curso de verão - if 2011 instrumentação nuclear curso de verÃo – if 2011 curso de verÃo –...

Curso de Verão - IF 2011Curso de Verão - IF 2011

Instrumentação NuclearInstrumentação Nuclear CURSO DE VERÃO – IF 2011CURSO DE VERÃO – IF 2011

PARTE I – DETECTORES DE RADIAÇÃOPARTE I – DETECTORES DE RADIAÇÃO PARTE II – ELETRÔNICA E AQUISIÇÃO DE PARTE II – ELETRÔNICA E AQUISIÇÃO DE

DADOSDADOS PARTE III – PROCESSAMENTO DIGITAL DE PARTE III – PROCESSAMENTO DIGITAL DE

PULSOSPULSOS

BibliografiaBibliografia

Instrumentação NuclearInstrumentação Nuclear (Notas de Aulas) (Notas de Aulas) Fundamentos da Física de NêutronsFundamentos da Física de Nêutrons – C. – C.

Zamboni (Editora) – Livraria da Física, 2007 Zamboni (Editora) – Livraria da Física, 2007 Radiation Detection and MeasurementRadiation Detection and Measurement – Glenn – Glenn

F. Knoll (John Wiley & Sons, 1989)F. Knoll (John Wiley & Sons, 1989) Estrutura da MatériaEstrutura da Matéria (Notas de Aulas) (Notas de Aulas)

www.dfn.if.usp.br/~ribas/downloadwww.dfn.if.usp.br/~ribas/download

Detectores de RadiaçãoDetectores de Radiação

Interação de partículas carregadas e da Interação de partículas carregadas e da radiação eletromagnética com a matériaradiação eletromagnética com a matéria

Detectores a gásDetectores a gás Detectores cintiladoresDetectores cintiladores Detectores semicondutoresDetectores semicondutores

Interação de Íons com a Interação de Íons com a MatériaMatéria

A perda de energia de uma partícula carregada A perda de energia de uma partícula carregada pesada em grande velocidade, i.é.: pesada em grande velocidade, i.é.: v >> vv >> v

oo; v; voo=c/137 é a velocidade de Bohr se dá =c/137 é a velocidade de Bohr se dá

principalmente por transferência de energia a principalmente por transferência de energia a elétrons atômicos do meio freador.elétrons atômicos do meio freador.

((freamento eletrônicofreamento eletrônico))Para velocidades abaixo de vPara velocidades abaixo de voo, as colisões , as colisões

elásticas íon-átomo começam a dominar elásticas íon-átomo começam a dominar ((freamento nuclearfreamento nuclear). Danos nos detectores!). Danos nos detectores!

Freamento EletrônicoFreamento Eletrônico Região de altas velocidades:Região de altas velocidades: O íon em recuo está O íon em recuo está

completamente ionizado. Esta é a região Bethe-completamente ionizado. Esta é a região Bethe-Block, onde dE/dx ~ 1/E (região melhor conhecida)Block, onde dE/dx ~ 1/E (região melhor conhecida)

Região intermediáriaRegião intermediária:: A carga do íon varia A carga do íon varia rapidamente, num processo dinâmico de captura e rapidamente, num processo dinâmico de captura e perda de elétrons. À medida que sua velocidade perda de elétrons. À medida que sua velocidade diminui, a carga iônica média vai diminuindo. Esta é diminui, a carga iônica média vai diminuindo. Esta é a região onde a força freadora atinge seu valor a região onde a força freadora atinge seu valor máximo, também conhecido como pico de Bragg.máximo, também conhecido como pico de Bragg.

Região de baixas velocidades (LSS):Região de baixas velocidades (LSS): Nesta Nesta região, a força freadora é aproximadamente região, a força freadora é aproximadamente proporcional à velocidade do íon. proporcional à velocidade do íon.

