Tema I: CARATTERIZZAZIONE DI UNA SORGENTE DI RADIAZIONI Obiettivo: studiare e caratterizzare una sorgente ignota di radiazioni.

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Ottaviano Fadda
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DI UNA SORGENTE DI RADIAZIONI Obiettivo: studiare e caratterizzare una sorgente ignota di

1 Laboratori Nazionali di Legnaro Corsi di alta formazione per l'orientamento agli studi post-diploma riconosciuti nell'ambito dell' Alternanza Scuola-Lavoro Tema I: CARATTERIZZAZIONE DI UNA SORGENTE DI RADIAZIONI Obiettivo: studiare e caratterizzare una sorgente ignota di radiazioni. 29/06/2018 Alessandro Collatuzzo Roberto Demaio Edoardo Finamore Federico Gaspari Denise Lazzaretto

2 Sommario 1. Sorgenti di radiazione 2. Interazione Radiazione materia 3. Rivelatori a scintillazione 4. Misure con sorgenti radioattive (in laboratorio) 5. Misure con fascio (al CN) 6. Conclusioni

3 Radiazioni e Sorgenti Radiazioni: Alfa (α) Beta (β) Gamma (γ) Neutroni (n) Sorgenti di radiazione: Decadimenti Radioattivi Reazioni Nucleari Decadimento radioattivo

4 SORGENTI DI RADIAZIONI Radiazioni: Alfa (α) Beta (β) Gamma (γ) Neutroni (n) Decadimento radioattivo Reazione Nucleare p 7Li n 7Be

5 Interazione radiazione-materia: particelle cariche Ionizzazione per particelle beta - Ionizzazione per particelle alfa Particella ionizzante e - e - e - Particella ionizzante con energia minore

Coppie Grafico dell effetto fotoelettrico Grafico

6 Interazione radiazione-materia: particelle fotoni Effetto fotoelettrico Effetto Compton Produzione di Coppie Grafico dell effetto fotoelettrico Grafico dell effetto Compton Grafico dell effetto creazione di coppie

Reazioni di trasmutazione n + 6 Li a + 3 He (Q=2.31 MeV) n + 10 B a + 7 Li (Q=4.

7 (barns) Interazione radiazione-materia: neutroni I neutroni subiscono interazioni forti con i nuclei dei materiali producendo particelle secondarie cariche che ne permettono la rivelazione indiretta Reazioni di trasmutazione n + 6 Li a + 3 He (Q=2.31 MeV) n + 10 B a + 7 Li (Q=4.78 MeV) n + 3 He p + 3 H (Q=0.764 MeV) Diffusione elastica n+p, n+c E E = A A cos α (A + 1) 2 se A = 1 E E = 1 + cos α 2 a

8 Rivelatori a scintillazione Due componenti: 1. Materiale scintillante che, quando colpito da radiazioni, emette luce. 2. Fotorivelatore che converte la luce in segnale elttrico Requisiti rivelatore: Capacità di fermare le particelle (potere frenante) Alta resa in luce Alta efficienza di conversione della luce in segnale elettrico E particella LUCE scintillatore # elettroni

9 Meccanismi di scintillazione ORGANICI Plastici, siliconici, soluzioni liquide INORGANICI cristallini

38 415 250 3.67 LaBr 3 Inorganico 63 380 16 5.08 CsI(Tl) Inorganico 54 550 1000 4.

10 Rivelatori utilizzati durante lo stage Tipo Resa di luce (Fotoni/keV ee ) Lunghezza d onda max emessa (nm) Tempo di decadimento (ns) Densità (g/cm 3 ) NaI(Tl) Inorganico LaBr 3 Inorganico CsI(Tl) Inorganico EJ200 Organico EJ299 Organico PSS100 PPO 6% Organico 5 420

11 PARTE 1 Misure con sorgenti radioattive

12 APPARATO SPERIMENTALE IN LABORATORIO Rivelatore Sorgente Fotomoltiplicatore IN Generatore di tensione amplificatore OUT

13 SPETTRI NON CALIBRATI Spettro mostrato dal multicanale Scintillatore organico EJ200 Spettro del 137 Cs Il computer in un istogramma mostra i conteggi relativi ai 8192 canali I canali da 1 a 8192 corrispondono a voltaggio da 0 a 10V Per ricavare il canale del picco Compton e del picco fotoelettrico è stato eseguito un fit gaussiano Fit gaussiano Scintillatore inorganico LaBr 3 Spettro del 137 Cs

14 Riepilogo DATI RACCOLTI (con sorgente) Sorgente ϒ Energia spalla Compton (MeV) Scintillatori organici EJ200 (canale) PSS_PP06 (canale) PSS_B (canale) 137 Cs 0, Co 0, Y 0,664 1, Sorgente ϒ Energia ϒ (MeV) Scintillatori inorganici LaBr 3 (canale) NaI (canale) CsI (canale) 137 Cs 0, Co 1,1732 1, Y 0,898 1, Non rilevata Energia del ϒ 95% dell energia massima depositata Energia massima depositata Massa dell elettrone

