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DETECTORES DE RADIAÇÃO

Nuno Santos*

* Nº55746 Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica

Instituto Superior Técnico – Departamento de Física e-mail: [email protected]

Palavras-chave: Câmara de Ionização, Detector de Geiger-Müller, Detector de Cintilação, Detector de Semicondutor

Resumo As partículas provenientes de fontes radioactivas são muito utilizadas nos procedimentos de diagnóstico médico e no tratamento de doenças. Uma das formas directas de aplicação da radiação é a sua própria detecção, como por exemplo para uma simples contagem de partículas para medição da dose aplicada a um doente. Este trabalho consiste na caracterização dos diferentes detectores de radiação, à excepção dos nucleares. Os detectores de gás foram dos primeiros a serem desenvolvidos e também são os primeiros a serem referidos. Uma das suas propriedades é a utilização de um gás como material de detecção. Para além do detector de câmara de ionização, existem também o contador proporcional e o de Geiger-Müller. Os outros dois detectores referidos, um deles possui um material fluorescente como agente de detecção, detector de cintilação, enquanto o outro utiliza um semicondutor, detector semicondutor. Os detectores de gás, apesar de possuírem construção simples e não sofrerem destruição significativa com a radiação, não conseguem determinar partículas carregadas com baixo valor energético. Para este propósito são mais recomendáveis os detectores semicondutor e de cintilação, se bem que o custo de construção é mais elevado.

Detectores de Radiação

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INTRODUÇÃO

A utilização da radiação por parte dos equipamentos médicos tem sido elevada, devido à sua importância terapêutica e de utilização no diagnóstico de determinadas patologias. Assim sendo, a importância da sua detecção é igualmente considerada, sendo usada principalmente na área de diagnóstico. A sua utilização é comummente associada à determinação de dose aplicada a um doente, uma vez que existe uma certa proporcionalidade entre a quantidade de radiação aplicada e a dose ao longo do tempo.

Interacção da radiação com a matéria

A radiação emitida por núcleos radioactivos possui uma energia muito elevada, e consequentemente quando interage com os tecidos vivos provoca danos muito graves, podendo levar à morte destes. Este efeito depende, no entanto, da intensidade, energia e tipo de radiação que atinge a matéria, mas também do poder de absorção por parte da matéria.

A classificação das partículas provenientes das fontes radioactivas é feita consoante se trate de partículas carregadas, como por exemplo protões e electrões, de neutrões ou fotões.

Os protões são partículas muito pesadas, e por isto a sua principal forma de interacção com a matéria é através da perda de energia derivada da acção dos campos eléctricos dos átomos por onde aquele passa, e que em grande parte dos casos é absorvida pelos electrões. A energia transportada por estes electrões é superior à dos protões uma vez que a energia é transferida por momento e a massa do electrão é inferior à do protão. As colisões nucleares criadas por estes protões são raras uma vez que as energias não são suficientemente elevadas. No caso das outras partículas carregadas, a interacção dos electrões com a matéria é em grande parte diferente da interacção dos protões. O facto de os electrões serem mais leves faz com que as suas velocidades sejam mais elevadas, o que lhes dá um poder de penetração nos tecidos superior à dos protões. Para além disto, este fenómeno faz ainda com que a emissão de radiação de bremsstrahlung, devido à interacção do electrão com os electrões atómicos, seja maior do que em qualquer outro tipo de partículas carregadas.

Os fotões, quer seja radiação γ ou raios-X, são partículas energéticas, que interagem com a matéria principalmente de três formas: efeito fotoeléctrico, efeito de Compton e por produção de pares. A sua importância na caracterização dos fotões depende da energia dos mesmos. O efeito fotoeléctrico apresenta predominância em energias baixas, enquanto a produção de pares só ocorre a energias mais elevadas. O efeito de Compton é essencialmente sentido em energias intermédias.

Por último, os neutrões são responsáveis pela colisão nuclear. A sua energia pode ser transferida para as partículas carregadas, se desviadas, ou então pode ser absorvido de diferentes tipos de processos.

