Workshop Metodi avanzati di spettrometria gamma

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1 ENEA-stituto Nazionale di Metrologia delle Radiazioni onizzanti ARPA Lombardia, Dipartimento di Milano Università degli Studi di Urbino Carlo Bo Workshop Metodi avanzati di spettrometria gamma Milano novembre Sample and detector characterization 2. Analytical methods: examples 3. Coincidence summ.. corr.: examples (Cs-134 and Eu-152) 4. Simplified analytical methods P. De Felice ENEA-NMR stituto Nazionale di Metrologia delle Radiazioni onizzanti C.R. Casaccia,, P.O. Box 2400, , Rome, taly

2 1. SAMPLE AND DETECTOR CHARACTERZATON

3 Composizione e densità della matrice l coefficiente di attenuazione lineare, µ, dipende da: - Energia fotonica - Composizione della matrice - Densità della matrice Se la composizione della matrice è nota, µ, può essere calcolato: - Valori tabulati -Coefficiente di attenuazione massico µ m - µ = µ m ρ dove ρ = densità della matrice -Software e database: -XCOM (M.J.Berger et al., NST) -EPCSHOW (NEA databank) per visualizzare la dipendenza di µ da elemento chimico ed energia fotonica

4 Self-absorption effect Sample density from 0,4 to 3 kg/dm 3 Sample thickness from 5 to 30 mm mportance of chemical composition at low energy (E<100 kev)

5 Composizione e densità della matrice Se la composizione della matrice NON è nota, µ, può essere determinato sperimentalmente: Trasmissione di un fascio fotonico emesso da una sorgente puntiforme µ x 0 = e µ = 1 L ln 0 L= lunghezza del percorso nel materiale della matrice e 0 = ratei di conteggio in FEP in presenza e assenza della matrice

6 Misura di µ con fascio collimato µ x 0 = e Sorgente, 0 Matrice, µ L Collimatore µ = 1 L ln 0 Rivelatore HPGe, L= lunghezza del percorso nel materiale della matrice e 0 = ratei di conteggio in FEP in presenza e assenza della matrice Problemi: - Necessità di sorgente intensa - Contributo di diffusione Compton a piccoli angoli a basse energie => sorgente e matrice lontani dal rivelatore - Preferibilmente emettitori di fotoni singoli (effetto somma)

7 Misura di µ con fascio non collimato µ x 0 = e Sorgente, 0 Matrice, µ L µ = 1 L ln 0 Rivelatore HPGe, -Sorgente posta direttamente sulla matrice -Vantaggio: possibili sorgenti di bassa attività -Problemi: -Percorsi nel materiale della matrice non costanti -Contributo di diffusione Compton a piccoli angoli a basse energie -Preferibilmente emettitori di fotoni singoli (effetto somma)

8 Measurement of the matrix linear attenuation coefficient (linear attenuation of a collimated photon beam) µ x 0 = e

9 Comparison of measured and calculated (X-Com) linear attenuation coefficients (tuff sample) 0,33 0,28 da mis. Eu-152 da "x-com" m (cm 2 /g) 0,23 0,18 0,13 0,08 0, Energia fotonica (kev)

10 Detector geometry Detector geometry is required for: "efficiency transfer" applications (geometry and self absorbtion corrections); total efficiency calculation (coincidence-summing corrections); This information can be: obtained by the detector manufacturer; directly measured by x-ray x radiography.

11 Detector geometry P. Dryak, P.Kovar,, Appl. Radiat. sot. 64 (2006) Methods for measurement of parameters that describe crystal and detector construction elements: X-ray fluorescence, to measure the impurity concentrations in the aluminum. Radiography with X-rays X and gamma rays from r-192, Cs-137 and Co-60, to measure the shape of the crystal, its position within the cap and d the cryostat structure. Platinum wires of a known length were attached to the external surface of the cryostat in order to measure dimensions as accurately as possible. sible. Attenuation of a collimated photon beam, to measure the Ge dead layer thickness. A beam of 59.5 kev photons from Am-241 was directed on the center crystal surface at angles of 30,, 45,, 60,, and 90.. The different absorption levels in the dead layer was used to calculate the average thickness.

