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Questions and Answers
¿Cuál es la relación entre la energía del fotón entrante y la energía del fotón saliente en un proceso de dispersión Compton?
¿Qué información proporciona el borde Compton (Compton edge) en la dispersión de fotones?
¿Qué ocurre cuando se produce la aniquilación de un positrón con un electrón del material?
¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la amplitud de los impulsos en relación a los fotones es correcta?
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¿Qué representa la amplitud en función del número de impulsos en este contexto físico?
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Qué ocurre cuando uno de los fotones escapa en un detector?
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Qué representa el fotopico en un espectro causado por la desintegración del 137Cs?
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Por qué aparece un pico en el espectro relacionado con la retrodispersión?
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Qué ocurre en el proceso de conversión interna en el espectro del núcleo hijo excitado?
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Qué influye en el espectro real en comparación con el ideal?
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¿Qué sucede cuando se coloca un imán sobre el PMT durante la medición del espectro?
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¿Cuál es la forma correcta de medir la resolución energética del detector?
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¿Qué implica un menor valor de resolución energética?
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¿Qué se observa si se deja contar indefinidamente durante la medición?
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¿Cuáles son las dos energías conocidas mencionadas en el contenido?
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¿Qué es el borde Compton en relación al espectro de energía?
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¿Qué método se recomienda para localizar el máximo de picos muy agudos?
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La anchura medida en canales para la resolución energética se denota como:
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¿Qué característica de la carga suministrada por el PMT se ve afectada por el imán?
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¿Cuál es la condición para que el electrón Compton salga con la máxima energía en el proceso de dispersión?
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¿Qué ocurre con la energía del fotón dispersado en el caso de retrodispersión?
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¿Cómo se determina la energía del electrón Compton cuando se dispersa un fotón?
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¿Qué desencadena la separación entre el borde Compton y el fotopico?
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¿Cuál es la energía de los fotones emitidos durante el proceso de aniquilación de un positrón con un electrón en reposo?
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¿Cuál es la función principal del tubo fotomultiplicador (PMT) en un detector de centelleo?
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¿Qué determinante se utiliza para calibrar la amplitud del impulso eléctrico en un espectrómetro gamma?
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¿Cómo se representa gráficamente la información en un espectro gamma?
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¿Cuál es el papel del condensador en el proceso de medición del detector de centelleo?
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¿Qué fenómeno ocurre cuando un fotón gamma interactúa con el centelleador?
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¿Qué define un pico de escape simple en un detector de fotones?
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¿Qué fenómeno provoca la aparición de un pico en el espectro relacionado con la retrodispersión?
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En el espectro del 137Cs, ¿qué parte refleja los eventos Compton?
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¿Qué es lo que provoca la dispersión de la energía en el caso real comparado con el ideal?
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¿Cómo se producen los impulsos en el analizador multicanal?
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¿Qué se entiende por conversión interna en el contexto del espectro del núcleo hijo excitado?
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Al analizar el pico a la izquierda del espectro, ¿qué fenómeno se observa?
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¿Qué representa el número de canal en el contexto del detector de fotones?
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Cuando se escapan ambos fotones de un evento de detección, ¿cuál es la energía depositada?
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¿Qué aspecto del espectro del 137Cs indica la presencia de fluctuaciones estadísticas?
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¿Cómo afecta la amplificación al espectro de impulsos en el analizador multicanal?
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¿Qué ocurre con los electrones generados por el efecto fotoeléctrico en el cristal centelleador?
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¿Cuál es el procedimiento para configurar los botones de ganancia en el analizador multicanal con relación al 137Cs?
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¿Qué impacto tiene el hecho de que los fotones Compton puedan escapar del cristal en la recolección de cargas eléctricas?
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¿Qué significa que las historias de ionización ocurren más rápido que la resolución temporal del detector?
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¿Cómo se relaciona la energía del fotón gamma con la amplitud del impulso eléctrico en el detector de centelleo?
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¿Qué ocurre con la corriente eléctrica en el tubo fotomultiplicador tras un evento de detección de gamma?
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¿Cuál es el principio detrás de la producción de pares $e^{-} e^{+}$ en el espectro gamma?
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¿Qué características del espectro gamma podemos observar en la radiación de fondo del $^{40}K$?
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¿Cómo afecta la resolución energética del detector en la identificación de picos muy cercanos?
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¿Cómo se produce la calibración del espectrómetro para obtener un espectro gamma confiable?
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Explica el concepto de resolución energética en el contexto del fotopico del $^{137}Cs$.
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¿Qué fenómeno se indica por la presencia de series radiactivas naturales en la espectroscopía gamma?
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Describe el proceso de generación de impulsos eléctricos en el cristal de CZT cuando interactúa con la radiación gamma.
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¿Cuál es el efecto de los fotones Compton que escapan en el espectro obtenido del detector?
