ingressi analogici RF da 125 MS/s e due uscite analogiche RF da 125 MS/s, con larghezza di banda analogica di 50 MHz.  Gli I/O analogici sono accoppiati a convertitori analogico-digitale (ADC) e digitale-analogico a 14 bit. Il software precaricato include svariate applicazioni, tra le quali oscilloscopio, analizzatore di spettro e generatore di segnale. Il plus della scheda è che può essere riprogrammata dall’utente anche per fare altre cose, poiché tutte le porte IO sono collegate ad un FPGA comune. La fig. 10 mostra la scheda con le sue interfacce.

Figura 9 – Dettagli della scheda Red Pitaya

Elaborazione Dati

Gli impulsi prodotti dai detector e pre-elaborati dal PSoC per renderli di durata costante e ripetibile, realizzando una sorta di edge-detector, vengono acquisiti dai canali ADC della scheda Red Pitaya. La scheda ha due canali di ingresso, entrambi vengono acquisiti e digitalizzati per individuare gli eventi di coincidenza. La logica di trigger viene quindi realizzata via software ed ha lo scopo di individuare gli eventi alpha e gamma che vengono rilevati in coincidenza. La probabilità che eventi in coincidenza corrispondano al medesimo processo di decadimento è alta e per questi eventi possiamo misurare la differenza temporale tra la rilevazione della particella alpha, emessa per prima, e la successiva rilevazione della emissione gamma.

Il listato seguente mostra un estratto del codice di acquisizione ed elaborazione degli eventi.

...
// Acquire data channel 1
rp_AcqGetOldestDataV(RP_CH_1, &buff_size_1, buff_1);
printf("Buffer channel 1 Acquired\n");

// Acquire data channel 2
rp_AcqGetOldestDataV(RP_CH_2, &buff_size_2, buff_2);
printf("Buffer channel 2 Acquired\n");

// Scan the buffer sample
printf("Scan buffer channel 1\n");
int i;
for(i = 0; i < buff_size_1; i++){
      // Pulse gamma
      if(!gamma_found && buff_1[i] > 1){
           time_peak = i;
           printf("Above th %d\n", time_peak);
           time_peak_list[list_index] = time_peak;
           list_index++;
           gamma_found = true;
       }
}
...

Risultati

Lo scopo di questo lavoro è la misurazione del decadimento dello stato eccitato del Nettunio 237. Prima di questa misurazione abbiamo acquisito lo spettro della emissione gamma dell’Americio e lo spettro della emissione alpha. Questi risultati sperimentali sono mostrati in Fig.10 ed in Fig.11. La radiazione gamma mostra il classico picco a 59.5 keV, mentre la radiazione alpha evidenzia un picco a 4.8 MeV. Il picco alpha, rispetto alla energia di emissione delle particelle alpha, è ridotto in energia ed allargato per effetto della sottile lamina metallica di sicurezza che racchiude la sorgente di americio. Le particelle alpha attraversano questa lamina perchè è molto sottile però perdono un pò di energia, la energy loss segue l’andamento della curva di Landau, l’effetto finale è un picco gaussiano con una tail verso le energie più basse.

Figura 10 – Spettro emissione gamma – picco a 59 keV

Figura 11 – Spettro radiazione alfa

La curva del decadimento ottenuta dai dati sperimentali è mostrata nella Fig. 12. I dati sono stati ottenuti selezionando gli eventi gamma ed alpha con una separazione temporale ridotta, in modo da ricondurli allo stesso evento di decadimento dell’Americio. Il delta temporale è rappresentato in scala lineare insieme al fitting esponenziale. Si vede come il fitting approssima bene i dati, la costante di tempo misurata vale 120ns, mentre il valore esatto è di circa 100ns. Questa differenza si può facilmente spiegare considerando la relativamente bassa risoluzione temporale del nostro sistema di misura.

Figura 12 – Alfa – Gamma pulse delay time 

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