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Articulo de referencia

Espectroscopia de absorción total

Desintegración beta hipotética observada con detectores de alta resolución (principalmente de germanio) y detectores TAS. La metodología de medición con un detector TAS implica ...

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Desintegración beta hipotética observada con detectores de alta resolución (principalmente de germanio) y detectores TAS. La metodología de medición con un detector TAS implica un cambio. Con un detector de germanio (Ge), se observan los picos de energía correspondientes a los rayos gamma individuales, mientras que el detector TAS proporciona un espectro de los niveles presentes en la desintegración (TAS ideal). El detector TAS ofrece menor resolución, pero mayor eficiencia.

La espectroscopia de absorción total es una técnica de medición que permite medir la radiación gamma emitida en las diferentes transiciones gamma nucleares que pueden tener lugar en el núcleo hijo después de que su progenitor inestable se haya desintegrado mediante el proceso de desintegración beta. [ 1 ] Esta técnica puede utilizarse para estudios de desintegración beta relacionados con mediciones de alimentación beta dentro de la ventana completa de energía de desintegración para núcleos alejados de la estabilidad.

Se implementa con un tipo especial de detector , el " espectrómetro de absorción total " (TAS), hecho de un cristal centelleador que rodea casi por completo la actividad a medir, cubriendo un ángulo sólido de aproximadamente 4π. Además, en un caso ideal, debería ser lo suficientemente grueso como para tener una eficiencia máxima cercana al 100%, de esta manera su eficiencia total también es muy cercana al 100% (esta es una de las razones por las que se llama espectroscopia de absorción "total"). Finalmente, debería ser insensible a cualquier otro tipo de radiación. Los rayos gamma producidos en la desintegración en estudio son recogidos por fotomultiplicadores unidos al material centelleador. Esta técnica puede resolver el problema del efecto Pandemonium .

Al realizar mediciones con un TAS, se produce un cambio de enfoque. En lugar de detectar los rayos gamma individuales (como hacen los detectores de alta resolución ), detecta las cascadas gamma emitidas durante la desintegración. Por lo tanto, el espectro de energía final no será una colección de diferentes picos de energía provenientes de las distintas transiciones (como se esperaría en el caso de un detector de germanio ), sino una colección de picos situados en una energía que es la suma de las diferentes energías de todos los rayos gamma de la cascada emitidos desde cada nivel. Esto significa que el espectro de energía medido con un TAS será, en realidad, un espectro de los niveles de los núcleos, donde cada pico representa un nivel poblado durante la desintegración. Dado que la eficiencia de estos detectores es cercana al 100%, es posible observar la alimentación a los niveles de alta excitación que normalmente no se detectan con detectores de alta resolución. Esto convierte a la espectroscopia de absorción total en el mejor método para medir la alimentación beta y proporcionar distribuciones precisas de intensidad beta ( Iβ ) para esquemas de desintegración complejos.

En un caso ideal, el espectro medido sería proporcional a la alimentación beta ( Iβ ). Sin embargo , un TAS real tiene una eficiencia y resolución limitadas , y además, Iβ debe extraerse del espectro medido, lo cual depende de la respuesta del espectrómetro. El análisis de los datos TAS no es sencillo: para obtener la intensidad a partir de los datos medidos, se debe aplicar un proceso de deconvolución .

Método de análisis para datos TAS

El análisis complejo de los datos medidos con el TAS se puede reducir a la solución de un problema lineal:

d = Ri

dado que relaciona los datos medidos ( d ) con las alimentaciones ( i ) a partir de las cuales se puede obtener la distribución de intensidad beta I β .

R es la matriz de respuesta del detector (es decir, la probabilidad de que una desintegración que alimenta un cierto nivel genere un conteo en un determinado intervalo del espectro). La función R depende del detector, pero también del esquema de niveles que se está midiendo. Para poder extraer el valor de i a partir de los datos d, es necesario invertir la ecuación (esta ecuación también se conoce como el " problema inverso ").

Desafortunadamente, esto no se puede hacer fácilmente porque hay una respuesta similar a la alimentación de niveles adyacentes cuando están en altas energías de excitación donde la densidad de niveles es alta. En otras palabras, este es uno de los llamados problemas "mal condicionados" , para el cual varios conjuntos de parámetros pueden reproducir de cerca el mismo conjunto de datos. Entonces, para encontrar i , se debe obtener la respuesta para la cual se necesitan las razones de ramificación y una simulación precisa de la geometría del detector. Cuanto mayor sea la eficiencia del TAS utilizado, menor será la dependencia de la respuesta de las razones de ramificación. Entonces es posible introducir las razones de ramificación desconocidas manualmente a partir de una suposición plausible. Una buena suposición se puede calcular mediante el Modelo Estadístico .