ProgramasProgramas

STOPXSTOPX (Upak – simples, fácil de usar, muito útil na (Upak – simples, fácil de usar, muito útil na preparação de experimentos de física nuclear)preparação de experimentos de física nuclear) http://www.dfn.if.usp.br/~ribas/download.htmlhttp://www.dfn.if.usp.br/~ribas/download.html - -

progs-1_i586.tgzprogs-1_i586.tgz SRIMSRIM (Trata com bem mais detalhes as interações, (Trata com bem mais detalhes as interações,

danos, distribuições de alcance, etc.)danos, distribuições de alcance, etc.) http://www.srim.org/http://www.srim.org/

GEANTGEANT – CERN Detector Description and – CERN Detector Description and Simulation Tool.Simulation Tool. http://wwwasd.web.cern.ch/wwwasd/geant/http://wwwasd.web.cern.ch/wwwasd/geant/

Interação de Fótons com a matériaInteração de Fótons com a matéria

Efeito fotoelétrico: Toda a energia do fóton Efeito fotoelétrico: Toda a energia do fóton é absorvida por um único elétron.é absorvida por um único elétron.

Espalhamento Compton: Um eletron Espalhamento Compton: Um eletron recebe parte da energia do fóton. Um fóton recebe parte da energia do fóton. Um fóton de menor energia é emitido e em geral de menor energia é emitido e em geral escapa do detector.escapa do detector.

Produção de pares: Criação de um par Produção de pares: Criação de um par elétron-pósitron (se elétron-pósitron (se EEff > 2m > 2meecc22))

Interação de Fótons com a Interação de Fótons com a matériamatéria

Espalhamento ComptonEspalhamento Compton

)cos1(´0

Detectores a gás – Detectores a gás – Propriedades GeraisPropriedades Gerais

Modo correnteModo corrente (monitoração e dosimetria) (monitoração e dosimetria) um fluxo grande de radiação incide sobre o detector. um fluxo grande de radiação incide sobre o detector.

O resultado da medida é o número médio de O resultado da medida é o número médio de partículas/s incidindo no detector. partículas/s incidindo no detector.

Modo pulsoModo pulso Coleta-se a carga depositada individualmente por Coleta-se a carga depositada individualmente por

cada partícula incidente no detector. Este é o modo cada partícula incidente no detector. Este é o modo empregado nos detectores empregado na empregado nos detectores empregado na espectroscopia nuclear.espectroscopia nuclear.

Detector a gásDetector a gás

Coleção de carga e formação Coleção de carga e formação do pulsodo pulso

a) Detector ideal (C=0)

Caracterização de um detectorCaracterização de um detector

Resolução em energia:Resolução em energia: N=N=número de portadores número de portadores

de carga coletados de carga coletados resolução limite (%)resolução limite (%)::

FR 35.235.2

F=Fator de Fano (0<F<1)

(A resolução final depende de muitos outros fatores…)

EficiênciaEficiência

intintint 44 d

emitido

registradoabs

Intrínseca:

Absoluta:

incidente

registrado

Relativa:

padrão.detregistrado

registradoel n

Produção de pares Produção de pares ee-íon-íon

Ao atravessar o gás, uma partícula carregada Ao atravessar o gás, uma partícula carregada produz uma produz uma coluna coluna de íons positivos e de íons positivos e elétrons.elétrons.

Embora a energia média de ionização de Embora a energia média de ionização de gases seja por volta de 10-20 eV, a energia gases seja por volta de 10-20 eV, a energia média (W) para produção de um par elétron-média (W) para produção de um par elétron-íon positivo é de cerca de 30-35 eV.íon positivo é de cerca de 30-35 eV.

1MeV = 30.000 pares1MeV = 30.000 pares

Coleção da carga livreColeção da carga livre

A tendência natural das cargas produzidas é a A tendência natural das cargas produzidas é a recombinação. recombinação.

