Efecto pandemonio

El efecto pandemonio es un problema que puede aparecer cuando se utilizan detectores de alta resolución (generalmente detectores semiconductores de germanio) en estudios de desintegración beta . Puede afectar la determinación correcta de la alimentación a los diferentes niveles del núcleo hijo . Se introdujo por primera vez en 1977. ^{[ 1 ]}

Normalmente, cuando un núcleo padre se desintegra beta en su núcleo hijo, queda una energía final disponible que se comparte entre los productos finales de la desintegración. Esto se denomina valor Q de la desintegración beta ( Qβ ₎ . El núcleo hijo no necesariamente termina en el estado fundamental después de la desintegración; esto solo ocurre cuando los demás productos han absorbido toda la energía disponible (generalmente como energía cinética ). Por lo tanto, en general, el núcleo hijo conserva una cantidad de la energía disponible como energía de excitación y termina en un estado excitado asociado a algún nivel de energía, como se muestra en la imagen. El núcleo hijo solo puede permanecer en ese estado excitado durante un breve período de tiempo ^{[ 2 ]} (la vida media del nivel), tras el cual sufre una serie de transiciones gamma a sus niveles de energía inferiores. Estas transiciones permiten que el núcleo hijo emita la energía de excitación como uno o más rayos gamma hasta que alcanza su estado fundamental, deshaciéndose así de toda la energía de excitación que conservó de la desintegración.

Según esto, los niveles de energía del núcleo hijo pueden poblarse de dos maneras:

• mediante alimentación beta directa desde la desintegración beta del padre hacia el hijo (I _β ),
• mediante transiciones gamma de niveles de energía más altos (previamente poblados beta a partir de la desintegración beta directa del progenitor) a niveles de energía más bajos (ΣI _i ).

Los rayos gamma totales emitidos por un nivel de energía (I _T ) deben ser iguales a la suma de estas dos contribuciones, es decir, la alimentación beta directa (I _β ) más las desexcitaciones gamma de nivel superior (ΣI _i ).

I _T = I _β + ΣI _i (despreciando la conversión interna )

La alimentación beta I _β (es decir, cuántas veces un nivel se puebla por alimentación directa del padre) no se puede medir directamente. Dado que la única magnitud que se puede medir son las intensidades gamma ΣI _i e I _T (es decir, la cantidad de gammas emitidos por el hijo con una cierta energía), la alimentación beta debe extraerse indirectamente restando la contribución de las desexcitaciones gamma de niveles de energía más altos (ΣI _i ) a la intensidad gamma total que abandona el nivel (I _T ), es decir:

I _β = I _T − ΣI _i (I _T y ΣI _i se pueden medir)

El efecto pandemonio aparece cuando el núcleo hijo tiene un valor Q elevado , lo que permite el acceso a muchas configuraciones nucleares , lo que se traduce en muchos niveles de energía de excitación disponibles. Esto significa que la alimentación beta total se fragmentará, ya que se extenderá por todos los niveles disponibles (con una distribución determinada por la fuerza, las densidades de los niveles, las reglas de selección , etc.). Entonces, la intensidad gamma emitida desde los niveles menos poblados será débil, y se debilitará aún más a medida que aumentemos la energía, donde la densidad de niveles puede ser enorme. Además, la energía de los rayos gamma que desexcitan esta región de alta densidad de niveles puede ser elevada.

La medición de estos rayos gamma con detectores de alta resolución puede presentar dos problemas:

1. En primer lugar, estos detectores tienen una eficiencia muy baja , del orden del 1 al 5%, y en la mayoría de los casos serán insensibles a la radiación gamma débil.
2. En segundo lugar, su curva de eficiencia cae a valores muy bajos a medida que aumenta la energía, a partir de energías del orden de 1 a 2 MeV . Esto significa que la mayor parte de la información proveniente de rayos gamma de energías muy altas se perderá.

Estos dos efectos reducen la cantidad de beta que se alimenta a los niveles de energía más altos del núcleo hijo, por lo que se resta menos ΣI _i del I _T , y a los niveles de energía se les asigna incorrectamente más I _β del que está presente:

ΣI _i ~ 0, → I _T ≈ I _β

Cuando esto sucede, los niveles de energía más bajos son los más afectados. Algunos de los esquemas de niveles de los núcleos que aparecen en las bases de datos nucleares ^{[ 3 ]} sufren este efecto Pandemonium y no son fiables hasta que se realicen mejores mediciones en el futuro.

Para evitar el efecto de caos, se debe utilizar un detector que resuelva los problemas que presentan los detectores de alta resolución. Debe tener una eficiencia cercana al 100 % y una buena eficiencia para rayos gamma de energías muy altas. Una posible solución es utilizar un calorímetro como el espectrómetro de absorción total (TAS), que está hecho de un material centelleador . Se ha demostrado ^{[ 4 ]} que incluso con una matriz de detectores de germanio de alta eficiencia en una geometría cerrada (por ejemplo, la matriz de cubos en clúster), se pierde aproximadamente el 57 % del B(GT) total observado con la técnica TAS.

El cálculo de la alimentación beta, (I _β ), es importante para diferentes aplicaciones, como el cálculo del calor residual en reactores nucleares o estudios de estructura nuclear .

• Espectrómetro de rayos gamma
• Espectroscopia gamma
• Espectroscopia de absorción total

• " Conquistando el caos nuclear " , por Krzysztof P. Rykaczewski