Luego, el procedimiento para encontrar las alimentaciones es iterativo: utilizando el algoritmo de expectativa-maximización para resolver el problema inverso, [ 2 ] Luego, el procedimiento para encontrar las alimentaciones es iterativo: utilizando el algoritmo de expectativa-maximización para resolver el problema inverso, [ 3 ] se extraen las alimentaciones; si no reproducen los datos experimentales, significa que la estimación inicial de las proporciones de ramificación es incorrecta y debe cambiarse (por supuesto, es posible jugar con otros parámetros del análisis). Repitiendo este procedimiento iterativamente en un número reducido de pasos, los datos finalmente se reproducen.

Cálculo de la relación de ramificación

La mejor manera de abordar este problema es mantener un conjunto de niveles discretos a bajas energías de excitación y un conjunto de niveles agrupados a altas energías. Se supone que el conjunto de bajas energías es conocido y puede obtenerse de bases de datos (por ejemplo, la base de datos [ENSDF], [ 4 ] que contiene información de mediciones ya realizadas con la técnica de alta resolución). El conjunto de altas energías es desconocido y no se superpone con la parte conocida. Al final de este cálculo, toda la región de niveles dentro de la ventana del valor Q (conocidos y desconocidos) se agrupa.

En esta etapa del análisis, es importante conocer los coeficientes de conversión interna para las transiciones que conectan los niveles conocidos. El coeficiente de conversión interna se define como el número de desexcitaciones por emisión de e− sobre aquellas por emisión de γ. Si se produce la conversión interna, los campos multipolares electromagnéticos del núcleo no dan lugar a la emisión de un fotón; en cambio, interactúan con los electrones atómicos y provocan la emisión de uno de ellos. El rayo gamma que se emitiría tras la desintegración beta se pierde, y la intensidad del rayo gamma disminuye en consecuencia: IT = Iγ + Ie− = Iγ(1 + αe), por lo que este fenómeno debe tenerse en cuenta en el cálculo. Además, los rayos X estarán contaminados con aquellos provenientes del proceso de conversión electrónica. Esto es importante en la desintegración por captura electrónica , ya que puede afectar los resultados de cualquier espectro de rayos X con compuerta si la conversión interna es intensa. Su probabilidad es mayor para energías más bajas y multipolaridades elevadas.

Una de las formas de obtener la matriz completa de relaciones de ramificación es mediante el Modelo Nuclear Estadístico. Este modelo genera una matriz de relaciones de ramificación agrupada a partir de las densidades de niveles promedio y las funciones de fuerza gamma promedio. Para la parte desconocida, se pueden calcular relaciones de ramificación promedio, para lo cual se pueden elegir varias parametrizaciones, mientras que para la parte conocida se utiliza la información de las bases de datos.

Simulación de respuesta

No es posible producir fuentes gamma que emitan todas las energías necesarias para calcular con precisión la respuesta de un detector TAS. Por esta razón, es mejor realizar una simulación de Montecarlo de la respuesta. Para que esta simulación sea fiable, las interacciones de todas las partículas emitidas en la desintegración (γ, e−/e+, Auger e, rayos X, etc.) deben modelarse con precisión, y la geometría y los materiales en la trayectoria de estas partículas deben reproducirse fielmente. Además, debe incluirse la producción de luz del centelleador. La forma de realizar esta simulación se explica en detalle en el artículo de D. Cano-Ott et al. [ 5 ]. GEANT3 y GEANT4 son muy adecuados para este tipo de simulaciones.

Si el material centelleador del detector TAS presenta una no proporcionalidad en la producción de luz, [ 6 ] los picos producidos por una cascada se desplazarán aún más por cada incremento en la multiplicidad y el ancho de estos picos será diferente del ancho de picos individuales con la misma energía. Este efecto puede introducirse en la simulación mediante una eficiencia de centelleo hiperbólica. [ 7 ]

La simulación de la producción de luz ensancha los picos del espectro TAS; sin embargo, esto no reproduce el ancho real de los picos experimentales. Durante la medición, se producen procesos estadísticos adicionales que afectan a la captación de energía y que no se incluyen en el método de Montecarlo. Esto provoca un ensanchamiento adicional de los picos experimentales del TAS. Dado que los picos reproducidos con el método de Montecarlo no tienen el ancho correcto, es necesario aplicar una convolución con una distribución empírica de resolución instrumental a la respuesta simulada.

Finalmente, si los datos a analizar provienen de eventos de captura electrónica, se debe construir una matriz de respuesta gamma simulada utilizando las respuestas simuladas a rayos gamma monoenergéticos individuales de diversas energías. Esta matriz contiene la información relativa a la dependencia de la función de respuesta con respecto al detector. Para incluir también la dependencia del esquema de niveles que se está midiendo, la matriz mencionada anteriormente debe convolucionarse con la matriz de relación de ramificación calculada previamente. De esta manera, se obtiene la respuesta global final R.