15 CALIBRAZIONE Per ciascun rivelatore Prima della calibrazione Canali nelle ascisse Dopo la calibrazione Energie (MeV) nelle ascisse Sapendo che Canale energia depositata È stata tracciata la retta passante per le coordinate annotate nella tabella precedente attraverso Excel Con l equazione della retta ottenuta è stato possibile calibrare gli spettri Retta di calibrazione dello scintillatore organico EJ200 Asse x canali Asse y energia Scintillatori organici Scintillatori inorganici canali dei picchi Compton di 137 Cs, 60 Co e 88 Y canali dei picchi fotoelettrici di 137 Cs, 60 Co e 88 Y

16 SPETTRO DI UNA SORGENTE ϒ Scintillatore LaBr 3 (inorganico) Spettro della sorgente 88 Y Picco fotoelettrico a 0,898 MeV Secondo picco fotoelettrico a 1,836 MeV Picco somma a MeV Scintillatore EJ200 (organico) Spettro della sorgente 88 Y Picco Compton a 0,664 MeV Secondo picco Compton a 1,530 MeV

17 SPETTRO DI UNA SORGENTE β Scintillatore EJ200 Spettro della sorgente 90 Sr

18 QUENCHING Il processo di emissione di luce non è sempre lineare. Alta densità di ionizzazione Aumento della diseccitazione non radiativa Diminuzione della resa in luce Energia emessa: 5.48 MeV Energia all arrivo allo scintillatore: 4.8 MeV Energia apparente : 0.3 MeV

04 214Bi 2 0.90 0.93 0.06 0.07 Nucleo corrispondente 228Ac 3 1.

19 MISURA DELLE RADIAZIONI DEL FONDO AMBIENTALE NaI(Tl) Numero Picco Energia(MeV) Energia (MeV) FWHM (MeV) Bi Nucleo corrispondente 228Ac Bi K Bi Tl

20 IDENTIFICAZIONE DI UNA SORGENTE DI RADIAZIONI IGNOTA NaI(Tl) Numero Picco Energia (MeV) FWHM (MeV) Riferimento (MeV) 1 0, , , , , , , , , , , , , ,408 Numero Picco Energia (MeV) FWHM (MeV) Riferimento (MeV) 152Eu LaBr 3 1 0, , , , , , , , , , , , , ,408

21 PARTE 2 Misure con fascio Produzione di neutroni tramite reazione nucleare: p + 7Li 7Be + n Efascio = 4,5 MeV Efascio = 4,7 MeV Eneutroni a 0 gradi = 2,8 MeV Eneutroni a 0 gradi = 3 MeV

22 APPARATO SPERIMENTALE al CN Generatore di tensione rivelatore 3 MHz = 333 ns Fascio di neutroni FASCIO DI PROTONI PICK UP T0 AL CN Tf L ToF

23 Riepilogo DATI RACCOLTI (con fascio) Run Sorgente Rivelatore Neutroni 2,8 MeV PSS100 6%PPO Y PSS100 6%PPO Cs PSS100 6%PPO Cs EJ Y EJ Neutroni 2,8 MeV EJ Cs EJ Y EJ Neutroni 3,0 MeV EJ Neutroni 3,0 MeV NaI Y NaI Cs NaI

24 Spettri di tempo di volo NaI(Tl) EJ200 g n g n EJ299 Tof=38ns PSS100 6%PPO g n g n Tempo di volo consistente con l energia dei neutroni e la distanza del rivelatore dal bersaglio Diversa efficienza di rivelazione del neutrone a seconda del rivelatore (maggiore per gli inorganici)

25 Metodo di discriminazione neutroni-gamma La forma del segnale indotto in uno scintillatore organico può essere diversa a seconda del tipo di radiazione incidente. QCR=Delayed gate / Total gate Parametro di discriminazione diverso a seconda del tipo di particella (neutrone o gamma)

26 Discriminazione gamma/neutrone PSS100 6%PPO EJ299 Parametro di discriminazione per una stessa energia depositata g n g n

27 CONCLUSIONI Abbiamo misurato per ogni scintillatore gli spettri relativi a varie sorgenti radioattive Ogni scintillatore è stato calibrato in energia Abbiamo analizzato gli spettri calibrati confrontandoli fra loro È stato possibile fare delle considerazioni scintillatori per quanto riguarda efficienza e risoluzione In base è stata caratterizzata una sorgente ignota ed il fondo ambiente Abbiamo utilizzato una reazione nucleare per produrre neutroni presso l acceleratore CN L energia dei neutroni è stata misurata con il metodo del tempo di volo verificando la relazione tra energia e tempo di volo Abbiamo verificato la possibilità di discriminazione neutroni-gamma tramite analisi del segnale

28 Conclusioni Tipo Rivela ϒ Rivela n Discriminazione ϒ/n NaI(Tl) Inorganico Si (energia totale) LaBr 3 Inorganico Si (energia totale) Si(bassa efficienza) Si(bassa efficienza) no no CsI(Tl) Inorganico Si (energia totale) Si(bassa efficienza) no EJ200 Organico Si(solo Compton) EJ299 Organico Si(solo Compton) PSS100 PPO 6% Organico Si(solo Compton) si si si no Si si

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