Espectroscopia gamma

La espectroscopia de rayos gamma es el estudio cualitativo de los espectros de energía de fuentes de rayos gamma , como en la industria nuclear, la investigación geoquímica y la astrofísica. La espectrometría de rayos gamma , por otro lado, es el método utilizado para obtener una medición cuantitativa del espectro. ^{[ 1 ]}

La mayoría de las fuentes radiactivas producen rayos gamma, que presentan diversas energías e intensidades. Al detectar y analizar estas emisiones con un sistema de espectroscopia, se puede obtener un espectro de energía de rayos gamma.

El análisis detallado de este espectro se utiliza habitualmente para determinar la identidad y la cantidad de emisores gamma presentes en una fuente gamma, y ​​constituye una herramienta fundamental en el análisis radiométrico. El espectro gamma es característico de los nucleidos emisores gamma contenidos en la fuente, al igual que en un espectrómetro óptico , el espectro óptico es característico del material contenido en una muestra.

Los rayos gamma son la forma de radiación electromagnética de mayor energía , físicamente idénticas a las demás (por ejemplo, rayos X , luz visible, infrarrojos, radio), pero con una energía fotónica generalmente mayor debido a su menor longitud de onda. Por ello, la energía de los fotones gamma puede determinarse individualmente, y un espectrómetro de rayos gamma puede medir y mostrar las energías de los fotones detectados.

Los núcleos radiactivos ( radionúclidos ) suelen emitir rayos gamma en el rango de energía de unos pocos keV a ~10  MeV , correspondientes a los niveles de energía típicos en núcleos con vidas medias razonablemente largas. Estas fuentes suelen producir "espectros de líneas" de rayos gamma (es decir, muchos fotones emitidos a energías discretas ), mientras que energías mucho más altas (superiores a 1  TeV ) pueden aparecer en los espectros continuos observados en astrofísica y física de partículas elementales. La diferencia entre rayos gamma y rayos X es algo difusa. Los rayos gamma se originan a partir de transiciones entre niveles de energía nuclear y son monoenergéticos, mientras que los rayos X están relacionados con transiciones entre niveles de energía atómica ( rayos X característicos , que son monoenergéticos) o se generan eléctricamente (tubo de rayos X, acelerador lineal) y tienen un amplio rango de energía. ^{[ 2 ]}

Los componentes principales de un espectrómetro gamma son el detector de radiación sensible a la energía y los dispositivos electrónicos que analizan las señales de salida del detector, como un clasificador de pulsos (es decir, un analizador multicanal ). Otros componentes pueden incluir amplificadores de señal, medidores de velocidad, estabilizadores de posición de pico y dispositivos de procesamiento de datos.

Los detectores de espectroscopia gamma son materiales pasivos capaces de interactuar con los rayos gamma incidentes. Los mecanismos de interacción más importantes son el efecto fotoeléctrico , el efecto Compton y la producción de pares . Mediante estos procesos, la energía del rayo gamma se absorbe y se convierte en una señal de voltaje al detectar la diferencia de energía antes y después de la interacción (o, en un contador de centelleo , los fotones emitidos mediante un fotomultiplicador ). El voltaje de la señal producida es proporcional a la energía del rayo gamma detectado. Los materiales detectores comunes incluyen contadores de centelleo de yoduro de sodio (NaI) , detectores de germanio de alta pureza como el germanato de bismuto y, más recientemente, GAGG:Ce .

Para determinar con precisión la energía del rayo gamma, es ventajoso que se produzca el efecto fotoeléctrico, ya que este absorbe toda la energía del rayo incidente. La absorción total de la energía también es posible cuando se produce una serie de estos mecanismos de interacción dentro del volumen del detector. Con la interacción Compton o la producción de pares, una parte de la energía puede escapar del volumen del detector sin ser absorbida. La energía absorbida da lugar a una señal que se comporta como la de un rayo de menor energía. Esto produce una característica espectral que se superpone a las regiones de menor energía. El uso de volúmenes de detector mayores reduce este efecto. Métodos más sofisticados para reducir este efecto incluyen el uso de blindajes de supresión Compton y el empleo de detectores segmentados con compensación de energía (véase: clover (detector) ). ^{[ 3 ]}