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¿Cómo se relaciona la energía del fotón dispersado con la máxima energía del electrón Compton durante la dispersión?
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¿Qué implica el vacío o gap en la amplitud entre la amplitud máxima y las amplitudes inferiores en el contexto de la dispersión Compton?
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¿Cuál es el efecto de la retrodispersión en la energía del fotón y cómo influye en el electrón Compton generado?
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¿Qué se puede inferir sobre el comportamiento de los fotones gamma en un detector cuando los impulsos eléctricos generan portadores de carga?
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¿Qué señala el fotopico en la distribución de impulsos eléctricos en función del número de canal en un analizador multicanal?
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Study Notes
### Espectroscopia de Rayos Gamma
- La diferencia entre la energía del fotón entrante y la energía del fotón saliente (o dos fotones salientes) es igual a la energía que se transfiere al cristal.
- La representación del número de pulsos en función de su amplitud representa el número de fotones en función de la energía que dejan en el cristal.
- La amplitud máxima se obtiene cuando toda la energía del fotón incidente es transferida al cristal, dando lugar al fotopico.
- Entre la amplitud máxima y el resto de las amplitudes a su izquierda existe un gap. Esto se debe a que el electrón Compton no adquiere toda la energía del fotón incidente.
- La energía del fotón dispersado se define como:
- E'γ = Eγ / (1 + (Eγ / mec²)(1 - cos θ)) con la masa en reposo del electrón mec² = 0.511 MeV.
- La energía del fotón dispersado es mínima cuando el fotón es retrodispersado, lo que implica que el electrón Compton adquiere la máxima energía posible. ### Borde Compton
- El borde Compton corresponde a la energía del electrón:
- Ee = Eγ - E'γ (para θ = π)
- Cuando Eγ tiende a ∞, E'γ (para θ = π) es la mitad de la energía en reposo del electrón. Por lo tanto, la separación entre el borde y el fotopico es menor que este valor.
- A la izquierda del borde, se obtiene una distribución continua de amplitudes de pulsos según el ángulo de dispersión. ### Picos de Escape
- Los picos 4 y 5 se deben a la creación de pares electrón-positrón (e- e+) y la posterior aniquilación del positrón con un electrón del material.
- En la aniquilación se emiten dos fotones en sentidos opuestos con energía 0.511 MeV.
- La energía depositada en el detector depende de si los fotones de aniquilación escapan o no.
- Un pico de escape simple corresponde a una energía depositada igual a (Eγ - mec²) si solo escapa uno de los fotones.
- Si ambos fotones escapan, la energía depositada es (Eγ - 2 mec²).
- La historia 3 da lugar a un pulso en el fotopico porque ambos fotones dejan su energía en el detector. ### Análisis Multicanal
- Un analizador multicanal convierte la curva del número de fotones en función de la energía que dejan en el cristal en otra curva que representa el número de impulsos eléctricos en función del número de canal.
- Cada canal corresponde a un intervalo de amplitudes, y los pulsos dentro de ese intervalo se acumulan en ese canal. ### Espectro de 137Cs
- El núcleo hijo de 137Ba, tras la emisión de una partícula beta, emite un fotón gamma.
- El espectro del 137Cs consiste en una parte continua (eventos Compton) y un fotopico.
- En la realidad, la resolución finita del detector produce una anchura en el fotopico y en el borde Compton. ### Pico de Retrodispersión
- Los materiales que rodean al detector influyen en el espectro, produciendo un pico de retrodispersión.
- Este pico se origina cuando un fotón es retrodispersado (ángulos mayores que 90º) y la energía depositada en el detector corresponde al ángulo de 180º:
- Eγ' = Eγ / (1 + (2 Eγ / mec²)) ### Pico de Rayos X
- El pico a la izquierda del espectro se debe a la conversión interna, un proceso donde el núcleo hijo excitado transfiere su energía a un electrón atómico, expulsándolo del átomo.
- Se trata de electrones internos, dejando una vacante que se llena posteriormente con emisión de rayos X característicos del átomo de Bario. ### Influencia del Imán
- Un imán situado cerca del PMT desvía los electrones del PMT, disminuyendo su multiplicación.
- La carga suministrada por el PMT es menor, resultando en amplitudes de pulsos menores y un desplazamiento del espectro hacia la izquierda. ### Resolución Energética
- La resolución energética se mide mediante la anchura relativa del fotopico a la altura mitad, definida como /E0, donde es la anchura medida en canales y E0 es el canal del pico.
- Cuanto menor es el valor de la resolución energética, más estrecho es el pico y mejor la resolución. ### Atenuación de Rayos Gamma en Plomo
- Los fotones gamma se atenúan exponencialmente al atravesar la materia.