Os detectores

Um detector de radiação consiste essencialmente na criação de um sinal eléctrico resultante da interacção da radiação que se pretende detectar com a matéria, neste caso presente no detector. No entanto, existem diferentes tipos de detectores consoante as suas diferentes propriedades. A detecção pode ser efectuada através do registo de electrões provenientes da ionização de um gás ou através da excitação de electrões presentes num semicondutor. A emissão de fotões fluorescentes, provenientes da colisão de radiação em material de cintilação, pode ser observada também, como forma de detecção. Outras das formas de distinção dos detectores é realizada através dos


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diferentes tipos de radiação que o aparelho detecta, como por exemplo radiação β e γ. É importante referir que, apesar de existirem alguns aparelhos que detectam um tipo

de radiação em particular, a origem e correspondentes características destes continuam a ser desconhecidas, uma vez que os detectores só analisam o resultado do decaimento radioactivo de um átomo, e não o decaimento em si. Existem, no entanto, formas de identificação desses átomos, que se baseiam principalmente na concepção de sistemas complexos que, entre outras ferramentas, recorrem a múltiplos e diferentes detectores de radiação.

Este trabalho tem como objectivo a caracterização de diferentes tipos de detectores de radiação, que não envolvam detectores nucleares, através das suas discrições. Os detectores estudados estão divididos em detectores de gás, nomeadamente as câmaras de ionização e os contadores proporcionais e de Geiger-Müller, os detectores de cintilação e os detectores de semicondutores.

DETECTORES DE GÁS

Os detectores de gás caracterizam-se por utilizarem um gás como material que sofre ionização pelas partículas carregadas.

Câmaras de Ionização

As câmaras de ionização são os detectores conceptualmente mais simples, cujo princípio de funcionamento assenta na medição da quantidade de partículas carregadas presentes num meio. Como ilustrado na Figura 1, o meio presente na câmara de ionização é atingido pelas partículas carregadas provenientes da fonte radioactiva. Este meio é constituído por um gás característico que, ao ser ionizado pela radiação, origina uma corrente que é proporcional ao número de moléculas ionizadas e que é posteriormente amplificada.

Figura 1. Princípios de funcionamento da câmara de ionização [3].

A câmara de ionização é constituída, para além do já referido gás, por dois eléctrodos, um ânodo (eléctrodo positivo) e um cátodo (eléctrodo negativo). Como ilustrado na Figura 2, a disposição dos eléctrodos no interior da câmara pode ser variada, dependendo do fim a que se destina. Em grande parte dos casos o cátodo serve de invólucro da câmara, apresentando a forma de um cilindro, enquanto o ânodo dispõem-se no centro em forma de haste. No entanto, o ânodo pode apresentar-se também na forma de cilindro ou ainda em forma de cone. Noutro tipo de casos, existe ainda a possibilidade de o cátodo e o ânodo serem chapas, postas paralelamente lado a


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lado. Com o intuito de aumentar a sensibilidade da câmara de ionização, os eléctrodos podem ainda ser colocados como ilustrado na Figura 2, em baixo, em que ambos são chapas cilíndricas mas com a particularidade de que a amostra é colocada no interior da câmara, dentro do ânodo.

Os eléctrodos, devido à já referida disposição, funcionam como um condensador (capacidade C), no qual é aplicada uma diferença de potencial elevada, na ordem das centenas de Volt. A função desta tensão aplicada é garantir que o aparelho não satura, devido às sucessivas ionizações do meio.

Figura 2. Diferentes interiores de câmaras de ionização, consoante a forma dos eléctrodos [2].

As câmaras de ionização conseguem detectar diferentes tipos de radiação. As partículas mais importantes e que interagem com o aparelho são as carregadas, nomeadamente as partículas α e β e a radiação γ e X.

O processo de detecção é conceptualmente simples, como já referido. Inicialmente existe uma interacção entre a radiação e a matéria. Esta interacção provoca normalmente uma separação de cargas entre partículas, ou seja, é formado um par partícula negativa – partícula positiva. Na presença do ânodo e do cátodo estas partículas carregadas são atraídas nas suas direcções, respectivamente sejam elas negativas ou positivas, vide Figura 3. Neste ponto, a alta tensão dos eléctrodos é essencial, já que evita a recombinação das partículas carregadas com o restante meio.

