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INSTRUMENTAÇÃO NUCLEAR

ESPECTROMETRIA

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Espectroscopia gama

Análise quantitativa e qualitativa do radionuclídeo emissor gama.

Os principais detectores são:

1. Iodeto de Sódio – NaI(Tl) � detector cintilador inorgânico;baixo custo; alta eficiência; resolução pobre.

2. Germânio hiper puro - HPGe � detector semicondutor; alto custo para baixa eficiência; muito alto custo para alta eficiência; ótima resolução.

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Espectros

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Propriedades gerais de um detector

Na situação real, muitos fótons interagem com o detector em certo intervalo de tempo.

)(ti

tempo

A altura do pulso dependerá do número de elétrons liberados que, por sua vez, dependerá da energia transferida para o

material do detector.

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Efeito fotoelétrico

Efeito no qual o fóton desaparece transferindo toda a sua energia para um elétron.

ligaçãoe EhvE −=

hv E

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Efeito Compton

hv E

Efeito no qual o fóton transfere parcialmente sua energia para um elétron.

( )( )( )( )

−+−=

θθ

cos1/1

cos1/2

0

20

cmhv

cmhvhvEe

φ=πφ=0

πθ =−= eC EhvE

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Produção de pares

hv E

Efeito no qual o fóton dá lugar ao aparecimento de dois elétrons.

202 cmhvEE

ee−=+ +−

202 cm

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Efeitos do cristal – pequeno

dE

dN

Ehνhν−2∗0,511

joelho ComptonEc=hν -Ee(θ=π)

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Efeitos do cristal – grande

dE

dN

Ehν

10

Efeitos do cristal – médio

dE

dN

Ehνhν−0,511

hν−2∗0,511

espalhamento múltiplo

joelho ComptonEc=hν -Ee(θ=π)

11

Efeito da espessura

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Efeitos da blindagem

dE

dN

Ehν~0,2 keV 0,511 keV

12 3

1

2

3

raio X caracterísitico

retro espalhamento

aniquilamento

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Complicações no espectro

1. Escape de elétrons secundários

2. Escape de Bremsstrahlung

3. Escape de raio-X característico

4. Radiação secundária gerada perto da fonte

a. Radiação de aniquilamento

b. Bremsstrahlung

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Efeito soma60Co

2505

1332

0

100%

100%

Fontes muito próximas ao detector � efeito soma

aparecimento de um pico cujaenergia é a soma das energias dos

fótons envolvidos..

dE

dN

Ehν1+hν2hν2hν1

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Efeitos em detector de germânio

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Área do fotopico

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Eficiência absoluta

( )kAiT

SE

...=ε

área

tempo de contagem

% de emissão

Atividade

correção de decaimento

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Eficiência intrínseca

t

N

ϕε =

ε = eficiência do detector no fotopico ou total (cps/γ/cm2);

N = taxa de contagem no fotopico ou total (cps);

ϕ = fluxo emitido pela fonte ou que incide sobre o detector (γ/cm2 .s);

t = tempo de contagem (s).

d4e S

= 2

d-

πϕ

µS = taxa de emissão da fonte

(γ/s);

µ = coeficiente de atenuação linear total no ar (cm-1);

d = distância fonte-detector (cm).

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Curva de eficiência

Efic

iên

cia

(cp

m/g

am

a cm-1

s-1)

Energia (keV)

10 2 10 3

10 2

10 3

Curva de eficiência para o detector HPGe, obtida por modelagem; os pontos representam os valores obtidos experimentalmente.

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Eficiência total e pico

pico

Eficiência pico– considera apenas a deposição total da energia.

Eficiência total– considera todos os pulsos gerados no detector.

total

picorεε

=

ctg

altura de pulso

total

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Eficiência total e pico

Energia (keV)

102 103

100

101

Efic

. tot

al /

Efic

.fot

opic

o

Curva da razão entre a eficiência total e de fotopico. A curva foi obtida por modelagem e os pontos representam os valores obtidos experimentalmente.

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Calibração em energia

121.79 493.09244.69 985.42344.27 1384.28778.89 3125.13867.32 3479.39964.01 3866.63

1085.78 4354.121112.02 4459.471407.95 5644.74

y = 0.2497x - 1.3298

R2 = 1

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

canal

ener

gia

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Energia (MeV)0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Co

ntag

em

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Espectro para o 137Cs obtido experimentalmentee o espectro obtido por simulaçãopara a energia de 661,66keV. O espectro experimental foi obtido pela subtração do espectro obtido por medida direta da fonte pelo espectro obtido com a blindagem de sombra posicionada.

Experimental e simulação

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Espectro - NaI(Tl)

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Espectro - HPGe

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Comparação entre detectores

NaI(Tl)

Prop.

Si(Li)

Ag K-α

Ag K-β

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Espectro – Barreira de Superfície