JUNTA DE ENERGÍA NUCLEAR CALIBRADO DE ESPECTRÓMETROS GAMMA DE CENTELLEO. CON LOS RAYOS GAMMA DEL Ra Y DEL Mn 6. M. García Muñoz y D.

JUNTA DE ENERGÍA NUCLEAR

CALIBRADO DE ESPECTRÓMETROS GAMMA DE CENTELLEO CON LOS RAYOS GAMMA DEL Ra Y DEL Mn °

por

M. García Muñoz y D. Maeder

J. E. N. - 29

Madrid, 1957

CALIBRADO DE ESPECTRÓMETROS GAMMA DE CENTELLEO CON LOS RAYOS GAMMA DEL Ra Y DEL Mn56

por

M. García Muñoz * * y

D. Maeder «

Los c r i s t a l e s de Nal activados con TI presentan, en la detección de r a - yos y , una gran eficiencia y un gran rendimiento luminoso. Unidos a un fo- tomultiplicador , los impulsos de centelleo originados por cantidades de ener gía iguales absorbidas en el c r i s t a l tienen amplitudes que se distribuyen se- gún una curva de Gauss y la amplitud correspondiente al máximo es muy apro ximadam ente proporcional a la energía absorbida. Esta propiedad permite ha_

cer espectrometría de los rayos y . La energía de un rayo 7 puede deducir- se de la amplitud de los impulsos que corresponden al máximo de la fotolí- nea de la amplitud correspondiente al límite superior del efecto Compton, o bien de la amplitud correspondiente a uno de los máximos que resultan de la creación de pares en el cr i s t a l y el subsiguiente escape de uno o de los dos cuantos de aniquilación,

P a r a medir la energía de un rayo 7 es necesario calibrar la escala de energías del espectrómetro, para lo cual se necesitan fuentes que, en el do- minio de energías que se investiga, tengan líneas y poco numerosas y de ene_r gías suficientemente separadas y conocidas, Además, el período debe ser lo

suficientemente grande para que la fuente pueda ser utilizada durante largo tiempo.

La Tabla I muestra una selección de fuentes de rayos }' apropiadas para la calibración hasta 3 Mev. Las energías del N a2 2 , C s1 3 7 , Co&0 y N a2 4 han

sido medidas con gran exactitud y por ello estas fuentes son especialmente apropiadas para calibración de energías.

La energía de la línea de aniquilación ha sido medida en el Cu"4 por Mu- 11er Hoyt, Klein y DuMond (l) midiendo longitudes de onda con un espectró- metro de rayos 7 de c r i st a l curvado. Los mismos investigadores han medido con el mismo espectrómetro la energía de la línea del C s " ' . La línea de 1277 kev del N a2 2 ha sido determinada por Alburger (2) midiendo fotoelectrones de un radiador de Pb con un espectrómetro (3 de lente magnética. Las líneas 7

* Investigador de la División de Física de la Junta de Energía Nuclear

* Escuela Politécnica Federal Suiza,

- c-

TABLAI

Fuentes de Calibración,

Fuente

141 Ce

203 Hg

51 C r

113 Sn

22 N a

13 7 Cs

95 Nb

46 Se

65 Zn

60 Co

24 N a

Periodo

127 d.

33 d.

47 d.

27 d.

118 d.

2,6 a.

27 a.

35 d.

84 d.

245 d.

5,2 a.

15 h.

Energía de

K - 52,4 141,6 278,3

510,941* 0

561,50 * C

892

1112 1172,8 * 1368 ± 1

los rayos./ (kev)

84,1

,067 (aniquilación); 1277± 4 , 14

1118

0,5 1332,5 ± 0,3 2753 ,5 i 1

60

del Co han sido medidas por Lindstrüm , Hedgran y Alburger (3) determi- nando la energía de electrones de conversión con un espectrómetro (3 de d_o ble focalización; para la calibración del espectrómetro se utilizó la línea de 1,41 Mev del RaC "medida absolutamente con un espectrómetro g de focali- zación circular y campo uniforme. Finalmente las energías de las líneas }' del Na

han sido determinadas por Hedgran y Lind (4) midiendo íotoelectro nes de un radiador de uranio con el mismo espectrómetro f3 .

El Na tiene el inconveniente de que su período e s d e m a s i a d o pequeño

y su obtención r e q u i e r e fuentes de n e u t r o n e s m u y i n t e n s a s (o

i

= 0 . 5

b p a r a N a (n., y)). S e r í a p o r t a n t o , m u y conveniente d i s p o n e r de o t r a s

fuentes de c a l i b r a c i ó n en el dominio de e n e r g í a s 1,4. . . 2 , 8 Mev y el objeto

del p r e s e n t e t r a b a j o e s d e t e r m i n a r l a s -energías de l a s líneas del Ra y del

p a r a p o d e r u t i l i z a r l o s como fuentes de c a l i b r a c i ó n de e s p e c t r ó m e t r o s

de centelleo en el dominio citado.

