detectores 1

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