Los pulsos de voltaje generados por cada rayo gamma que interactúa dentro del volumen del detector son analizados por un analizador multicanal (MCA). En el MCA, un amplificador conformador de pulsos toma la señal de voltaje transitoria y la transforma en una forma gaussiana o trapezoidal . A partir de esta forma, la señal se convierte a formato digital mediante un convertidor analógico-digital (ADC) de alta velocidad. En sistemas modernos con un ADC de alta frecuencia de muestreo, la conversión analógica-digital puede realizarse sin necesidad de remodelar la señal.

Posteriormente, la lógica adicional del MCA realiza un análisis de amplitud de pulso , clasificando los pulsos según su amplitud en intervalos o canales específicos . Cada canal representa un rango específico de energía en el espectro; el número de señales detectadas para cada canal representa la intensidad espectral de la radiación en dicho rango. Al modificar el número de canales, es posible ajustar con precisión la resolución y la sensibilidad espectrales . ^{[ 4 ]}

El MCA puede enviar sus datos a una computadora, que los almacena, visualiza y analiza. Existen diversos paquetes de software de varios fabricantes, que generalmente incluyen herramientas de análisis espectral como calibración de energía (conversión de intervalos a energías), cálculo del área de pico y área neta, y cálculo de resolución. ^{[ 5 ]}

Una tarjeta de sonido USB puede funcionar como un convertidor analógico-digital (ADC) económico y de uso común, una técnica pionera de Marek Dolleiser. Un software especializado realiza un análisis de amplitud de pulso en la forma de onda digitalizada, formando un MCA completo. ^{[ 6 ]} Las tarjetas de sonido tienen chips ADC de alta velocidad pero baja resolución (hasta 192 kHz), lo que permite una calidad razonable para una tasa de conteo baja a media. ^{[ 7 ]} El "espectrómetro de tarjeta de sonido" se ha perfeccionado aún más en círculos de aficionados y profesionales. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Los sistemas de espectroscopia gamma se seleccionan para aprovechar diversas características de rendimiento. Dos de las más importantes son la resolución y la eficiencia del detector.

Los rayos gamma detectados en un sistema espectroscópico producen picos en el espectro. Estos picos también pueden denominarse líneas, por analogía con la espectroscopia óptica. El ancho de los picos está determinado por la resolución del detector, una característica fundamental de los detectores espectroscópicos de rayos gamma. Una alta resolución permite al espectroscopista separar dos líneas gamma muy próximas entre sí. Los sistemas de espectroscopia gamma se diseñan y ajustan para producir picos simétricos con la mejor resolución posible. La forma del pico suele ser una distribución gaussiana . En la mayoría de los espectros, la posición horizontal del pico está determinada por la energía del rayo gamma, y ​​su área por la intensidad del rayo gamma y la eficiencia del detector.

La cifra más común para expresar la resolución de un detector es el ancho completo a media altura (FWHM). Este es el ancho del pico de rayos gamma a la mitad del punto más alto de la distribución de picos. Las cifras de resolución energética se dan con referencia a energías de rayos gamma específicas. La resolución puede expresarse en términos absolutos (es decir, eV o MeV) o relativos. Por ejemplo, un detector de yoduro de sodio (NaI) puede tener un FWHM de 9,15 keV a 122 keV y de 82,75 keV a 662 keV. Estos valores de resolución se expresan en términos absolutos. Para expresar la resolución energética en términos relativos, el FWHM en eV o MeV se divide por la energía del rayo gamma y generalmente se muestra como porcentaje. Siguiendo el ejemplo anterior, la resolución del detector es del 7,5 % a 122 keV y del 12,5 % a 662 keV. La resolución típica de un detector de germanio coaxial es de aproximadamente 2 keV a 1332 keV, lo que da como resultado una resolución relativa del 0,15 %.

