CURSO DE PROTECCIÓN RADIOLOGICA PRACTICA DE ESPECTROMETRIA GAMMA
M. Sc. Stella Veloza S.
Docente Universidad Nacional lsvelozas@unal.edu.co
14 de junio de 2005
1. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO Y DEL EQUIPO
El método de análisis por espectrometría gamma consiste en la obtención de la distribución energética (espectro de energía) de las radiaciones gamma emitidas por una muestra. Para ello se cuenta con un dispositivo detector y analizador que entrega una energía proporcional a la energía de la radiación incidente. En este laboratorio se cuenta con un detector de centelleo de yoduro de sodio con impurezas de talio (NaI(Tl)) y un detector semiconductor de germanio hiperpuro (HPGe). Estos detectores permiten determinar la energía y la intensidad incidente usando una adecuada calibración.
La detección por centelleo mide la radiación a partir de los fotones de luz que se producen por el decaimiento de los estados excitados generados cuando la radiación incidente pierde energía en el material centellador. Los fotones de luz pasan a un fotomultiplicador cuya función es transformarlos en fotoelectrones y acelerarlos hacia un conjunto de dínodos para producir multiplicación electrónica.
La detección por Germanio hiperpuro tiene como principio el uso del semiconductor de Germanio como medio ionizable. El funcionamiento se asemeja a una cámara de ionización en donde se establece un campo eléctrico para hacer migrar las partículas cargadas a los electrodos y producir así los pulsos eléctricos que van a ser procesados electrónicamente.
Una vez se han detectado fotones gamma, los pulsos de carga producidos en el dispositivo detector son recibidos en un preamplificador cuyo objetivo es entregar una señal de tensión de crecimiento y decrecimiento exponencial, la cual es llevada al amplificador. La función del amplificador es adecuar la forma de los pulsos y elevar el nivel de señal entregada por el preamplificador. Estos pulsos de tensión están listos para ser procesados por el sistema analizador.
El sistema analizador de pulsos es del tipo multicanal (MCA); su objetivo es obtener el espectro de energía procesando los pulsos de tensión del amplificador, para lo cual cuenta con un Conversor Análogo-Digital (ADC). La distribución de amplitudes de los pulsos permite la discriminación energética de las radiaciones incidentes. Al contar el número de veces que pulsos de determinada altura son producidos (PHA: Pulse High Analysis) y con estos datos elaborar un histograma, el analizador obtiene y guarda el espectro de energía de la radiación.
Los detectores de NaI y HPGe de esta practica cuentan cada uno con preamplificador integrado,
fuente de alto voltaje y amplificador, pero ambos sistemas de detección comparten la tarjeta
ADC, multicanal y el PC con el software Genie 2000 (específico de la interface InSpector),
montado en un sistema operativo Windows. La anterior configuración implica que sólo un sistema de detección puede estar funcionando a la vez.
2. ESQUEMA GENERAL DE FUNCIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS DE ESPECTROMETRIA USADOS EN LA PRACTICA
Fuente
Cristal detector
NaI
Fotocátodo Fotomultiplicador Alta tensión
Amplificador
ADC MCA CPU Monitor
Fuente Cristal detector
HPGe
Preamplificador Amplificador Alta tensión
3. ADQUISICIÓN DE ESPECTROS
1. Verifique que uno de los detectores esté conectado a la Interface InSpector 2. Active el programa de adquisición Genie 2000
3. Encienda la interface InSpector
4. File - Open Datasource Detector - NAI ( ó HPGE) – OK
5. En el menú Adjust se pueden variar los parámetros de la medición:
a. ADC – Conv Gain: Divide el voltaje máximo en el numero de canales elegido en potencias de 2 (desde 2
8= 256 hasta 2
14= 16384 ). Si se selecciona 1024 se observará el espectro con este numero de canales (verifíquelo haciendo clic en el extremo derecho de la pantalla de la señal)
LLD (Lower Level Discriminator) : es un discriminador. Decide el valor mínimo de la señal analizable. Ponerlo en 0.1% (porcentaje de la escala completa de salida del amplificador)
ULD (Upper Level Discriminator): Decide el valor máximo de la señal analizable.
Dejarlo en 110%.
b. Stabilizer: para espectroscopia de alta resolución en aplicaciones con altas ratas de conteo.
c. Amplifier: factor multiplicativo
Course Gain (Ganancia Gruesa) = 10X Fine Gain (Ganancia Fina) = 1
S-Fine Gain (Ganancia superfina) = 1,00001
d. Shaping Mode (Modo de formación de pulso): FAST para detectores de NaI y SLOW para detectores de Ge.
e. HVPS: Con esta opción se maneja la fuente de alto voltaje en el detector.