12 Pt wires Ge crystal crystal holder ground contact X-ray picture of HPGe detector P. Dryak, P.Kovar,, Appl. Radiat. sot. 64 (2006) Al cryostat contact pin preamplifier

13 inner hole dist. insulator notch Detector central area obtained using Cs-137 source P. Dryak, P.Kovar,, Appl. Radiat. sot. 64 (2006)

14 screw contact pin spring Detector central area obtained using r-192 source P. Dryak, P.Kovar,, Appl. Radiat. sot. 64 (2006) screw

15 HPGe detector parameters P. Dryak, P.Kovar,, Appl. Radiat. sot. 64 (2006) parameter Ge crystal parameters Ge density dead layer thickness diameter length upper edge radius bottom edge radius bottom notch diameter bottom notch width bottom notch depth inner hole parameters diameter depth contact pin diameter contact pin length P+ contact layer value ( ± ) g/cm 3 ( ± ) mm (62.5 ± 0.1) mm (59.0 ± 0.1) mm (1.81 ± 0.02) mm (3.91 ± 0.01) mm (27.43 ± 0.02) mm (5.14 ± 0.02) mm (2.06 ± 0.02) mm (10.0 ± 0.1) mm (42.0 ± 0.1) mm (3.7 ± 0.1) mm (7.0 ± 0.1) mm 300 nm measurement method weighing in water gamma ray absorption Cs-137 radiography Cs-137 radiography Cs-137 radiography r-192 radiography r-192 radiography r-192 radiography r-192 radiography manufacturer s data

16 HPGe detector parameters P. Dryak, P.Kovar,, Appl. Radiat. sot. 64 (2006) aluminum holder parameters Al density (2.717 ± 0.001) g/cm 3 weighing in water impurities entrance window diameter length thickness bottom thickness ring overlap bottom to crystal distance aluminum cryostat diameter thickness window to crystal distance Mg (0.1 ± 0.05) % Sn (0.1 ± 0.05) % Cu ( 0.01 %) Zn ( %) (0.6 ± 0.05) mm (66.5 ± 0.1) mm (82.0 ± 0.1) mm (1.0 ± 0.1) mm (3.0 ± 0.1) mm (2.5 ± 0.1) mm (20.0 ± 0.1) mm (82.5 ± 0.1) mm (1.5 ± 0.1) mm (5.0 ± 0.1) mm X-ray fluorescence X-ray fluorescence X-ray fluorescence X-ray fluorescence

17 X-ray radiographies of HPGe (P) detectors old detector (1970) new detector (1985)

18 Window and Ge dead layer thickness Needed for several applications Thickness of the materials in front of the crystal must be given by the manufacturer Dead layer can be determined by a Se-75 source

19 Ge dead layer measurment Se-75 x-ray x emissions: a) 10.5 kev,, b) 1.7 kev Massic attenuation coefficient for Ge changes drastically around 11.1 kev. Dead layer thickness, t, is obtained by the relation: N a /N b = p a exp(-µ a t) / p b exp(-µ b t), where: N a e N b : fep counts p a = 0.498, p b = 0.076, µ a Then: = 32.5 cm 2 g - 1, µ b N a /N b = 6.55 exp(0.073 t). = 170 cm 2 g - 1,

20 Accuracy of dead time correction The pulser peak area count rate is studied as a function of the total count rate HPGe gmx corretto per tempo morto non corretto per tempo morto Lineare (non corretto per tempo morto) Lineare (corretto per tempo morto) 55 Rateo nel picco dell'impulsatore (1/s) y = -1,450x + 50,084 R 2 = 0, y = -51,066x + 50,074 R 2 = 1, % 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% Tempo morto

21 Example of a source support for QC

22 Source-detector geometry for QC