A energia média necessária para cada partícula carregada ionizar o meio, depende essencialmente do gás que é introduzido na câmara. À excepção do hélio, nos restantes gases normalmente utilizados para estes fins, a energia requerida é cerca de 30eV por par de iões. Se, por exemplo, uma partícula entrar na câmara e transferir cerca de 1GeV.s-1 para o gás, então a corrente gerada é aproximadamente


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��.��. �� ã��

�� ã�� 5.3 � 10��A (1)

onde 1.6×10-19 é a força de Coulomb.

Figura 3. Deslocação das partículas carregadas para os respectivos eléctrodos [1][2][2].

O valor obtido para a corrente é significativamente baixo, e por conseguinte opta-se normalmente por considerar várias detecções, sendo assim a sua soma mais fácil de medir. No entanto em grande parte dos casos, o valor de corrente é medido por voltímetros electrónicos de elevada sensibilidade, que são capazes de medir ordens de grandeza de corrente tão baixas como o do valor de (1).

Outro aspecto relevante neste ponto é o tempo de detecção de cada partícula. Devido à sua elevada massa, os iões positivos são mais lentos do que os electrões (cerca de 1000 vezes [1]). Desta forma, sempre que estes se separam devido a uma colisão e migram para os respectivos eléctrodos, o electrão por viajar a uma velocidade superior à do ião, atinge em primeiro lugar o detector. Esta situação condiciona, portanto, o aparelho na possibilidade de detecção individual de partículas, uma vez que é necessária uma frequência de contagem de pelo menos alguns kHz. Para além disto, existe também o condicionamento da incerteza do local da colisão. Já que a frequência necessária à detecção individual é grande, as distâncias são também relevantes para a determinação dessa frequência.

Apesar deste condicionamento, existem câmaras de ionização que apresentam contagem de partículas. Estas apresentam, para além dos eléctrodos, uma grelha, denominada de Frisch. A grelha de Frisch localiza-se junto ao ânodo e a sua função é garantir que o ânodo não sofre efeitos relativos ao movimento de cargas no meio, até que os electrões atinjam o intervalo entre a grelha e o ânodo. Neste intervalo, é então gerado um impulso, cuja amplitude é proporcional à energia depositada no gás pelas partículas. A duração deste impulso é significativamente baixa, cerca de alguns µs [1], o que evita a saturação e a sobreposição das detecções.

A escolha do gás utilizado na câmara depende de vários factores, principalmente das suas propriedades e do fim a que a câmara se destina, e que influencia o tempo e a eficiência de detecção dos electrões. Assim, quando se pretende uma câmara em modo contínuo deve-se optar por um gás como o ar (possui oxigénio, o qual tem alta afinidade com os electrões), enquanto em modo pulsátil se deve optar por gases inertes ou orgânicos.


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Contador proporcional e de Geiger-Müller

Os contadores proporcionais são detectores de gás cujo funcionamento se baseia na aceleração dos electrões, com o objectivo de obter uma contagem de partículas. Na subsecção anterior foi referido o modo como as partículas carregadas interagem com o meio da câmara e a obtenção de um baixo valor de corrente para cada detecção. Para além disto foi também considerada uma forma de obter uma contagem do número de partículas a atingirem a câmara. Agora, no caso do contador proporcional, ao invés de amplificar o sinal obtido electronicamente, são amplificados os electrões dentro da câmara. Aplicando uma tensão mais elevada entre os eléctrodos, do que a considerada anteriormente, os electrões sofrem um aumento de velocidade e consequentemente de energia. Quando a energia atinge um determinado valor, os electrões colidem com outros átomos e originam ionizações. Devido uma vez mais, à elevada diferença de potencial sentida pelos electrões, estes ionizam uma vez mais outros átomos. Assim, após inúmeros choques são formados inúmeros electrões que são então detectados pelo aparelho. A este processo denomina-se avalanche de Townsend [1][4].

Figura 4. Avalanche de Townsend [4].

O factor multiplicativo obtido pelo contador proporcional é da ordem de 103-105 [1]. No entanto, o nome do contador advém do facto de a tensão imposta aos eléctrodos ser proporcional ao impulso gerado na detecção dos electrões (número de electrões), mas apenas se a tensão não for demasiado elevada, vide Figura 5.

