Física atómica y nuclear

LD
Hojas de
Física
Física atómica y nuclear
Física de rayos X
Espectrografía de la energía de rayos X
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Registro y calibración de un
espectro de energía de rayos X
Objetivos del experimento
g Registro del espectro de fluorescencia de un objetivo de calibración de acero galvanizado.
g Calibración de dos puntos de energía del espectro registrado.
g Verificación de la calibración de energía por medio de la identificación de otras líneas del espectro registrado.
Principios
El detector de energía de rayos X permite determinar la
energía de los rayos X. El componente central del detector es
un fotodiodo Si-PIN, el cual es refrigerado por un elemento
Peltier para reducir la corriente de fuga. En el diodo PIN, los
rayos X entrantes producen pares electrón-hueco por medio
de la interacción con los átomos del cristal. Estos pares son
separados en un campo eléctrico y luego son convertidos en
un impulso de tensión. La cantidad de pares electrón-hueco y
la amplitud de impulso son proporcionales a la energía del
rayo X. El análisis de la amplitud del impulso se lleva a cabo
con un analizador multicanal (MCA) conectado a una
computadora (PC).
consecuente formación de pares electrón-hueco. El primer
átomo ionizado por el efecto fotoeléctrico puede emitir por sí
mismo un fotón característico de rayos X, cuya energía es
absorbida por completo en el detector, en la mayoría de los
casos. Luego, el total de energía absorbida y transformada
en pares electrón-hueco corresponde a la energía EX del
fotón. En el campo eléctrico presente en el diodo PIN, los
electrones y los huecos son separados y atraídos a los
electrodos antes de que puedan recombinarse.
En promedio, la formación de un par electrón-hueco en el
silicio requiere de una energía ε = 3,8 eV. La energía de
rayos X absorbida EX, que es considerablemente mayor, es
entonces transformada aproximadamente en
Diodo PIN:
El diodo PIN consta de un monocristal de silicio con una capa
intrínseca (sin dopar) de un espesor aproximado de 150 µm
entre la capa P y la capa N. En esta capa se absorbe parte
de los rayos X entrantes. La absorción en un fotón de rayos
X se lleva a cabo a través del efecto fotoeléctrico, en el cual
un fotoelectrón rápido es expulsado. Además de la porción
que corresponde a la energía de enlace, la energía de rayos
X es así transformada en energía cinética del fotón. El
electrón pierde su energía en las colisiones con los átomos
del cristal, en tanto que los átomos son ionizados con la
EX
(I)
ε
pares electrón-hueco. Esto quiere decir que la cantidad de
pares electrón-hueco es proporcional a EX y la carga atraída
a los electrodos en
NX =
QX = e ⋅ NX
(II).
Esta carga ingresa en un preamplificador sensible a la carga
y es recolectada en un capacitor de retroalimentación CF ≈
1 pF. De ahí que se genera la señal de tensión
0515-Iv/Sel
UX =
QX
CF
(III)
en la salida del preamplificador. Esta señal es muy pequeña
y por lo tanto debe ser amplificada electrónicamente por un
amplificador lineal de bajo nivel de ruido. Finalmente, se
obtiene la señal de salida
U X′ = A ⋅ U X donde A ≈ 1000
(IV)
la cual es proporcional a la energía Ex de rayos X.
Fig. 1
1
Ilustración esquemática del detector de energía de rayos X.
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Materiales
1 aparato de rayos X
con tubo de rayos X de Mo y goniómetro
554 811
o
1 aparato de rayos X
con tubo de rayos X de Cu y goniómetro
1 detector de energía de rayos X
559 938
1 Sensor-CASSY
524 010
1 unidad MCA
524 058
1 CASSY Lab
524 200
1 cable BNC de 1 m
501 02
1 PC con Windows NT/98 o versiones más recientes
Análisis de la amplitud del impulso multicanal:
Las señales detectoras son nuevamente procesadas en el
analizador multicanal (Sensor-CASSY + unidad MCA), cuyo
componente principal es un conversor analógico-digital. Este
conversor mide la amplitud del impulso U’X y convierte el
valor medido en un valor digital proporcional nX. Más
precisamente, nX corresponde al intervalo de amplitudes de
impulso, cuyo ancho depende de la resolución del conversor
analógico-digital. La computadora le asigna una ubicación de
memoria a cada valor digital y cuenta los eventos en cada
ubicación. El resultado es un histograma que representa la
distribución de frecuencias de las amplitudes de impulsos.
Fig. 2
Colimador (a), Objetivo de calibración (b), Detector de
energía de rayos X (c)
Montaje
La Fig. 2 muestra el montaje del experimento.
–
Guíe el cable de conexión de la fuente de alimentación de
mesa a través del conducto vacío del aparato de rayos X,
y conéctelo al enchufe hembra Mini-DIN del detector de
energía de rayos X.
–
Ajuste el conjunto del detector de energía de rayos X y el
soporte del sensor en el brazo para el sensor del
goniómetro.
–
Utilice el cable BNC provisto junto con el detector de
energía de rayos X para conectar la salida de señal del
detector al enchufe hembra BNC denominado SIGNAL IN
del aparato de rayos X.
–
Introduzca una cantidad suficiente de cable en el
conducto, de modo que el brazo del sensor pueda realizar
una rotación completa.
–
Presione el botón SENSOR y utilice la perilla ADJUST
para ajustar el ángulo del sensor a 90° en forma manual.