- El coeficiente de atenuación se obtiene mediante la representación gráfica del logaritmo neperiano del área del fotopico en función del espesor del plomo.
- El espesor hemireductor es el espesor de plomo que reduce el área del fotopico a la mitad. ### Picos Suma
- Un pico suma se produce cuando dos (o más) fotones depositan su energía total en el detector en un tiempo menor que el tiempo de respuesta del detector.
- El 60Co emite dos fotones en cascada, lo que permite la formación de un pico suma correspondiente a la suma de las energías de los dos fotones.
- El 22Na emite un fotón de 1.28 MeV, que puede sumarse a uno de los fotones de aniquilación de 0.511 MeV, produciendo un pico suma a 1.79 MeV. ### El 40K en la Radiación de Fondo
- El 40Potasio es un isótopo radioactivo natural con vida media de 109 años.
- El 40K emite fotones de 1.46 MeV, lo que produce un pico en el espectro de la radiación de fondo.
Espectroscopía gamma con detector de centelleo NaI(Tl)
- El detector NaI(Tl) consiste en un cristal centelleador que emite fotones violetas cuando un fotón gamma incide en el.
- El tubo fotomultiplicador (PMT) convierte la luz violeta en una señal eléctrica
- La amplitud de la señal eléctrica es proporcional a la energía depositada por el fotón gamma en el cristal.
Estudio del espectro del 137Cs
- La fuente 137Cs emite un único fotón gamma de 662 keV
- El espectro de la fuente 137Cs presenta un fotopico a 662 keV, un borde Compton y una distribución continua de amplitudes de pulsos a menor energía debido a interacciones Compton.
- Los materiales que rodean al detector pueden influir en el espectro, creando un pico de retrodispersión alrededor de 356 keV.
Resolución energética del detector para el fotopico del 137Cs
- La resolución energética se mide como la anchura relativa del fotopico a la mitad de su altura (Γ/E0 en %).
- Una resolución energética baja indica un pico más estrecho y un mejor rendimiento del detector.
Atenuación de rayos gamma en plomo
- Los rayos gamma se atenúan exponencialmente al atravesar la materia.
- Para medir la atenuación, se interpone plomo entre la fuente de 137Cs y el detector, y se mide la intensidad del fotopico del 137Cs.
- Al graficar el logaritmo natural del área del fotopico en función del espesor del plomo, se obtiene una recta cuya pendiente es el coeficiente de atenuación.
- El espesor hemireductor es el espesor de plomo necesario para reducir la intensidad del fotopico a la mitad.
Picos suma en 60Co y 22Na
- Un pico suma se produce cuando dos o más fotones depositan su energía en el detector al mismo tiempo.
- La fuente 60Co emite dos fotones gamma consecutivos de 1.17 y 1.33 MeV.
- El 60Co puede producir un pico suma a 2.5 MeV cuando ambos fotones depositan su energía en el detector.
Espectroscopía gamma con detector de centelleo NaI(Tl)
- Un detector de centelleo sólido se compone de un cristal y un tubo fotomultiplicador (PMT).
- El espectro gamma es la representación gráfica del número de impulsos eléctricos registrados en función de su amplitud.
- La amplitud del impulso eléctrico es proporcional a la energía que el fotón gamma entregó al cristal centelleador.
- Un analizador multicanal produce el espectro de alturas de impulsos seleccionándolos en 4096 canales.
- Cuanto mayor es la amplificación mayor es la amplitud del impulso y por tanto el canal donde se ubica será mayor.
Estudio del espectro del 137Cs
- El 137Cs emite un fotón gamma monoenergético.
- El espectro consistirá en una parte continua que refleja los eventos Compton en el cristal detector y un fotopico.
- En el caso real los materiales que rodean al detector influyen en el espectro, incluyendo un pico por retrodispersión.
Resolución energética
- La resolución energética se refiere a la capacidad del detector para distinguir entre fotones gamma de energías ligeramente diferentes.
- La anchura del fotopico se ve afectada por la resolución energética.
Atenuación de rayos gamma
- Los rayos gamma pueden ser atenuados por el material del detector o el material circundante.
- La atenuación de los rayos gamma puede afectar el espectro, creando picos adicionales.
Picos suma en 60Co y 22Na
- El 60Co emite dos fotones gamma en cascada.
- Los picos suma en el espectro del 60Co corresponden a eventos donde ambos fotones interactúan en el detector.
- El 22Na emite un positrón.
- El positrón se aniquila con un electrón, emitiendo dos fotones de 0.511 MeV.
- El espectro del 22Na muestra un fotopico a 1.28 MeV y un pico suma a 1.79 MeV (1.28 + 0.511).
El 40K en el espectro de la radiación de fondo
- El 40K es un isótopo radioactivo natural con vida media de 109 años.
- El 40K emite un fotón gamma de 1.46 MeV.