Aplicando-se um campo elétrico nas Aplicando-se um campo elétrico nas extremidades do volume de gás, pode-se extremidades do volume de gás, pode-se separar os elétrons dos íons positivos, separar os elétrons dos íons positivos, evitando-se a recombinação. Para campos evitando-se a recombinação. Para campos suficientemente fortes, atinge-se a corrente de suficientemente fortes, atinge-se a corrente de saturação, quando não há mais recombinação.saturação, quando não há mais recombinação.

A Corrente de IonizaçãoA Corrente de Ionização Na região de saturação, Na região de saturação,

produz-se uma quantidade produz-se uma quantidade de carga proporcional à de carga proporcional à energia do íon. O número de energia do íon. O número de elétrons coletados no anodo elétrons coletados no anodo é:é:

onde W é a energia média onde W é a energia média necessária para a formação necessária para a formação de um par e E a energia da de um par e E a energia da partícula.partícula.

WEn /0

Mobilidade das CargasMobilidade das Cargas

Íons têm massa grande Íons têm massa grande e mobilidade baixa:e mobilidade baixa:

onde E é o campo onde E é o campo elétrico aplicado, p a elétrico aplicado, p a pressão e pressão e a a mobilidade.mobilidade.

Velocidade de arrasto de elétrons

scmvv ione /1103

Multiplicação da CargaMultiplicação da Carga

Aumentando-se a Aumentando-se a tensão, além da região tensão, além da região de saturação, faz com de saturação, faz com que os elétrons que os elétrons adquiram energia adquiram energia suficiente para produzir suficiente para produzir outras ionizações, num outras ionizações, num processo chamadoprocesso chamado Avalanche de Avalanche de Townsend.Townsend.

Câmara de IonizaçãoCâmara de Ionização

Trabalho efetuado para a coleção das Trabalho efetuado para a coleção das cargas:cargas:

1 22 tvtveEnVVC oo

Forma do Pulso no resistor RForma do Pulso no resistor R

Vmax depende da posição em que a ionização ocorre!

Grade de FrischGrade de Frisch

DesempenhoDesempenho

Boa resolução:Boa resolução: Se toda a energia da partícula Se toda a energia da partícula for convertida em ionização, a variânçia de nfor convertida em ionização, a variânçia de noo

será nula. Se o processo for puramente será nula. Se o processo for puramente estatístico, será nestatístico, será noo (Poisson). Normalmente ela (Poisson). Normalmente ela

é algo intermediário:é algo intermediário:

VVoo pequeno: pequeno: E=1 MeV: V E=1 MeV: V00~5.10~5.10-5-5 V V

Detector ProporcionalDetector Proporcional

Com campo elétrico Com campo elétrico aplicado grande (ma non aplicado grande (ma non troppo), a avalanche de troppo), a avalanche de TownsendTownsend produz uma produz uma multiplicação de cargas multiplicação de cargas que é proporcional a nque é proporcional a noo..

Geometria para AmplificaçãoGeometria para Amplificação

Cilíndro:Cilíndro: Campo pró-Campo pró-ximo ao anodo (raio ximo ao anodo (raio pequeno) muito pequeno) muito intenso.intenso.

b=raio externob=raio externo a=raio do anodoa=raio do anodo

)/ln()(

Pulsos EspúriosPulsos Espúrios

Fótons na região visível e UV emitidos na de-Fótons na região visível e UV emitidos na de-excitação de átomos do gás podem provocar a excitação de átomos do gás podem provocar a ejeção de um elétron do catodo por efeito ejeção de um elétron do catodo por efeito fotoelétrico. Este elétron poderá iniciar uma nova fotoelétrico. Este elétron poderá iniciar uma nova avalanche.avalanche.

Íons positivos, ao se aproximar do catodo, podem Íons positivos, ao se aproximar do catodo, podem arrancar mais de um elétron do mesmo, também arrancar mais de um elétron do mesmo, também produzindo novas avalanches. produzindo novas avalanches.

Adiciona-se uma pequena fração de gás Adiciona-se uma pequena fração de gás poliatômico ao gás monoatômico usado nesses poliatômico ao gás monoatômico usado nesses detectores para evitar estes problemas detectores para evitar estes problemas (Geiger!)(Geiger!)