–
Conecte el Sensor-CASSY a la computadora y enchufe la
unidad MCA.
–
Utilice un cable BNC para conectar la salida SIGNAL
OUT del panel de terminales del aparato de rayos X con
la unidad MCA.
–
Ajuste las distancias entre la ranura del colimador y el eje
de rotación y entre el eje de rotación y la abertura de
entrada del detector entre 5 y 6 cm cada una.
–
Coloque el objetivo de calibración suministrado junto con
el detector de energía de rayos X sobre la plataforma
para objetivo.
Para una evaluación cuantitativa se necesita una calibración
de energía mediante dos puntos
E X = a ⋅ nX + b
Montaje experimental para registrar y calibrar el espectro de
energía de rayos X
(V)
porque los factores de proporcionalidad de las relaciones EX
~ QX ~ U’X ~ nX no son conocidos y el cero del conversor
analógico-digital no se puede ajustar exactamente.
El aparato de rayos X cumple con todas las normas
vigentes para equipos de rayos X; es un dispositivo
totalmente protegido para usos educativos, y es del tipo
cuyo uso en escuelas está permitido en Alemania (NW
807 / 97 Rö).
La protección integrada y las medidas del blindaje
reducen la intensidad de dosis en el exterior del aparato
de rayos X a menos de 1 µSv/h. Este valor se encuentra
en el orden de magnitud de la radiación de fondo natural.
g Antes de comenzar a utilizar el aparato de rayos X,
verifique que no se encuentre dañado y asegúrese de
que la alta tensión se interrumpa cuando se abren las
puertas corredizas (ver Hoja de instrucciones para el
aparato de rayos X).
g No permita el acceso de personas no autorizadas al
aparato de rayos X.
Evite el sobrecalentamiento del tubo de rayos X.
– Presione el pulsador TARGET y utilice la perilla ADJUST
para ajustar el ángulo del objetivo a 45° en forma manual.
g Al encender el aparato de rayos X, verifique que el
ventilador de la cámara del tubo comience a girar.
Realización del experimento
El goniómetro es posicionado exclusivamente por medio
de motores eléctricos paso a paso.
–
g No bloquee el brazo para el objetivo y el brazo para el
sensor y no utilice la fuerza para moverlos.
2
Conecte la fuente de alimentación de mesa a la red
(luego de aproximadamente 2 minutos el LED brilla en
color verde y el detector de energía de rayos X está listo
para funcionar).
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–
Abra el CASSY Lab, y seleccione los siguientes
parámetros de medición: “Medición multicanal, 256
canales, Pulsos negativos, Ganancia -6, Duración 300 s”.
–
Seleccione la alta tensión del tubo U = 35 kV y la
corriente de emisión I = 1,00 mA y conecte la alta tensión.
–
Comience el registro del espectro con el botón
la tecla F9.
–
Una vez transcurrido el tiempo de medición, guarde el
espectro con un nombre apropiado.
o con
Ejemplo de medición
En el espectro se encuentran varias líneas (ver Fig. 3). Las
dos líneas con la tasa de conteo más alta son la línea Kα del
Fe y la Kα del Zn. Estas son las líneas utilizadas para la
calibración de energía.
Evaluación
Calibración de energía:
–
Abra la ventana de diálogo “Calibración de energía” con
Alt+E, y seleccione “Calibración global de energía”.
–
Ingrese la energía de la línea Kα del Fe (6,40 keV [1]) y la
de la línea Kα del Zn (8,63 keV [1]).
–
Seleccione “Otras evaluaciones” → “Cálculo del centro
del pico” en el menú contextual de la ventana del
diagrama, y marque la región de la línea Kα del Fe
(excluyendo la línea vecina con una tasa de conteo
menor).
–
Ingrese el resultado en la ventana de diálogo “Calibración
de energía”.
–
Luego determine e ingrese el centro de pico de la línea
Kα del Zn.
–
Cierre la ventana de diálogo “Calibración de energía”
haciendo clic en Aplicar.
Fig. 3
Espectro de fluorescencia sin calibrar del objetivo de
calibración.
Fig. 4
Espectro de fluorescencia de energía calibrado del objetivo
de calibración.
Fig. 5
Espectro de fluorescencia del objetivo de calibración con
líneas identificadas.
La Fig. 4 muestra el resultado de la calibración de energía.
Identificación de las líneas Kβ:
–
Seleccione la opción “Energías de rayos X” del menú
contextual de la ventana del diagrama, y haga clic en el
símbolo del elemento Fe.
–
Cierre la ventana haciendo clic en el botón “Aceptar” y
borre las marcas de las líneas L del Fe presionando
varias veces las teclas Alt + ←.
–
Seleccione nuevamente “Energías de rayos X” del menú,
haga clic en el símbolo del elemento Zn y borre las
marcas de las líneas L del Zn.
Resulta que los cuatro picos medidos pueden ser atribuidos a
la fluorescencia de los dos constituyentes principales de la
lámina de acero galvanizado, es decir, Fe y Zn (ver Fig. 5).
Resultados
El detector de energía de rayos X se puede usar para medir
la energía de los rayos X.
Para esto es necesario realizar una calibración de energía, la
cual se puede llevar a cabo como una calibración de dos
puntos.
Bibliografía
[1] valores medios ponderados extraídos de
C. M. Lederer y V. S. Shirley, Table of Isotopes, 7º
Edición, 1978, John Wiley & Sons, Inc., New York, USA.
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