- El 40K en los materiales del detector y el entorno genera un pico en el espectro de la radiación de fondo.
La producción de pares e- e+
- La producción de pares ocurre cuando un fotón gamma interactúa con el campo electromagnético del núcleo de un átomo.
- Se crean un electrón y un positrón.
- El positrón se aniquila con un electrón, emitiendo dos fotones de 0.511 MeV.
- La energía depositada en el detector depende de si los fotones de aniquilación escapan o no.
- El espectro puede mostrar picos de escape simple y escape doble.
El borde Compton
- El borde Compton corresponde a la energía del electrón Compton cuando el fotón dispersado tiene la mínima energía posible.
- La separación entre el borde Compton y el fotopico es menor que la mitad de la energía en reposo del electrón.
Calibración del Espectrómetro
- Se utilizarán cuatro fuentes emisoras de radiación beta y gamma.
- Se observará con claridad el fotopico del 137Cs en 0.662 MeV.
- En el espectro del 60Co, el fotopico de 1.17 MeV será más intenso que el de 1.33 MeV, a pesar de que ambos se producen con la misma frecuencia.
- Esto se debe a que la probabilidad de interacción fotoeléctrica disminuye con la energía del fotón.
22Na
- Se caracteriza por una desintegración beta positiva (emisión de positrones) en un 90.4%.
- El positrón, al frenarse, colisiona con un electrón, produciendo dos fotones gamma de 511 keV.
- Se emiten en sentidos opuestos para conservar el momento.
- La fuente de 22Na emite fotones de 0.511 MeV y 1.28 MeV, dando lugar a dos fotopicos en el espectro.
Rayos X
- Se generan durante la captura electrónica (EC), un proceso que ocurre en 22Na y 207Bi.
- Durante este proceso, el núcleo captura un electrón atómico interno, dejando una vacante que se llena con un electrón externo, produciendo rayos X.
- Estos no se representan en los esquemas de desintegración, ya que son transiciones atómicas.
207Bi
- Su fuente se identifica como FGB.
- Sus descendientes tienen vidas medias menores que el núcleo padre, lo que significa que se desintegran rápidamente.
- El uranio natural tiene una composición isotópica de 235U (0.7%) y 238U (99.3%).
- El 235U es menos abundante pero tiene una vida media menor.
Espectro Gamma de Arenillas Naturales
- Investigar el espectro gamma de arenas naturales que contienen 232Th.
- Se debe ajustar el tiempo de medición para visualizar claramente los picos en la mitad izquierda del espectro.
- Se debe guardar el espectro para su análisis posterior.
Ruptura del Equilibrio Secular
- Se estudia el caso de un núcleo padre radiactivo con una vida media mucho mayor que la de su hijo radiactivo.
- Si inicialmente tenemos una muestra con solo el núcleo padre, después de varias vidas medias del hijo, sus actividades se igualarán, lo que llamamos equilibrio secular.
- La actividad A (número de desintegraciones por unidad de tiempo) es igual al producto del número de átomos radiactivos N por la constante de desintegración λ.
- En minerales de uranio como la pechblenda, la serie del U está en equilibrio secular y la actividad del U es la misma que la de sus descendientes.
- En la práctica, se analizarán tres espectros para observar la ruptura del equilibrio secular:
- Pechblenda
- Fuente de U puro (recién fabricada)
- Fuente de 226Ra (fabricada por separación química)
- Los espectros de pechblenda y de U puro mostrarán diferencias en la presencia o ausencia de picos.
- Se analizarán los picos de 226Ra que no aparecen en el espectro de U puro pero si en el de pechblenda, con energías entre 100 y 800 keV.
- Se identificará el núcleo emisor de cada pico, utilizando los datos de los esquemas de desintegración.
Observación de los Descendientes del Ra
- Se observan descendientes de Ra en el espectro de la fuente de Ra debido a sus vidas medias muy pequeñas.
- Las actividades del padre y los hijos se igualan rápidamente, haciendo que los picos hijos sean visibles.
- En la pechblenda, estos picos son visibles, pero no en la fuente de U puro porque el 226Ra tiene una vida media de 2000 años, y se necesitan unos 5000 años para restaurar el equilibrio secular.
Pico en 186 keV
- Este pico se observa tanto en la muestra de 226Ra como en la de U natural.
- En la muestra de 226Ra, este pico corresponde a la transición de 186.211 keV del 226Ra.
- En la muestra de U natural, se trata de la transición del 235U a una energía cercana de 185.7 keV.
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Este cuestionario explora los conceptos clave de la espectroscopia de rayos gamma, incluida la transferencia de energía al cristal y los principios del borde Compton. A través de preguntas específicas, podrás evaluar tu comprensión sobre la interacción de los fotones y su energía. Ideal para estudiantes de física y ciencias nucleares.