O contador proporcional é utilizado essencialmente para detecção de partículas α e β, podendo no entanto ser usado na detecção da actividade dos neutrões. Estes contadores operam em modo pulsátil uma vez que os pulsos gerados são relativamente largos, comparativamente aos usados em modo contínuo na câmara de ionização. Adicionalmente os impulsos podem variar o seu tamanho, ainda que se mantendo largos. Dos dois factores principais desta alteração [4], o primeiro é referente à variação do valor de tensão aplicada aos eléctrodos, sendo que quanto maior a tensão maior é o efeito da avalanche e por conseguinte maior é o impulso. O segundo relaciona-se com a variação da energia depositada no detector por uma partícula incidente. Quanto maior


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for a energia da partícula incidente, maior é o número de electrões primários, ou seja, os electrões formados a partir da partícula, e por isso maior é o número de electrões a atingir o eléctrodo e consequentemente o tamanho do impulso.

O gás presente no meio de um contador proporcional, como explicado anteriormente, terá de ser adequado ao modo de operação do dispositivo, ou seja, terá de se adequar ao modo pulsátil. Assim opta-se preferencialmente por gases inertes (não são electronegativos), em que por regra quanto maior for o número atómico dele maior a sensibilidade do aparelho. Ainda assim, algumas vezes é também considerado o ar (mais económico) como gás presente no meio, nomeadamente para contagem de partículas α, uma vez que o número de electrões primários gerados pela colisão da partícula com o gás é superior, relativamente ao número de electrões gerados na mesma situação por outras partículas. A humidade do ar é também um factor a ter em conta neste caso, uma vez que em ambiente húmido são gerados impulsos artefactos, mais pequenos. Para além destes mais comuns, podem ser também utilizados gases hidrocarbonetos, tendo no entanto a desvantagem de alguns serem inflamáveis. Na detecção de núcleos são utilizados o 3He e o BF3, uma vez que são úteis em reacções nucleares e na geração dos impulsos, dentro da câmara.

Os contadores proporcionais podem ser classificados quanto ao tipo, já que eles diferem significativamente. Assim, consideram-se três tipos de contadores [4]: contador proporcional de fluxo de gás, gas flow proportional, contador proporcional de ar, air

proportional, e contador proporcional selado, sealed proportional. O contador proporcional de ar serve essencialmente para medir radiação α, pela razão referida no parágrafo anterior. O contador proporcional de fluxo de gás é utilizado para linhas de raio-X de baixa energia enquanto o contador selado é útil em raio-X de alta energia. Este último, contador proporcional selado, apresenta uma janela de entrada para a radiação relativamente grossa, cerca de 50µm no caso do Berílio [5], de modo a reter as moléculas do gás dentro da câmara. O contador proporcional de fluxo, por seu lado, apresenta uma janela, normalmente propileno, bastante mais fina, cerca de 0.5 a 1µm de espessura [5], e o gás, geralmente árgon com 10% de metano, é feito passar pelo detector a uma velocidade constante. Ainda relativamente às geometrias do contador, devido à proximidade existente entre a zona central, ânodo, e o local onde ocorrem praticamente todos os processos de ionização, é considerado independente o local exacto onde estas ionizações ocorrem, ao contrário do que acontece nas câmaras de ionização.

Os contadores de Geiger-Müller são em quase tudo semelhantes aos contadores

proporcionais, uma vez que a geometria do dispositivo é idêntica e a base teórica também. No entanto existem algumas diferenças que os caracterizam. Como referido anteriormente, existe uma tensão elevada aplicada aos eléctrodos do contador. No caso dos contadores de Geiger-Müller, esta tensão é aumentada até um valor de saturação do dispositivo. O gráfico da Figura 5 apresenta isto mesmo, a região de Geiger-Müller possui uma tensão de trabalho muito mais elevada que qualquer uma das outras regiões, nomeadamente a proporcional. A região de Geiger-Müller possui assim duas características importantes [7]: o número final de electrões produzidos no contador é independente da tensão aplicada aos eléctrodos e este mesmo número de electrões é independente do número de electrões produzidos na ionização inicial, por consequência da radiação incidente.


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Figura 5. Amplitude do impulso gerado na câmara em função da tensão aplicada aos eléctrodos [1].