DesempenhoDesempenho

Fator de amplificação médioFator de amplificação médio M~10 M~1022 – 10 – 1044

Resolução mínimaResolução mínima::

F~0.12 (fator de Fano), b~0.5 ( flutuações em M)F~0.12 (fator de Fano), b~0.5 ( flutuações em M) Outros fatores, como uniformidade do anodo, Outros fatores, como uniformidade do anodo,

estabilidade da tensão, etc. limitam a resoluçãoestabilidade da tensão, etc. limitam a resolução .. Processo de formação do pulso: próximo ao Processo de formação do pulso: próximo ao

anodo -> não há necessidade de grades!anodo -> não há necessidade de grades!

35.235.2

QFWHM Q

Detectores Sensíveis a PosiçãoDetectores Sensíveis a Posição

Grandes áreas: Múltiplos AnodosGrandes áreas: Múltiplos Anodos

Contador Geiger-MuellerContador Geiger-Mueller

Geiger:Geiger: aluno do Rutherford em aluno do Rutherford em Manchester (medidas do espalhamento deManchester (medidas do espalhamento de ´s´s em em Au). Au).

Limite extremo do processo de multipli-Limite extremo do processo de multipli-cação:cação: A quantidade de carga produzida é A quantidade de carga produzida é independente da ionização inicial (independente da ionização inicial (101099-10-101010 pares e-íons). pares e-íons).

Tensão no resistor Tensão no resistor ~1V.~1V.

Descarga GeigerDescarga Geiger

Extinção (Quenching)Extinção (Quenching)

Com altos fatores de multiplicação, mesmo com Com altos fatores de multiplicação, mesmo com a adição de gás poliatômico, o processo de a adição de gás poliatômico, o processo de multiplicação continua, com um grande número multiplicação continua, com um grande número de avalanches, atingindo praticamente toda a de avalanches, atingindo praticamente toda a extensão do anodoextensão do anodo..

A um certo momentoA um certo momento ( (dezenas de dezenas de ss) ) a a quantidade de íons positivosquantidade de íons positivos ( (lentos!lentos!) ) nas nas proximidades do anodo é tão grande, que o proximidades do anodo é tão grande, que o campo elétrico efetivo diminui, impedindo novos campo elétrico efetivo diminui, impedindo novos processos de multiplicação, e a descarga se processos de multiplicação, e a descarga se extingueextingue..

Tempo Morto GrandeTempo Morto Grande

Após a extinção da descarga, devido a baixa Após a extinção da descarga, devido a baixa mobilidade dos íons positivos, o campo elétrico mobilidade dos íons positivos, o campo elétrico efetivo na região do anodo permanece baixo, efetivo na região do anodo permanece baixo, impedindo a formação de novas avalanches.impedindo a formação de novas avalanches.

A função do gás molecularA função do gás molecular ( (quenching gasquenching gas) ) nestes detectores, é impedir que os íons nestes detectores, é impedir que os íons positivos, ao chegar próximo ao catodo, positivos, ao chegar próximo ao catodo, arranquem mais de 1 elétron, provocando arranquem mais de 1 elétron, provocando avalanches secundárias.avalanches secundárias.

Vida ÚtilVida Útil

Contadores Geiger são normalmente seladosContadores Geiger são normalmente selados.. Ao longo do tempo, a deterioração das Ao longo do tempo, a deterioração das

moléculas do gás poliatômico e contaminação moléculas do gás poliatômico e contaminação do gás, principalmente com oxigênio liberado do gás, principalmente com oxigênio liberado das superfícies metálicas do catodo, fazem das superfícies metálicas do catodo, fazem com que o fator de multiplicação diminuacom que o fator de multiplicação diminua..

Detectores ProporcionaisDetectores Proporcionais usam fluxo contínuo usam fluxo contínuo da mistura gasosa para evitar esses da mistura gasosa para evitar esses problemasproblemas..