No todos los rayos gamma emitidos por la fuente que atraviesan el detector generan un conteo en el sistema. La probabilidad de que un rayo gamma emitido interactúe con el detector y genere un conteo se denomina eficiencia del detector. Los detectores de alta eficiencia generan espectros en menos tiempo que los de baja eficiencia. En general, los detectores más grandes tienen mayor eficiencia que los más pequeños, aunque las propiedades de blindaje del material del detector también son factores importantes. La eficiencia del detector se mide comparando el espectro de una fuente de actividad conocida con las tasas de conteo en cada pico, con las tasas de conteo esperadas a partir de las intensidades conocidas de cada rayo gamma.

La eficiencia, al igual que la resolución, puede expresarse en términos absolutos o relativos. Se utilizan las mismas unidades (por ejemplo, porcentajes); por lo tanto, el espectroscopista debe asegurarse de determinar qué tipo de eficiencia se está proporcionando para el detector. Los valores de eficiencia absoluta representan la probabilidad de que un rayo gamma de una energía específica que atraviesa el detector interactúe y sea detectado. Los valores de eficiencia relativa se utilizan a menudo para detectores de germanio y comparan la eficiencia del detector a 1332 keV con la de un detector de NaI de 3 pulg × 3 pulg (es decir, 1,2 × 10⁻³ ^cp  s / Bq a 25 cm). Por consiguiente, pueden encontrarse valores de eficiencia relativa superiores al cien por cien cuando se trabaja con detectores de germanio muy grandes.

La energía de los rayos gamma detectados es un factor importante en la eficiencia del detector. Se puede obtener una curva de eficiencia graficando la eficiencia a diferentes energías. Esta curva se puede usar para determinar la eficiencia del detector a energías distintas de las utilizadas para obtener la curva original. Los detectores de germanio de alta pureza (HPGe) suelen tener mayor sensibilidad.

Los detectores de centelleo utilizan cristales que emiten luz cuando los rayos gamma interactúan con los átomos del cristal. La intensidad de la luz producida suele ser proporcional a la energía depositada en el cristal por el rayo gamma; una situación bien conocida donde esta relación falla es la absorción de radiación < 200 keV por detectores de yoduro de sodio intrínsecos y dopados. El mecanismo es similar al de un dosímetro termoluminiscente . Los detectores están conectados a fotomultiplicadores ; un fotocátodo convierte la luz en electrones; y luego, mediante el uso de dinodos para generar cascadas de electrones a través de la producción de rayos delta, la señal se amplifica. Los centelleadores comunes incluyen el yoduro de sodio dopado con talio ( NaI(Tl)) —a menudo simplificado como detectores de yoduro de sodio (NaI) — y el germanato de bismuto (BGO). Debido a que los fotomultiplicadores también son sensibles a la luz ambiental, los centelleadores se encapsulan en cubiertas opacas.

Los detectores de centelleo también pueden utilizarse para detectar radiación alfa y beta .

El yoduro de sodio dopado con talio (NaI(Tl)) tiene dos ventajas principales:

1. Se puede producir en cristales grandes, lo que proporciona una buena eficiencia, y
2. Produce intensos destellos de luz en comparación con otros centelleadores espectroscópicos.

El NaI(Tl) también es fácil de usar, lo que lo hace popular para aplicaciones de campo, como la identificación de materiales desconocidos con fines policiales.

La recombinación electrón-hueco emite luz que puede reexcitar cristales centelleadores puros; sin embargo, el dopante de talio en NaI(Tl) proporciona estados de energía dentro de la banda prohibida entre las bandas de conducción y de valencia. Tras la excitación en cristales centelleadores dopados, algunos electrones de la banda de conducción migran a los estados activadores; las transiciones descendentes desde los estados activadores no reexcitan el cristal dopado, por lo que este es transparente a dicha radiación.

Un ejemplo de espectro de NaI es el espectro gamma del isótopo de cesio.¹³⁷Cs — ver Figura 1 .¹³⁷El Cs emite una única línea gamma de 662 keV. La línea de 662 keV que se muestra en realidad es producida por^{137 metros}Ba , el producto de desintegración de¹³⁷Cs , que está en equilibrio secular con¹³⁷Cs .