O valor elevado da tensão, entre 800 e 1200V [6], tem uma consequência no desempenho do contador que o caracteriza e que define o modo de funcionamento. Os electrões na presença de uma diferença de potencial tão elevada adquirem uma velocidade, também ela, grande, o que origina uma energia suficiente para os fazer colidir e, para além de ionizar, conseguir excitar as moléculas do gás. Do processo de desexcitação destes átomos, são produzidos fotões ultravioletas, sendo que muitos deles possuem energia suficiente para irem desencadear outras avalanches de ionização no gás. Assim, como ilustrado na Figura 6, são desencadeadas inúmeras avalanches de ionização que originam muitos electrões, que se estendem ao longo do ânodo, descarregando-o.

Com a rápida deslocação dos electrões para o ânodo, os iões positivos são deixados para trás. Assim, o número de iões aumenta ao longo e em volta do ânodo provocando a diminuição da tensão entre os eléctrodos. A este fenómeno designa-se de space charge [7]. No limite, ao se atingir uma tensão crítica de funcionamento do detector, a descarga termina e é gerado um impulso caracteristicamente largo. Assim, este impulso por ser tão grande, torna desnecessária a necessidade de amplificação do mesmo. No entanto este não possui qualquer informação referente à ionização inicial, ou seja, o contador não distingue diferentes energias e tipos de radiação. No entanto a sua sensibilidade, comparado com o contador proporcional, é superior.

Os iões positivos requerem um período mais longo que os electrões para chegarem ao cátodo. Por esta razão, existe uma certa probabilidade de os electrões se libertarem da superfície e provocarem descargas secundárias. Esta situação é controlada e evitada recorrendo à utilização de um gás molecular, quenching gas (quench significa extinguir), com a particularidade de possuir elevada probabilidade de interagir com os iões positivos do gás primário (gás que sofre ionização). A utilização deste gás, para além de limitar a aplicabilidade do detector devido ao elevado tempo de dissociação, cerca de centenas de µs [1], possui também o inconveniente de ser necessária a substituição a curto prazo deste gás, uma vez que ele é gradualmente utilizado. Ainda


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assim, devido ao baixo custo deste gás, a sua utilização em muitos laboratórios é elevada.

Figura 6. Formação de múltiplas avalanches de ionização, no interior de um contador Geiger-Müller,

devido à emissão de fotões ultravioletas [6].

Tal como no caso do contador proporcional, o contador de Geiger-Müller apresenta-se em três tipos básicos consoante a sua geometria e design [6]: contador cilíndrico de janela lateral, side-window, contador de end window e contador pancake.

Os três diferentes tipos de contadores são apresentados na Figura 7. O contador de janela lateral, imagem de cima, é considerado o dispositivo convencional mais utilizado. A zona exterior é rodeada por um invólucro cilíndrico (normalmente aço), que serve ao mesmo tempo de cátodo, enquanto o ânodo é um fio de metal, principalmente tungsténio, que se dispõem ao longo do eixo central do dispositivo. Apesar de este aparelho ser utilizado com o objectivo de medir radiação γ, pode ser usado com o intuito de registar partículas β de alta energia, desde que a espessura da parede exterior seja suficiente fina para os contar. O contador pancake

1, tal como o nome indica, apresenta uma forma circunferencial como base e uma espessura achatada. Enquanto o cátodo é, uma vez mais, a parede exterior do detector, por sua vez o ânodo apresenta a forma circunferencial da base, sendo paralela a esta. A espessura da base do detector é baixa, cerca de 1.5 a 2.0mg.cm-2 [6], o que faz com que a utilização do contador seja redireccionada à medição de partículas β, de forma preferencial. Por fim, o contador end-window, como ilustrado também na Figura 7, apresenta uma parede circunferencial (cátodo), enquanto o ânodo se encontra no interior, mas ao contrário do contador de janela lateral, a sua extensão já não é integral ao longo do eixo central. A base deste contador é constituída normalmente por mica, como o contador end-window, tendo a mesma espessura igualmente. Apesar de ser utilizada na contagem de partículas γ e possivelmente de α’s inclusive, o seu principal objectivo são a detecção de actividade de partículas β.

1 Pancake significa panqueca em inglês, sendo um bolo com a forma cilíndrica achatada.


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Figura 7. Diferentes tipos de contadores de Geiger-Müller: side-window, end-window e pancake [6].

DETECTORES DE CINTILAÇÃO

Os detectores de cintilação são um tipo diferente de detectores, uma vez que apresentam propriedades diferentes aos detectores de ionização. Um detector de cintilação é constituído essencialmente por um cintilador, uma superfície fotocatódica, um fotomultiplicador (PMT – PhotoMultiplier Tube) e a componente electrónica [1][8], vide Figura 8.