CintiladoresCintiladores

Converter a energia depositada em um Converter a energia depositada em um pulso de luz, com grande eficiência.pulso de luz, com grande eficiência.

Intensidade de luz Intensidade de luz energia depositada. energia depositada. Meio transparente para a luz produzida.Meio transparente para a luz produzida. Tempo de emissão curto.Tempo de emissão curto. Fácil de produzir em grandes dimensões.Fácil de produzir em grandes dimensões. Índice de refração próximo ao do vidro.Índice de refração próximo ao do vidro.

TiposTipos

OrgânicosOrgânicos Líquidos: NE213, NE216, ...Líquidos: NE213, NE216, ... Plásticos: NE103, NE105, ...Plásticos: NE103, NE105, ...

Inorgânicos Inorgânicos Ativados: NaI(Tl), CsI(Na), ...Ativados: NaI(Tl), CsI(Na), ... Puros: BGO (BiPuros: BGO (Bi44GeGe33OO1212), BaF), BaF22

Mecanismo de Cintilação (orgânicos)Mecanismo de Cintilação (orgânicos)

Inorgânicos AtivadosInorgânicos Ativados

Emissão de LuzEmissão de Luz

Material max(nm) (s) fotons/MeV

NaI(Tl) 415 0,23 38000

NE102A 432 0,002 10000

BGO 505 0,30 8200

BaF2 (S) 310 0,62 10000

BaF2 (F) 220 0,0006 -

FotomultiplicadoraFotomultiplicadora

CaracterísticasCaracterísticas

Material dos dinodos:Material dos dinodos: NEA: G ~ 55NEA: G ~ 55NN

Convencional: G ~ 5Convencional: G ~ 5NN

GanhoGanho (~10 (~1077)) Características temporais.Características temporais. Sensíveis a campos magnéticos.Sensíveis a campos magnéticos.

Variações: Variações: Microchannel PlateMicrochannel Plate

Fotodiodos (conv./avalanche)Fotodiodos (conv./avalanche)

Pequenas dimensões.Pequenas dimensões. Não é sensível a campos magnéticos.Não é sensível a campos magnéticos. Baixas tensões, baixa potência.Baixas tensões, baixa potência. Baixo rendimento (convencional)Baixo rendimento (convencional) Alto ruído (avalanche)Alto ruído (avalanche)

Detectores SemicondutoresDetectores Semicondutores

Pequenas dimensõesPequenas dimensões PortátilPortátil Boa resolução em energiaBoa resolução em energia Boa resolução temporal.Boa resolução temporal.

Contato ÔhmicoContato Ôhmico

Se pegarmos um cristal Se pegarmos um cristal semicontutorsemicontutor e e nas extremidades aplicarmos uma nas extremidades aplicarmos uma diferença de potencial, o efeito será (à diferença de potencial, o efeito será (à temperatura ambiente) como num temperatura ambiente) como num resistor resistor comumcomum..

Essa corrente elétrica pode ser bloqueada Essa corrente elétrica pode ser bloqueada pela elaboração de uma junção pela elaboração de uma junção retificadora (retificadora (junção pnjunção pn))

Junção pn difusaJunção pn difusa

O processo de difusão térmica produz a O processo de difusão térmica produz a junção a cerca de 1-2 junção a cerca de 1-2 m da superfície.m da superfície.

A junção é A junção é difusadifusa, com extensão de alguns , com extensão de alguns microns.microns.

Esses fatos implicam numa Esses fatos implicam numa zona mortazona morta relativamente espessa, na parte frontal do relativamente espessa, na parte frontal do detector, por onde entram as partículas a detector, por onde entram as partículas a serem detectadas.serem detectadas.

Barreira de SuperfícieBarreira de Superfície(culinária!)(culinária!)

