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Detectores de RadiaçãoNilberto H. Medina
Instituto de Física da Universidade de São Paulo
Curso de Iniciação Científica do LAFN 2008
O Núcleo Atômico
Decaimento Radioativo
Seaborgium – Elemento super pesado (1974)
Rutherfordium – Elemento super pesado (1964)
Fusão Nuclear
Fissão Nuclear
Interação da Radiação com a Matéria
RoteiroRoteiro• Interação da radiação com a matéria
Partículas CarregadasRadiação Eletromagnética
• Caracterização de um detector
• Detectores de RadiaçãoDetectores a gás Cintiladores (orgânicos e inorgânicos)
fotomultiplicadoraSemicondutores
detectores de partículasdetectores de raios γ
função resposta de detectores de raios γ
InteraInteraçção de Partão de Partíículas Carregadas com a Matculas Carregadas com a Matéériaria
Prótons, partículas α (4He) e íons pesados.
Processo dominante: Colisões íon-átomo
Transferência de energia do íon em processos de ionização e excitação dos elétrons atômicos
Altas energias (v>>vo; vo=c/137 é a velocidade de Bohr)
Colisões inelásticas. Transferência de energia a elétrons atômicos do meio freador. (freamento eletrônico)
Baixas energias (v<vo):
Colisões elásticas íon-átomo começam a dominar(freamento nuclear)
)()( vSvSdXdE
ne +=−
Poder de Freamento de Alumínio para vários íons
InteraInteraçção de Radiaão de Radiaçção com a Matão com a Matéériaria
• Efeito FotoelétricoRaios –X ou Raios γ de baixa energiaElétron ligado Materiais de alto Z (maior absorção) σ∼Ζ4.5
• Espalhamento Compton
)cos1(1´
2 θννν
−+=
cmhhh
o
Casos extremos
221
´180
´0
cmh
hh
hh
o
o
o
νννθ
ννθ
+==
≈=
• Produção de pareshν > 1.02 MeVMassa de repouso do elétron moc2 = 511 keV
θ=0ο
θ=180ο
Borda Compton
Absorção de Fótons
Coeficiente de Absorção para um cristal de NaI(Tl)
Medida da energia da radiação
a) Detector ideal (RC=0)
b)
c)
ctRC <<
ctRC >>
O número de elétrons-íon ou elétron-vacância é proporcional à energia daradiação de positada
A medida da carga possibilita a medida da energia depositada
Conversão de corrente em um sinal de tensão
Caracterização de um detector
• Resolução (temporal e energia)
• Eficiência
Resolução em energia
σ -> flutuações estatísticas
Eficiência
Relativa: padrão.detregistrado
registradorel n
n=ε
emitido
registradoabs n
n=εAbsoluta:
2
2
int44ad
absabsnn
incidente
registrado επεε =Ω
==Intrínseca:
2
2
daπ
≈Ω
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000
200
400
600 soma dos detectores
Eff(
1 2
3 4
)
E(keV)
Eficiência relativa de detectores de germânio hiperpuro
Fontes de calibração: 133Ba, 152Eu, 60Co e 56Co.
Detectores a gás
• Contador Geiger-MuellerNúmero de eventos – independente da energia
• Contador ProporcionalMedida da energia da partícula
• Câmara de IonizaçãoMonitores de radiação (dose)
Contador Geiger-Mueller
Avalanche de Townsend
Curvas características
Curvas características e regiões de operação para detectores a gás
Detectores Cintiladores
• Convertem a energia depositada em um pulso de luz, com grande eficiência.
• Intensidade de luz proporcional à energia depositada.
• Meio transparente para a luz produzida.• Tempo de emissão curto.• Fácil de produzir em grandes dimensões.• Índice de refração próximo ao do vidro.
TiposTipos• Orgânicos
– Líquidos: NE213, NE226, ...– Plásticos: NE102, NE105, NE111...– Cristal: Antraceno
• Inorgânicos – Ativados: NaI(Tl), CsI(Na), ...– Puros: BGO, BaF2
BGO = Bi4Ge3O12
Mecanismo de CintilaMecanismo de Cintilaçção (orgânicos)ão (orgânicos)
Níveis de energia de uma molécula orgânica com estrutura π-elétron
τ~ns
Pequeno overlap entre o espectro de emissão e o de absorção.
Inorgânicos AtivadosInorgânicos Ativados
Luz visível
τ= 10−7s
Radiação -> Par elétron-buraco
Estrutura de bandas de energia de um cristal cintilador ativado
Os dopantes possibilitam aumentar a probabilidade da emissão de luzvisível durante o processo de desexcitação.
Material λmax(nm) τ(µs) fótons/MeV
NaI(Tl) 415 0,23 38000
CsI(Tl) 540 1,00 52000
CsI(Na) 420 0,63 39000
NE102A 432 0,002 10000
BGO 505 0,30 8200
BaF2 (lento) 310 0,62 10000
BaF2 (rápido) 220 0,0006 -
Propriedades de alguns cintiladores inorgânicos
Material do fotocatodo deve apresentar baixa função de trabalho (1.5 a 2.0 eV)
(K-Cs, Na-K)
∆V~100V (por dinodo)
Características
• Ganho da fotomultiplicadora ~ 5N = 107
N é o número de estágios de multiplicação.• Características temporais dos cintiladores.