Figura 8. Diagrama esquemático de um detector de cintilação [1].

Numa fase inicial, a radiação incide na câmara do cintilador, o qual é revestido por um material reflector e impermeável à luz. Ao entrar no cintilador, o fotão transfere alguma da sua energia a um electrão ou a um par electrão-positrão, excitando-o. Este


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fenómeno de dissipação ocorre várias vezes até que a energia do fotão atinja um limite mínimo de excitação. No entanto, a parte mais importante desta fase ocorre no momento em que os átomos perdem essa energia armazenada, e ocorre emissão de radiação visível ou próximo do visível, ou seja, radiação fluorescente.

Numa segunda fase, grande parte destes fotões gerados atingem a parede fotocatódica, resultando na emissão de foto-electrões. Como é possível observar na Figura 8, estes foto-electrões são posteriormente direccionados para o fotomultiplicador, onde são acelerados por acção de um gradiente de tensão imposto, e estabelecido por uma cadeia resistiva presente no aparelho. O PMT é um dispositivo constituído por diversos dínodos e um ânodo e cuja função básica é a multiplicação do número de electrões. Na entrada dele existe também uma grelha de focagem que permite a focagem dos electrões segundo o primeiro dínodo.

No interior do PMT, em consequência do aumento da velocidade dos electrões, as suas energias aumentam e ao colidirem nos diversos dínodos são gerados electrões secundários. Uma vez que cada dínodo consegue gerar, a partir de um electrão, até um máximo de cinco electrões [1] (dependendo do valor da tensão imposta entre o fotocátodo, os dínodos e o ânodo), é possível obter no ânodo, cerca de 107 electrões2. No fim, obter-se-á então um impulso de corrente que é posteriormente amplificado e processado electronicamente.

Figura 9. Estados de energia das moléculas dos cintiladores orgânicos (esquerda) e inorgânicos

(direita) [1].

Os cintiladores podem ser de dois tipos [1], orgânicos ou inorgânicos, consoante a forma como ocorre a excitação e desexcitação dos electrões no material do cintilador. Os cintiladores orgânicos são constituídos por moléculas cuja interacção entre elas é fraca. As moléculas orgânicas do material apresentam determinados estados electrónicos, mas que simbolicamente podem ser apresentados como na Figura 9, esquerda. Inicialmente os electrões encontram-se num estado S0, e ao ser fornecida energia pelo fotão incidente há uma transição desses electrões para um estado S1, de maior energia. Para além deste tipo de transição pode ocorrer simultaneamente transições vibracionais, que são de energia mais baixa. Assim, sempre que ocorre excitação há passagem de um estado S00, para um qualquer estado vibracional do S1. Num estado excitado, S1, a molécula encontra-se relativamente instável e por essa razão existe a necessidade de voltar ao estado fundamental, S0, em qualquer um dos estados vibracionais. Essa passagem, além de ser significativamente rápida (alguns pico-

2 Supondo um PMT com dez dínodos e considerando que cada um produz cinco electrões, então no ânodo obtêm-se 510, ou seja, aproximadamente os 107.


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segundos), ocorre com libertação de um fotão com energia igual à variação de energia entre o estado S0 e S1. É importante referir que alguns fotões podem possuir energia suficiente para garantir re-excitação e por isso, utilizam-se cintiladores que são transparentes a grande parte da sua própria radiação.

Os cintiladores inorgânicos são constituídos na maioria das vezes por sólidos cristalinos, sendo que os mais comuns são os cristais de halogéneo e metais alcalinos, como por exemplo o iodeto de sódio, NaI. Neste tipo de moléculas e estruturas, a distribuição electrónica é diferente dos materiais orgânicos, vide Figura 9, direita. As estruturas cristalinas apresentam duas bandas electrónicas (constituídas por grupos de níveis de energia) de energias distintas e que os electrões ocupam, sendo que as de menor energia são as bandas de valência e as outras as bandas de condução. Estas, por terem maior energia, em geral, encontram-se vazias. Quando a radiação incide no cristal, diversos electrões presentes na banda de valência “saltam” para a banda de condução devido à transferência de energia, formando na banda menos energética um “buraco”, hole. Esta instabilidade energética é de seguida compensada pelo retorno dos electrões desde a banda de condução para a banda de valência. Ao electrão que “salta” de nível e ao “buraco” que fica designa-se par electrão-buraco (e-h) – electron-hole