Status OFF y ON.
Cuando se presiona ON se le da voltaje al fotomultiplicador. El software eleva el voltaje gradualmente desde cero hasta el valor determinado con el fin de evitar un shock eléctrico, por eso aparece durante unos segundos la señal de espera WAIT.
Al apagarlo con OFF ocurre un descenso gradual
El máximo voltaje con el detector de NaI es de +1300 V. Dejarlo en 800 Voltios.
El rango de voltaje con el detector de Ge es de ± 5000V (Observar la polaridad en el descriptor ubicado en la nariz del detector). Fíjelo en 2500 V
f. Power Manager: esta opción se usa cuando el equipo es llevado a pruebas de campo y trabaja con baterías.
6. Fije el tiempo de adquisición en la opción ADQUIRE SETUP. Recuerde que:
a. Tiempo verdadero es el tiempo ¨real¨, es decir, el que mediría un reloj cualquiera.
b. Tiempo muerto: Debido a que hay un tiempo necesario para la formación de la señal dentro del detector y un tiempo de análisis de dicha señal por el analizador multicanal (MCA), este esta muerto durante el tiempo de conversión del pulso, por lo cual no responde a ningún otro pulso durante este tiempo. El tiempo muerto se da como un porcentaje del tiempo real.
c. Tiempo vivo: Con el fin de compensar el tiempo durante el cual el sistema está
¨muerto¨, el reloj que mide el tiempo ¨vivo¨ es apagado durante los intervalos de tiempo ¨muerto¨. y el tiempo de medida se extiende por las correcciones del tiempo durante el cual el ADC estuvo ocupado.
Déjelo en 60 segundos de tiempo verdadero.
7. Ponga una de las fuentes a diez centímetros de la nariz del detector.
8. Haga clic en el botón CLEAR.
9. Ahora haga clic en ADQUIRE ON. En la pantalla se verá una modificación progresiva del histograma hasta que el tiempo de conteo se completa.
4. VISUALIZACION Y ANÁLISIS BASICO DE DATOS
a. El cursor que se desplaza sobre el espectro que acaba de adquirir se mueve al sitio donde usted haga un clic o con las teclas de flecha a la derecha o izquierda.
b. Los demarcadores se activan en DISPLAY - ADD ROI y son dos señales en forma de L
invertida, que sirven para demarcar las Regiones de Interés (ROI).
c. Se pueden seleccionar varios ROI sobre el espectro. El software calcula permanentemente para cada ROI:
• El centroide
• Area: cuentas por encima del fondo
• Integral: cuentas incluyendo el fondo
• FWHM
• FWTM
d. Haciendo click en EXPAND ON aparecerá un espectro en la parte superior del ya existente.
e. ZOOM es una ventana móvil, ubicable sobre cualquier parte del espectro. La opción enmarcada aparecerá en el espectro expandido.
f. Usted puede archivar el espectro con SAVE AS.
g. Varíe el factor de amplificación dejando los demás parámetros fijos y observe el cambio en la posición del fotopico. Posteriormente haga lo mismo con la ganancia fina.
h. Para observar el efecto de la variación del alto voltaje, deje los demás parámetros fijos y varíe el HV del detector de NaI entre 800 y 1000 Voltios.
i. Observe como varía la resolución cuando se modifica el numero de canales.
5. CALIBRACIÓN DE LOS DETECTORES
La calibración de los detectores en energía, eficiencia y FWHM se realiza en este laboratorio mediante el uso de dos patrones de radionúclidos, los cuales emiten radiación con energías características y cumplen con la actividad recomendada por las normas ISO 4037 - parte 1. Los patrones usados son fuentes radiactivas calibradas del laboratorio de física radiológica de la Universidad Nacional, cuya actividad a primero de Noviembre de 1996 se presenta en la siguiente tabla:
Radionúclido E
γ[keV] Actividad [kBq]
1 Nov. 1996
241
Am 59,54 36,5
60
Co 1173,23
1332,49 39,9
CALIBRACIÓN EN ENERGÍA Y FWHM
El conjunto de valores de energía obtenidos con la lectura simultánea, permite hallar la relación funcional entre el número de canal y la energía asociada a él. Como una aproximación se supone que no hay absorción interna ni modificación del espectro dentro de la fuente. El procedimiento siguiente se realiza con cada uno de los detectores:
1. Se colocan los patrones uno junto al otro, a una distancia de 10 cm del detector y centrados
respecto a su eje, como se ilustra en la figura 1.
DETECTOR
Co 60 Am241