El espectro de la Figura 1 se midió utilizando un cristal de NaI en un fotomultiplicador, un amplificador y un analizador multicanal. La figura muestra el número de cuentas dentro del período de medición en función del número de canal. El espectro indica los siguientes picos (de izquierda a derecha):

1. radiación x de baja energía (debido a la conversión interna del rayo gamma),
2. retrodispersión en el extremo de baja energía de la distribución de Compton y
3. un fotopico (pico de energía total) a una energía de 662 keV

La distribución Compton es una distribución continua que está presente hasta el canal 150 en la Figura 1. Esta distribución surge debido a que los rayos gamma primarios experimentan dispersión Compton dentro del cristal: dependiendo del ángulo de dispersión, los electrones Compton tienen diferentes energías y, por lo tanto, producen pulsos en diferentes canales de energía.

Si un espectro contiene muchos rayos gamma, las distribuciones de Compton pueden presentar dificultades en el análisis. Para reducir la radiación gamma, se puede utilizar un blindaje de anticoincidencia ( véase supresión de Compton ). Las técnicas de reducción de rayos gamma son especialmente útiles para detectores pequeños de germanio dopado con litio (Ge(Li)).

El espectro gamma que se muestra en la Figura 2 corresponde al isótopo de cobalto.⁶⁰Co , con dos rayos gamma de 1,17 MeV y 1,33 MeV respectivamente. ( Véase el artículo sobre el esquema de desintegración para el esquema de desintegración del cobalto-60 ). Las dos líneas gamma se observan bien separadas; el pico a la izquierda del canal 200 probablemente indica una fuerte fuente de radiación de fondo que no se ha restado. Se observa un pico de retrodispersión cerca del canal 150, similar al segundo pico de la Figura 1.

Los sistemas de yoduro de sodio, al igual que todos los sistemas de centelleo, son sensibles a los cambios de temperatura. Las variaciones en la temperatura de funcionamiento, causadas por cambios en la temperatura ambiente, desplazan el espectro en el eje horizontal. Es común observar desplazamientos de picos de decenas de canales o más. Dichos desplazamientos pueden prevenirse mediante el uso de estabilizadores de espectro .

Debido a la baja resolución de los detectores basados ​​en NaI, estos no son adecuados para la identificación de mezclas complejas de materiales que producen rayos gamma. Los escenarios que requieren este tipo de análisis exigen detectores con mayor resolución.

Los detectores semiconductores , también llamados detectores de estado sólido, son fundamentalmente diferentes de los detectores de centelleo: se basan en la detección de los portadores de carga (electrones y huecos) generados en los semiconductores por la energía depositada por los fotones de rayos gamma.

En los detectores semiconductores, se aplica un campo eléctrico al volumen del detector. Un electrón en el semiconductor permanece fijo en su banda de valencia en el cristal hasta que la interacción con un rayo gamma le proporciona la energía suficiente para pasar a la banda de conducción . Los electrones en la banda de conducción pueden responder al campo eléctrico del detector y, por lo tanto, moverse hacia el contacto positivo que genera dicho campo. El espacio creado por el electrón en movimiento se denomina "hueco" y es ocupado por un electrón adyacente. Este movimiento de huecos desplaza efectivamente una carga positiva hacia el contacto negativo. La llegada del electrón al contacto positivo y del hueco al contacto negativo produce la señal eléctrica que se envía al preamplificador, al analizador multicanal (MCA) y, posteriormente, a través del sistema para su análisis. El movimiento de electrones y huecos en un detector de estado sólido es muy similar al movimiento de iones dentro del volumen sensible de detectores de gas, como las cámaras de ionización .

Entre los detectores comunes basados ​​en semiconductores se incluyen el germanio , el telururo de cadmio y el telururo de cadmio y zinc .

Los detectores de germanio ofrecen una resolución energética significativamente superior a la de los detectores de yoduro de sodio, como se explicó en la discusión anterior sobre la resolución. Los detectores de germanio producen la mayor resolución disponible actualmente. Sin embargo, una desventaja es la necesidad de temperaturas criogénicas para su funcionamiento, generalmente mediante enfriamiento con nitrógeno líquido .