Detectores auxiliares

Un aspecto importante a tener en cuenta al utilizar la técnica TAS es que, si se miden núcleos con vidas medias cortas, el espectro de energía se contaminará con las cascadas gamma de los núcleos hijos producidos en la cadena de desintegración . Normalmente, los detectores TAS permiten la incorporación de detectores auxiliares para medir radiación secundaria como rayos X , electrones o positrones . De esta forma, es posible identificar los demás componentes de la desintegración durante el análisis , lo que permite separar las contribuciones de todos los núcleos ( separación isobárica ).

Detectores TAS en el mundo

TAS en ISOLDE

En 1970, se utilizó en ISOLDE un espectrómetro que constaba de dos detectores cilíndricos de NaI de 15  cm de diámetro y 10 cm de longitud . [ 8 ] 

TAS en GSI

La estación de medición TAS instalada en el GSI [ 9 ] tenía un sistema de transporte de cinta que permitía la recolección de los iones que salían del separador (se implantaban en la cinta) y el transporte de esos iones desde la posición de recolección hasta el centro del TAS para la medición (mediante el movimiento de la cinta). El TAS en esta instalación estaba hecho de un cristal cilíndrico de NaI de Φ = h = 35,6  cm, con un orificio cilíndrico concéntrico en la dirección del eje de simetría. Este orificio estaba ocupado por un detector de tapón (4,7 x 15,0  cm) con un soporte que permitía la colocación de detectores auxiliares y dos rodillos para una cinta.

Estación de medición de Lucrecia

Estación de medición de Lucrecia, donde se puede apreciar el blindaje en color blanco, así como la línea de haz que transporta las especies radiactivas.

Esta estación de medición, instalada al final de una de las líneas de haz ISOLDE , consta de un TAS y una estación de cinta. [ 10 ]

En esta estación, se utiliza un tubo de haz para sujetar la cinta. El haz se implanta en la cinta fuera del TAS, que luego se transporta al centro del detector para su medición. [ 10 ] En esta estación también es posible implantar el haz directamente en el centro del TAS, cambiando la posición de los rodillos. Este último procedimiento permite medir núcleos más exóticos con vidas medias muy cortas.

Lucrecia es el TAS de esta estación. Está hecho de una sola pieza de material NaI(Tl) con forma cilíndrica con φ = h = 38  cm (el más grande jamás construido hasta donde sabemos). Tiene una cavidad cilíndrica de 7,5  cm de diámetro que la atraviesa perpendicularmente a su eje de simetría. El propósito de este orificio es permitir que el tubo de haz alcance la posición de medición para que la cinta pueda colocarse en el centro del detector. También permite la colocación de detectores auxiliares en el lado opuesto para medir otros tipos de radiación emitida por la actividad implantada en la cinta (rayos X, e−/e+, etc.). [ 11 ] Sin embargo, la presencia de este orificio hace que este detector sea menos eficiente en comparación con el GSI TAS (la eficiencia total de Lucrecia es de alrededor del 90% de 300 a 3000 keV). [ 12 ] La luz de Lucrecia es recogida por 8 fotomultiplicadores. [ 13 ] Durante las mediciones, Lucrecia se mantiene midiendo a una tasa de conteo total no mayor de 10  kHz para evitar contribuciones de acumulación de segundo orden y superiores. [ 14 ]