Peque um disco fino de Si tipo n.Peque um disco fino de Si tipo n. Limpe bem a superfície do Si com ataque Limpe bem a superfície do Si com ataque

químico químico (etching).(etching). Deixe a superfície oxidar ligeiramente.Deixe a superfície oxidar ligeiramente. Evapore uma fino filme de Au.Evapore uma fino filme de Au.

O detector O detector “Científico”“Científico”

Zona de Depleção (exaustão)Zona de Depleção (exaustão)

Detectores de GeDetectores de Ge

Para radiação Para radiação , necessário volume , necessário volume grande e elementos pesados (grande e elementos pesados (Z grandeZ grande).).

Ge: (Ge: (Z=32Z=32>>>>Z=14Z=14 do Si) – é possível a do Si) – é possível a produção de amostras extremamente produção de amostras extremamente puras e em grandes quantidades.puras e em grandes quantidades.

Por ter Por ter gapgap pequeno (~0.66 eV) a corrente pequeno (~0.66 eV) a corrente à temperatura ambiente é muito grande: à temperatura ambiente é muito grande: devem ser resfriadosdevem ser resfriados..

Refinamento por zona de fusãoRefinamento por zona de fusão

O material “bruto”, já de altíssima pureza (grau O material “bruto”, já de altíssima pureza (grau eletrônico) é preparado na forma de um lingote eletrônico) é preparado na forma de um lingote de ~8x4x60 cm)de ~8x4x60 cm)

Num tubo de quartzo inclinado o material é Num tubo de quartzo inclinado o material é localmente aquecido (localmente aquecido (induçãoindução) até a fusão.) até a fusão.

Deslocando-se o aquecedor da parte inferior à Deslocando-se o aquecedor da parte inferior à superior, desloca-se a zona fundida, e com ela superior, desloca-se a zona fundida, e com ela as impurezas (as impurezas (que são mais solúveis na fase que são mais solúveis na fase líquidalíquida))

Germânio Hiper-PuroGermânio Hiper-Puro

O material resultante contém impurezas em O material resultante contém impurezas em quantidades menores que 10quantidades menores que 1099 átomos/cm átomos/cm33..

À partir de uma semente, cresce-se um À partir de uma semente, cresce-se um mono cristal cilíndrico de dimensões de até mono cristal cilíndrico de dimensões de até ~12 cm de diâmetro por ~ 20 de ~12 cm de diâmetro por ~ 20 de comprimento. (zona de depleção de até comprimento. (zona de depleção de até ~3cm)~3cm)

Alto custo (20 – 100K US$)Alto custo (20 – 100K US$)

CaracterísticasCaracterísticas

Resolução: ~Resolução: ~1.5 – 2.21.5 – 2.2 keV (FWHM) para a keV (FWHM) para a linha de linha de 1.331.33 MeV do MeV do 6060CoCo

Eficiência relativa: Eficiência relativa: 10 a 110%10 a 110% da eficiência da eficiência ((fotoelétricofotoelétrico) de um cintilador NaI de 7.5 ) de um cintilador NaI de 7.5 cm de diâmetro por 7.5 cm de cm de diâmetro por 7.5 cm de comprimento (3x3 polegadas)comprimento (3x3 polegadas)

Resolução temporal: Ruim em coaxiais, Resolução temporal: Ruim em coaxiais, boa em planares.boa em planares.

Tipo-nTipo-n

Cristais hiper-puros tipo Cristais hiper-puros tipo p p são mais são mais fáceis de se fabricar.fáceis de se fabricar.

Cristais tipo Cristais tipo nn são mais resistentes a são mais resistentes a nêutrons e podem ser reciclados por nêutrons e podem ser reciclados por processo de recozimento (anealing)processo de recozimento (anealing)

Filtros Anti-ComptonFiltros Anti-Compton

Grandes DetectoresGrandes Detectores

Detectores SegmentadosDetectores Segmentados

AGATA/GRETAAGATA/GRETA

FIM DA PRIMEIRA PARTEFIM DA PRIMEIRA PARTE

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