En una configuración de detector real, algunos fotones pueden sufrir, y de hecho sufrirán, uno o potencialmente más procesos de dispersión Compton (por ejemplo, en el material de la carcasa de la fuente radiactiva, en el material de blindaje o en cualquier otro material que rodee el experimento) antes de entrar en el material del detector. Esto da lugar a una estructura de pico que se puede observar en el espectro de energía mostrado anteriormente.¹³⁷Cs (Figura 1, el primer pico a la izquierda del borde Compton ), el llamado pico de retrodispersión. La forma detallada de la estructura del pico de retrodispersión está influenciada por muchos factores, como la geometría del experimento (geometría de la fuente, posición relativa de la fuente, blindaje y detector) o el tipo de material circundante (lo que da lugar a diferentes proporciones de las secciones transversales del efecto fotoeléctrico y del efecto Compton).

El principio básico, sin embargo, es el siguiente:

• Las fuentes de rayos gamma emiten fotones isotrópicamente ^{[ 10 ].}
• Algunos fotones experimentarán un proceso de dispersión Compton, por ejemplo, en el material de blindaje o en la carcasa de la fuente, con un ángulo de dispersión cercano a 180°, y algunos de estos fotones serán detectados posteriormente por el detector.
• El resultado es una estructura de pico con aproximadamente la energía del fotón incidente menos la energía del borde Compton .

El pico de retrodispersión suele aparecer ancho y se produce a menos de 250 keV. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Para energías de fotones incidentes E mayores que dos veces la masa en reposo del electrón (1,022 MeV), puede producirse un par . El positrón resultante se aniquila con uno de los electrones circundantes, produciendo típicamente dos fotones de 511 keV. En un detector real (es decir, un detector de tamaño finito) es posible que después de la aniquilación:

• Ambos fotones depositan su energía en el detector. Esto da como resultado un pico con E , idéntico a la energía del fotón incidente.
• Uno de los dos fotones escapa del detector y solo uno de ellos deposita su energía en él, lo que da como resultado un pico con E − 511 keV, el único pico de escape.
• Ambos fotones escapan del detector, lo que da como resultado un pico con E − 2 × 511 keV, el pico de doble escape.

El espectro de la fuente Am-Be que se muestra arriba presenta un ejemplo de pico de escape simple y doble en una medición real.

Si se utiliza un espectrómetro gamma para identificar muestras de composición desconocida, primero debe calibrarse su escala de energía. La calibración se realiza utilizando los picos de una fuente conocida, como el cesio-137 o el cobalto-60. Dado que el número de canal es proporcional a la energía, la escala de canal se puede convertir a una escala de energía. Si se conoce el tamaño del cristal del detector, también se puede realizar una calibración de intensidad, de modo que no solo se puedan determinar las energías, sino también las intensidades de una fuente desconocida, o la cantidad de un isótopo específico en la fuente.

Dado que existe cierta radiactividad en todas partes (es decir, radiación de fondo ), el espectro debe analizarse cuando no haya ninguna fuente presente. Posteriormente, se debe restar la radiación de fondo de la medición real. Se pueden colocar absorbentes de plomo alrededor del aparato de medición para reducir la radiación de fondo.

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• espectroscopia de rayos X

• Gilmore, Gordon R.; Hemingway, John D. (2008). Espectrometría práctica de rayos gamma . Chichester; Nueva York: Wiley . doi : 10.1002/9780470861981 . ISBN 978-0-470-86196-7.
• Knoll, Glenn F. (2010). Detección y medición de radiación (PDF) (4.ª ed.). Hoboken, NJ: Wiley . ISBN 978-0-470-13148-0.
• Wiki de Nucleonica. Generador de espectro gamma . Consultado el 8 de octubre de 2008.

• Amateur gamma spectrometry of a chunk of a black mold picked in Minamisoma, close to the Fukushima Dai-ichi nuclear plant. Japan.Archived 2013-05-10 at the Wayback Machine
• On-line gamma-ray energy spectrum conversion utility