Experimental techniques in alpha-particle spectrometry and alpha-gamma coincidence measurements. Application to the study of 242Pu and 243Am

Abstract

Los actínidos y sus productos de desintegración juegan un papel importante en varios campos, como el ciclo de combustible nuclear en reactores de fisión, medicina nuclear, control de calidad, vigilancia ambiental, ciencia forense nuclear y salvaguardias. A lo largo de los últimos cincuenta años se han llevado a cabo extensos programas de medida y evaluación para señalar la necesidad de poseer datos nucleares correctos de actínidos y promulgar recomendaciones para reevaluar datos nucleares de determinados nucleídos, como energías y probabilidades de emisión de partículas alfa y fotones gamma.

Este trabajo se ha centrado en la mejora de algunas técnicas necesarias para el estudio de emisores de partículas alfa: espectrometría de partículas alfa, medidas de coincidencias alfa-gamma y análisis numérico de datos espectroscópicos. Dos dispositivos espectrométricos se han utilizado en la Universidad de Extremadura y en el CIEMAT con el propósito de obtener espectros alfa de alta calidad. En la Universidad de Extremadura también se diseñó y puso a punto una cámara de coincidencias alfa-gamma. Para mejorar el tratamiento y análisis de datos, se han implementado un nuevo código de ajuste de espectros alfa, llamado ALFITeX, y un programa de decodificación y análisis, denominado DIGDATA. Los dispositivos experimentales y las herramientas de análisis desarrolladas se han aplicado a la obtención de un nuevo conjunto de probabilidades de emisión alfa del 242Pu mediante espectrometría de partículas alfa, y al estudio del esquema de desintegración del 243Am, particularmente determinando varias probabilidades de emisión gamma de este radionúclido utilizando medidas avanzadas de coincidencias alfa-gamma.

Actinides and their natural decay products play a major role in several fields such as the nuclear fuel cycle of fission reactor systems, nuclear medicine, quality control, environmental monitoring, nuclear forensics and safeguards. Extensive measurement and evaluation programmes have been undertaken over the past fifty years to address the need for accurate actinide decay data and recommendations have been issued for a re-evaluation of the actinide data such as α-particle and γ-ray energies and emission probabilities of selected nuclides.

In this work, efforts have focused on the improvement of some techniques useful to the study of alpha-particle emitting nuclides. Three main aspects have been considered: alpha-particle spectrometry, alpha-gamma coincidence measurements and numerical analysis of spectroscopic data. Two spectrometric devices based on ion-implanted Si detectors have been used at the University of Extremadura and CIEMAT with the aim of obtaining high-quality alpha-particle spectra suited for accurate spectral analysis. An alpha-gamma coincidence chamber with semiconductor detectors in both channels was also designed and characterized at the University of Extremadura. To improve data treatment and analysis, a new code to fit alpha-particle spectra, called ALFITeX, and a decoding and analysis code, DIGDATA, were developed in this work. The experimental set-ups and the analysis tools developed in this work have been applied to obtain a new set of α -particle emission probabilities of 242Pu by alpha-particle spectrometry, and to study the decay scheme of 243Am, in particular with the determination of several γ-ray emission probabilities from this nuclide using advanced alpha-gamma coincidence measurements.