pair. Neste processo, há uma vez mais emissão de fotões, sendo que neste caso a sua energia é mais elevada, de tal forma que é capaz de voltar a excitar um electrão da banda de valência. De forma a evitar este problema, já que se pretende que os electrões sejam excitados somente uma vez por cada radiação, são adicionados pequenas quantidades de outra substância, por exemplo tálio. Esta impureza, acrescenta novos níveis de energia intermédias às duas bandas energéticas. Assim, o valor das energias resultantes da excitação e desexcitação são menores e já não ocorre a referida re-excitação.

Os detectores inorgânicos são os mais utilizados destes dois tipos, nomeadamente os já referidos cristais de iodeto de sódio dopados com tálio devido à elevada eficiência de conversão entre a radiação e a luz [9]. Por outro lado os detectores orgânicos, nomeadamente os fluidos, são muito úteis na detecção de radiação com baixo valor de penetração, como por exemplo as partículas β, uma vez que é possível colocar a fonte de radiação imersa no líquido cintilador.

DETECTORES SEMICONDUTORES

Os detectores de semicondutores são dispositivos que utilizam semicondutores como o material responsável pela captação da radiação e sua conversão em energia eléctrica. Estes detectores são muito usados na indústria e pesquisa científica, porque possuem elevada resolução espacial, uma determinação precisa da energia das partículas carregadas e um bom tempo de resposta [1][10].


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Figura 10. Cristal semicondutor, do tipo junção p-n [10].

O princípio de funcionamento destes detectores é semelhante ao do detector de cintilação inorgânico descrito anteriormente. Desta vez o cristal é um semicondutor, sendo normalmente silício ou germânio. Quando a radiação incide no cristal, tal como nos casos anteriores, a sua energia é transferida para o detector, neste caso o semicondutor. Estes cristais semicondutores são constituídos por junções p-n, como é possível observar na Figura 10, e que tal como no referido material inorgânico do detector de cintilação, possui zonas de energia, a banda de valência e de condução, capazes de originar o par electrão-buraco. Quando a energia é transferida para o electrão do cristal, este “salta” para a banda de condução, deixando na banda de valência uma lacuna. Devido a uma diferença de potencial que é imposto aos eléctrodos do semicondutor, o electrão move-se rapidamente em direcção ao ânodo, impedindo que este volte ao estado fundamental. Com esta movimentação, a própria lacuna “move-se” no sentido do cátodo, analogamente a uma bolha de ar, que dentro de água adquire movimento ascendente, contrário à força da gravidade. O tempo total necessário para que estas lacunas cheguem ao eléctrodo é muito mais reduzido que nos outros diferentes detectores considerados, dezenas a centenas de nanosegundos [1], sendo possível a operatividade do aparelho a frequências superiores.

A energia média necessária para fazer um electrão do cristal ascender à banda de condução varia apenas com a temperatura e tipo de cristal utilizado, sendo então independente do tipo de radiação que incide sobre o material. Se o cristal for feito de silício, a energia é aproximadamente 3.62eV (temperatura ambiente, ou 3.72eV a 80K), enquanto se for de germânio, o seu valor é cerca de 2.95eV (80K) [11]. No entanto, nem toda esta energia é gasta no processo de quebra da ligação do electrão à banda de valência (forbidden bandgap), uma vez que para estes dois semicondutores, silício e germânio, estes valores são inferiores, 1.115eV (temperatura ambiente) e 0.73eV (80K), respectivamente [11]. O resto da energia transferida é absorvido pela estrutura do cristal por meio de energia vibracional3. Apesar deste facto, e tendo em conta as energias necessárias para ionizar ou produzir um electrão nos anteriores detectores, este detector consegue obter uma boa performance, porque consegue gerar mais electrões por cada partícula carregada. No entanto, este aumento não é suficiente para desprezar a pós amplificação, sendo portanto necessário o referido amplificador e um outro amplificador de forma [1][11].

3 A quantificação do modo de vibração numa estrutura cristalina sólida, como o semicondutor, é definida na literatura de phonon [12].