El Ra en equilibrio con sus productos de desintegración emite un espec- tro complejo de rayos 7 cuyas energifas son conocidas desde hace tiempo.

La Tabla II muestra los diferentes valores encontrados por diferentes auto- res y en ella pued-.-. apreciarse que hay considerable discrepancia en cuanto a la energía e intensidad de determinadas lineas. Los valores han sido obte-

nidos midiendo electrones de conversión y electrones emitidos por radiado- res bajo la acción de los rayos J con espectrómetros B de 180¿) de lente m a | netica y de doble focalización. El valor 0,60937 ha sido obtenido por Muller et al. con el espectrómetro de cristal curvado. Los valores de las intensi- dades relativas en el caso de Mladjenovic et al. (1952) y Pearce et al. han si do estimados por nosotros en curvas dadas por estos autores.

El espectro de centelleo del Ra que se obtiene con un espectrómetro de Nal(Tl) no resuelve todas las lineas , sino que varios de los máximos resul- tan de la superposición de varias fotolíneas con energías demasiado próxi- mas entre sí para ser separadas por el aparato. En la figura 1 pueden apre-

ciarse los máximos de centelleo, En A aparece el espectro del Ra en escala de energías lineal y en B en escala logarítmica. Las líneas de centelleo de 1,76 y 2,19 Mev aparecen ensanchadas por la concurrencia de varios 7 de energía poco diferente. Es dificil establecer con exactitud la posición de la línea de 2,43 Mev a causa de la proximidad de la de 2,19 Mev mucho más in tensa y a esto se debe el mayor error al medir la energía de aquella.

A partir de los valores de las energías e intensidades de la Tabla II se han obtenido los valores medios de las columnas 1 y 2 de la Tabla III. Las

energías que se han asignado a los máximos de centelleo (columna 3) son la media de los valores de la columna 1 tomados con contribución proporcional a las intensidades de la columna 2.

Con objeto de poder emplear el Ra como fuente de calibrado hemos me- dido la energía correspondiente a los máximos de centelleo utilizando como fuentes calibradoras Cs ³ , C o ^ y Na¿4, La. medición se ha realizado con un espectrógrafo fotográfico de centelleo que funciona según el principio de_s

crito en (13) pero adaptado a la mayor frecuencia de impulsos que es posible obtener esencialmente con contadores de centelleo. Además la cuña gris óp- tica ha sido sustituida por una tensión de barrido exponencial aplicada al tu- bo de rayos catódicos con lo cual se obtiene proporcionalidad aproximada en- tre la ordenada donde la densidad fotográfica pasa por su valor standard y el número de impulsos por unidad de abcisa. Para obtener una mayor exac- titud en la forma del espectro este se divide en cinco canales y el número de impulsos que cae en cada canal se registra por medio de escalas y numera dores. Junto con la fotografía, ésto permite conocer el número de impulsos que corresponde a un determinado intervalo de amplitud. La pantalla fotográ- fica puede dividirse en seis bandas horizontales en cada una de las cuales pue_

ie registrarse un espectro completo lo que permite intercalar el problema entre los espectros calibradores. El cambio de una banda a otra se efectúa mediante un conmutador de modo que las mediciones puedan hacerse muy rá-

TABLA 11

C. D. Ellis(5) C.D. Ellis (1930, 1934)

Energía 0,607

0,766

0,933

1,120 1,238

1,379

1,761

2,193 I.R.

8,9

0,88

0,9

2,8 0,85

0,86

0,35

1

(6) G.D. Latyshev

(1947) Energía

0,606

1,120 1,234 1,290 1,370

1,520 1,620 1,690

1,761

1,820 2,090 2,200

2,420 I.R.

1,76 0,41

1,32

0,56

2,51

0,32

1

0,34

K.C.Mann, M. J.Ozeroff

(1949) Energía

0,607

0,781

1,12

1,40

1,77

2,21

2,40

I.R.

2,96

0,52

0,36

0,92

4

1

(8) Cork et al

(1951) Energía

0,609

0,769

0,935

1,122 1,241

1,419

1,766 I.R.

(9) S. Kageyama

(1952) Energía

0,606

0,766

0,933

1,120 1,238

1,379

1,520

1,761

1,820

2,200

^2,420 I.R.