Alrededor del TAS hay una caja de blindaje de 19,2  cm de espesor hecha de cuatro capas: polietileno, plomo, cobre y aluminio. Su propósito es absorber la mayor parte de la radiación externa (neutrones, rayos cósmicos y radiación de fondo de la sala). [ 15 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Rubio, B.; Gelletly, W. (2007). "Espectroscopia de absorción total" (PDF) . Romanian Reports in Physics . 59 (2): 635– 654.
  2. ↑ Tain, JL; Cano-Ott, D. (2007). "La influencia del patrón de desexcitación desconocido en el análisis de los espectros de absorción total de la desintegración β". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A . 571 (3): 719– 728. Bibcode : 2007NIMPA.571..719T . doi : 10.1016/j.nima.2006.09.084 .
  3. ↑ Tain, JL; Cano-Ott, D. (2007). "La influencia del patrón de desexcitación desconocido en el análisis de los espectros de absorción total de la desintegración β". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A . 571 (3): 719– 728. Bibcode : 2007NIMPA.571..719T . doi : 10.1016/j.nima.2006.09.084 .
  4. ↑ Archivo de datos de estructura nuclear evaluada (ENSDF) http://www.nndc.bnl.gov/ensdf/
  5. ↑ Cano-Ott, D.; et al. (1999). "Corrección de apilamiento de pulsos de espectros de absorción total de NaI(Tl) grandes utilizando la forma real del pulso". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A . 430 ( 2– 3): 488– 497. Bibcode : 1999NIMPA.430..488C . doi : 10.1016/S0168-9002(99)00216-8 . 
  6. ↑ Engelkemeir, D. (1956). "Respuesta no lineal de NaI(Tl) a los fotones". Rev. Sci. Instrum . 27 (8): 589– 591. Bibcode : 1956RScI...27..589E . doi : 10.1063/1.1715643 .
  7. ↑ Cano-Ott, D. (1998).{{cite journal}}: Se requiere citar la revista |journal=( ayuda ) ; Falta o está vacío |title=( ayuda )
  8. ↑ Duke, CL; et al. (1970). "Fenómenos de función de fuerza en la desintegración beta por captura electrónica". Nuclear Physics A . 151 (3): 609– 633. Bibcode : 1970NuPhA.151..609D . doi : 10.1016/0375-9474(70)90400-8 . 
  9. ↑ Karny, M.; et al. (1997). "Acoplamiento de un espectrómetro de absorción total al separador de masas en línea GSI" . Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. 126 ( 1): 411– 415. Bibcode : 1997NIMPB.126..411K . doi : 10.1016/S0168-583X(96)01007-5 . 
  10. 1 2 Nacher, Enrique; Algora, Alejandro; Berta, Rubio (8 de enero de 2020). "Actualización y programa científico de LUCRECIA, el espectrómetro de absorción total en ISOLDE" . CERN. Ginebra. Comité de experimentos de tiempo de vuelo de neutrones y ISOLDE .
  11. ↑ Nácher, E; Algora, A; Rubio, B; Taı́n, J. L; Cano-Ott, D; Borge, MJ G; Courtin, S; Dessagne, Ph; Escrig, D; Fraile, L. M; Gelletly, W; Jungclaus, A; Le Scornet, G; Maréchal, F; Miehé, Ch (2004-04-05). "Espectroscopia de absorción total de 76Sr con el espectrómetro Lucrecia en ISOLDE" . Física Nuclear A. Actas de la Octava Conferencia Internacional sobre Colisiones Núcleo-Núcleo (NN2003). 734 : E84– E87. doi : 10.1016/j.nuclphysa.2004.03.026 . ISSN 0375-9474 . 
  12. ^ Algora, A.; Ganioğlu, E.; Sarriguren, P.; Guadilla, V.; Fraile, LM; Nacher, E.; Rubio, B.; Taín, JL; Agramunt, J.; Gelletly, W.; Briz, JA; Cakirli, RB; Fallot, M.; Jordán, D.; Halász, Z. (10 de agosto de 2021). "Estudio de espectroscopia de rayos gamma de absorción total de la desintegración β de 186Hg" . Letras de Física B. 819 136438. arXiv : 2012.09878 . doi : 10.1016/j.physletb.2021.136438 . hdl : 10261/261345 . ISSN 0370-2693 . S2CID 242131457 .  
  13. ^ Briz, JA; Nacher, E.; Borge, MJG; Algora, A.; Rubio, B.; Taín, JL; Cano-Ott, D.; Courtin, S.; Dessagne, Ph.; Maréchal, F.; Miehé, Ch.; Poirier, E.; Escrig, D.; Jungclaus, A.; Tengblad, O. (30 de junio de 2015). Espectroscopía de Absorción Total del Núcleo N=Z 72 Kr . Revista de la Sociedad de Física de Japón. doi : 10.7566/JPSCP.6.020050 . ISBN 978-4-89027-110-8.
  14. ↑ Guadilla, Victor; Pfützner, Marek; Agramunt, Jorge; Algora, Alejandro; et al. (5 de enero de 2021). "Espectroscopia de desintegración beta de 27Na y 22O para estudios de asimetría de isospín en la capa sd" . CERN. Ginebra. Comité de experimentos de tiempo de vuelo de neutrones y ISOLDE . 
  15. ↑ Nácher, E; Algora, A; Rubio, B; Taı́n, J. L; Cano-Ott, D; Borge, MJ G; Courtin, S; Dessagne, Ph; Escrig, D; Fraile, L. M; Gelletly, W; Jungclaus, A; Le Scornet, G; Maréchal, F; Miehé, Ch (2004-04-05). "Espectroscopia de absorción total de 76Sr con el espectrómetro Lucrecia en ISOLDE" . Física Nuclear A. Actas de la Octava Conferencia Internacional sobre Colisiones Núcleo-Núcleo (NN2003). 734 : E84– E87. doi : 10.1016/j.nuclphysa.2004.03.026 . ISSN 0375-9474 . 
  • Sala experimental del separador de masas de isótopos en línea , donde está instalada Lucrecia.
  • Grupo de Espectroscopia Gamma , dedicado a las mediciones de espectroscopia de absorción total.