Tempo de decaimentoOrgânicos: alguns nsInorgânicos : centenas de ns
• A fotomultiplicadora é sensível a campos magnéticos.
Bola de BGO
SACI: 11 detectores tipo phoswich
11 detectores ∆E-E
SACI-PERERE : Sistema Ancilar de Cintiladores & Pequeno Espectrômetro de Radiação Eletromagnética com Rejeição de Espalhamento
J.A. Alcántara-Núñez et al., Nucl. Instr. Meth. A 497, 429 (2003).
Plásticos cintiladores tipo Phoswich2 componentes: Ef e Es
Ef = ∆E Es = E∆E – E dependem de Z
Separação dos sinais: eletrônica
www.fzd.de/FWK/MITARB/rs/highspin.html
Detectores de Nêutrons
Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.
Detectores Semicondutores
• Pequenas ou grandes dimensões• Portátil• Ótima resolução em energia• Boa resolução temporal.
ISOLANTE SEMICONDUTOR
Energia
BANDA DE
CONDUÇÃO
BANDA DE
CONDUÇÃO
BANDA DE
VALÊNCIA
BANDA DE
VALÊNCIA
Tipo-n Tipo-p
Polarização direta: condutorPolarização reversa: isolante
Polarização reversaRadiação γ -> Zona de Depleção
Produção de pares elétrons-buracos (portadores)
Junção assimétrica
1 par elétron-buraco: 3 eV em semicondutores30 eV em detectores a gás100 eV em cintiladores
++
--
Junção pn
0.06-0.130.085-0.16Fator de Fano (77K)
2.963.76Energia por par elétron-buraco (77K) – eV
3.62Energia por par elétron-buraco (330K) – eV
4.2 × 1041.1 × 104Mobilidade dos buracos (77K) -cm2/V.s
3.6 × 1042.1 × 104Mobilidade eletrônica (77K) -cm2/V.s
1900480Mobilidade dos buracos (300K) – cm2/V.s
39001350Mobilidade eletrônica (300K) – cm2/V.s
472.3 × 105Resistividade intrínseca (300K) – Ω.cm
2.4 × 10131.5 × 1010Densidade de portadores intrínsecos
0.6651.115Largura do gap – eV
1612Constante dielétrica (300K)
4.41 × 10224.96 × 1022Átomos/cm3
5.322.33Densidade – g/cm3
70-72-73-74-7628-29-30Isótopos estáveis
72.6028.09Peso atômico
3214Número atômico
GeSiCaracterística
Propriedades dos semicondutores Ge e Si.
Detector de barreira de superfície de Si
Detectores de germânio
• Para radiação γ é necessário volume grande e elementos pesados (Z grande).
• Ge (Z=32 >> Z=14 do Si): É possível a produção de amostras extremamente puras e em grandes quantidades.
• Por ter gap pequeno (~ 0.66 eV) a corrente à temperatura ambiente é muito grande. Por isso, os detectores devem ser resfriados à temperatura de nitrogênio líquido (77 K).
Germânio Hiper-puro• O material resultante contém impurezas em quantidades menores
que 109 átomos/cm3. (Refinamento por zona de fusão)• Se as impurezas forem aceitadoras (ex. Al) ou doadoras de
elétrons o semicondutor será do tipo p ou n.• Cristais tipo n são mais resistentes a nêutrons e podem ser
reciclados por processo de recozimento (annealing)• Dimensões disponíveis atualmente φ=8cm e L=12cm.• Alto custo (US$20000 a US$100000).
Características Principais
• Resolução em energia: 1.5 a 2.5 keV (FWHM) para a linha de 1.33 MeV do 60Co.
• Eficiência relativa: 10 a 200% da eficiência (fotoelétrico) de um cintilador NaI(Tl) de 7.5 cm de diâmetro por 7.5 cm de comprimento (3”x3”)
• Resolução temporal: Ruim em detectores coaxiais e boa em planares (>20ns).
Detector de Germânio Hiperpuro
Charcoal = carbono ativado
Espectros de raios γ de uma fonte de 60Co obtidos com um cintilador de NaI(Tl) e com um detector semicondutor de germânio (GeHP).
Função Resposta de Detectores de Raios γ
Detector grande
Detectores pequenos
Detector de dimensões intermediárias
Efeitos dos materiais em torno do detector
Con
tage
ns
662 keV
Borda Compton
Espectro de raios γ de uma fonte de 137Cs
Retroespalhamento
NaI(Tl)
1173
keV
1332
keV
Borda Compton
Retroespalhamento
Espectro de raios γ de uma fonte de 60Co
NaI(Tl)
Espectro de raios γ de uma fonte de 60Co.
Detector GeHP
Canal
Con
tage
ns
Filtro Anti-Compton
ConclusõesInteração da radiação com a matéria
Detectores de radiação
Detectores a gás
Cintiladores
Semicondutores
BibliografiaBibliografia
Glenn F. Knoll – Radiation Detection and Measurements –John Wiley & Sons (1989).
R.V. Ribas – Instrumentação Nuclear – Apostila do curso de pós-graduação: FNC5870, IFUSP (2003).
R.V. Ribas, J.R.B. Oliveira, M.A. Rizzutto e N.H. Medina Detectores de radiação - XIV EVJASFNE (2006).
OBRIGADOInstituto de Física da USP Departamento de Física Nuclear