9

1,3

1,1

2,6 1,0

0,9

0,7

3,2

0,2

1

0,5

(10) Mladjenovic

(1952)

Energía 0,605 0,699 0,770

0,907

1,120 1,247

1,379 1,504

1,627 1,679 1,727 1,761

1,832 2,116 2,193

2,420 I.R.

15

3,1 1,7

1,4 0,40

0,23

0,71 2,5

0,57 0,29

1

0,29

U)

Muller (1952) Energía 0,60937

I.R

—

(11) P e a r c e ( 1 9 5 2 )

Energía 0 , 6 0 7

0 , 7 8 3 0,860

0,932

1,123 1,236

1,525

1,750 1,800

2,192 I.R.

15

2,6

5,4 5,5

3

3 3,2

1

(3) Lindstróm

(1953) Energía

1,1205

1,4158 I.R

(12) Mladjenovic

(1954)

Energía 0,609

0,769

0,934

1,120 1,238

1,378 1,509

.... . 1,764

1,848

2,204

2,432 I.R.

5,13

1,11

0,54

3,9 1,42

1,66 0,56

3,14

0,33

1

0,36 . R.= Intensidad relativa

Espectro T del RaC 'Energía en Mev)

-O"

pidamente una t r a s o t r a .

TABLA III

F o t o l i h e a s a p a r e n t e s en el e s p e c t r o de centelleo de Ra (C C ^) ( E n e r g í a s en Kev. )

L i n e a s r

• •

/ Componentes Valor medio de E n e r g í a Intensidad ; l a s e n e r g í a s y

r e l a t i v a 609

1120

1378 1416 0 1680 (¿ 1730 1764 1848 fJ 213 0

2204 2432

100

2o

12 4 4 6 22 4

contribuyentes 609

112 0

138S

1758

3

9 ' 21Só

4 2432

Energía de los máximos de centelleo Medida con esc

lineal 615 ±7

1121 ± 12

137 5 ±12

17 7 7±15

2207=t= 20

¿45O* 30

l o g a r i t . 6 0 3 * 6

112 3 ± 10

l390=t 15

1760* 17

2190*20 2427±30

Comparada con j3 * (Na¿ 2) y

Cs!37 Co60

Co& 0

24 Na

Na24 Na24

En las medidas se han empleado bien escalas de energía lineal o bien es- cala logarítmica. En las medidas con deflexión lineal la tensión de pico del impulso se mantiene constante durante el tiempo de iluminación mediante un condensador y un circuito de carga y descarga análogo al descrito en (13).

Con este tipo de funcionamiento los espectros de centelleo muestran siem- pre un fuerte aumento de la intensidad hacia las energías pequeñas porque para esta región de energías las eficiencias y las fracciones fotoeléctricas son mucho mayores que para las componentes duras de la radiación, y ade- más porque las reparticiones Compton de todos los rayos J se superponen hacia el extremo inferior del espectro. Por otro lado la anchura media ab-

soluta de los picos de centelleo aumenta con la energía y origina una reduc- ción de la altura máxima de dichos picos en las componentes más duras.

Estas tendencias pueden disminuirse deformando la escala de energías y con este objeto el espectrógrafo de centelleo fue provisto, durante parte

délas medidas, de un circuito de modulación logarítmica (14) de modo que la deflexión horizontal mantenida constante durante la iluminación es proporcio- nal al logaritmo de la amplitud del impulso. El efecto puede apreciarse en la figura 1 donde se compara un espectro lineal del Ra en A con otro logarítmico del Ra en B.

Fig. 1. - Espectro de centelleo de ios rayos gamma emitidos en la desintegración del Ra.

A. - Espectro con escala lineal de energías

B- -Espectro con escala logarítmica, de energías.

Puede verse todavía más claramente comparando los espectros inferiores de las figuras 2 y 3 que corresponden "1 Na.-⁴ tomados lineal y logarítmicamen- te respectivamente. La figura 2 representa el espectro del Mn^" entre los e_£

pectros calibradores del Cs^{i J} ' y el Na^⁴ en esc3.1a lineal, y la figura 3 el e_s_

pectro del Ra comparado con los espectros calibradores del Co°0 y el Na¿4:

los tres en escala logarftmic-.-..

Los valores obtenidos con cada tipo de escala, aparecen en las columnas 4 y 5 de la Tabla III y la comparación con Jos valores de la columna 3 demues- tra que el Ra puede emplearse como fuente de calibración con una precisión del±l%.

La desintegración Mn ^Fe"'° proporciona un espectro y mucho más sencillo que el Ra. Tiene el inconveniente de que el periodo es demasiado pequeño (2 , 6 horas), pero la sección eficaz de captura, de neutrones térmi- cos del Mn es de unos 13 barns y un proceso Szilard-Chalmers permite la concentración de núcleos activos a partir de K Mn O^ con lo que pueden obtenerse fácilmente fuentes radioactivas con una fuente de neutrones reía-

tivamente debí.].

- 7 -

Fig 2. Comparación de las energías correspondientes a los rayos gamma de la desintegración del Mn (en me_

dio) con las de los gamma del Csl37 (arriba) y el N a ^ (abajo. ).

Escala de energías lineal.

4in i

Fig 3. Comparación de las energías correspondientes a los rayos gamma del Ra (en medio) con las de los gam ma del Co⁶⁰ (arriba) y el Na^{2 4} (aba~

jo)

Escala de energías logarítmica.

El espectro del Ra aparece con dos escalas de intensidades distin- tas , una de ellas debida a un tiem- po de exposición diez veces superior al de la otra.

Los valores que aparecen en la bibliografía sobre la energía de las líneas

del Mn difieren sensiblemente (15), (16). Para poder emplear Mn como fuente de calibración hemos determinado la energía de las líneas del Mn^°

de modo análogo al seguido con el Ra. Los valores obtenidos con escalas de energías lineal y logarítmica coinciden dentro de un 1% con los resultados de Elliot y Deutsch (15) (Tabla IV).

TABLA IV

Energía de los rayos 7 de Mn Fe (Todos los datos en kev)

Denominación de la transición')'

h

Medidas con e s p e c t r ó m e t r o s m a g n é t i c o s

Elliot and Deutsch(15)

350 1310 2130

Siegbahn(16) 822

1770 2060

Medidas de centelleo Tipo de e s c a l a

lineal 339*7 1806*12 213 0*15

l o g a r í t . 851*7 1812*12 2139*18

Comparado

con

Cs y Co Na24 N a

; ^ ^ ^ ^ \ ^ ^ ^

• Energía (Mev) 1.5

Fig. 4 Descomposición del espectro gamma de centelleo del Mn A. - Intensidad de la línea de 2134 kev

B. - Intensidad de la línea de 1809 kev C - Intensidad de la línea de 845 kev.

D. - Radiación dispersada.

56

• 9 -

La determinación de intensidades en el espectro de centelleo aparece en la figura 4 y da, para la intensidad relativa de las t r e s componentes 100:30:

17 en buena coincidencia con (15) y (16).

Dos lineas y superiores " c r o s s - o v e r " en el proceso Mn ^Fe de 2,7 Mev y 3,0 Mev no son utilizables para calibración a causa de su muy pequeña intensidad (0,1% y 0,2% respectivamente de la intensidad total) (17).

B I B L I O G R A F I A.

1. - D, E. Muller, H. C. Hoyt, D. J, Klein and J. W. M. DuMond. Phys Rev 88 2. - D. E. Alburger. Phys Rev 76 , 435 (1949) 775( 1952) 3. - G. Lindstrom , A. Hedgran and D. E, Alburger. Phys Rev 89 , 1303 (1953) 4. - A. Hedgran and D, Lind, Arkiv Fysik 5, 177 (1952)

5. - C.D, Ellis and G. H. Aston. P r o c . Roy Soc A129 , 180 (1930) C.D. Ellis. Proc Roy Soc A143 , 350 (1934)

6. - G. D. Latyshev. Rev Mod Phys 19, 132 (1947)

7. - K. C. Mann and M. J. Ozeroff, Can J Res A27 , 164 (1949)

8 , - J. M. Cork, C.E. Branyan, A. E, Stoddard, H. B. Keller. J. M. LeBlanc and W. J. Childs. Phys Rev 83, 681 (1951)

9. - S. Kageyama, J. Phys Soc Japan 7, 93 (1952)

10. - M. Mladjenovic and A, Hedgran. Physica 18, 1242 (1952) 1L - R. M. Pearce and K. C. Mann. Can J Phys 31, 592 (1953) 12. - M. Mladjenovic and A. Hedgran. Arkiv Fysik 8, 49 (1954) 13. - D. Maeder. Helv Phys Acta 20, 139 (1947)

14. - Aparece en Rev Sci Instr

15= - L. G. Elliot and M, Deutsch. Phys Rev 64, 321 (1943) 16. - K. Siegbahn. Arkiv Mat Astron Fysik 33A, n° 10 (1946)

17, - G.R. Bishop, R. Wilson and H. Halban. Phys Rev 77, 416 (1950)