Generalizando este processo para os vários electrões excitados por uma partícula carregada, as suas movimentações proporcional à energia depositada pela radiação.posteriormente ser interpretado, aplicando manipulações matemáticas estatísticas (considera-se uma distribuição de Poisson na formação do par electrãoforma a se obter a energia da partícula carregada incidente e assim caracterizá

É importante salientar que a pureza do cristal semicondutor utilizado no detector tem de ser máxima, de modo a evitar o bloqueio da movimentação dos electrões e a srecombinação na estrutura.

Os detectores principais de de junção p-n e os intrínsecosoutros de silício [1]. Os detectores de junção psemicondutores dopados com duas substânciassejam menores e maiores em uma uconsiderar o silício como o carbono), então uma das substâncias dopantes terá uma ordem de valência 3, sendo esta constituinte da estrutura tipoestrutura tipo-n apresenta um átomo dador de electrões e por essa razãode estado próxima da banda de condução do silíciodesses níveis é próxima de zeroreceptor de electrões e consequentemente terá uma banda de banda de valência do silíciode energia entre as diferentos electrões dos átomos dadores “saltam” facilmente banda de condução do cristal, movimentandoexistem lacunas na banda de valênpara esta zona, criando uma diferença de potencial residuallimite, obtém-se uma situação de equilíbrio, apresentada na electrões que estão em excesso na estrutura tipoque o excesso de lacunas na estrutura tipoe as lacunas referidas anteriormente se encontram nas extremidades das estruturas, a esta zona denomina-se região de depleção.apresenta uma tensão residual originária da disposição das cargas nas estruturas.

Figura

Devido a este excesso de cargas, a região de depleção é a zona do detector sensível à radiação incidente. No caso dos electrões a excitação é realizada na zona negativa da figura. Desta forma e por causa do campo eléctrico sentido, os electrões excitados movem-se no sentido contrário ao referido anteriormente, ou seja, da estrutura tipopara a estrutura tipo-n. Esta movimentação origina consequentemente uma tensão


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Generalizando este processo para os vários electrões excitados por uma partícula carregada, as suas movimentações na estrutura geram uma corrente eléctricaproporcional à energia depositada pela radiação. Este impulso de corrente poderá posteriormente ser interpretado, aplicando manipulações matemáticas estatísticas

se uma distribuição de Poisson na formação do par electrãoforma a se obter a energia da partícula carregada incidente e assim caracterizá

É importante salientar que a pureza do cristal semicondutor utilizado no detector tem de ser máxima, de modo a evitar o bloqueio da movimentação dos electrões e a s

principais de semicondutores são de dois tipos diferentes, os intrínsecos, sendo que estes são feitos geralmente de germânio e o

Os detectores de junção p-n são constituídos por semicondutores dopados com duas substâncias diferentes, cujas ordens de valência sejam menores e maiores em uma unidade relativamente ao material do cristal.

como o material do cristal, com ordem de valência 4 (igual ao carbono), então uma das substâncias dopantes terá uma ordem de valência 3, sendo esta

tipo-p, e a outra terá ordem 5, dopando a estruturaapresenta um átomo dador de electrões e por essa razão

próxima da banda de condução do silício, ou seja, a variação de energia de zero. Contrariamente, a estrutura tipo-p apresenta um átomo

receptor de electrões e consequentemente terá uma banda de estadobanda de valência do silício, sendo essa variação também quase nula. Como a variação

entre as diferentes bandas de energia é praticamente nula em ambos os casosos electrões dos átomos dadores “saltam” facilmente da sua banda de estado

do cristal, movimentando-se livremente nesse nível. Logo, como existem lacunas na banda de valência da estrutura tipo-p, esses electrões deslocam

, criando uma diferença de potencial residual entre as duas estruturassituação de equilíbrio, apresentada na Figura

electrões que estão em excesso na estrutura tipo-p criam uma tensão negativa enquanto o excesso de lacunas na estrutura tipo-n origina tensão positiva. Como os electrões

eriormente se encontram nas extremidades das estruturas, a se região de depleção. Como indicado na figura, esta região

apresenta uma tensão residual originária da disposição das cargas nas estruturas.

Figura 11. Um díodo p-n num estado de equilíbrio [13].

Devido a este excesso de cargas, a região de depleção é a zona do detector sensível à No caso dos electrões a excitação é realizada na zona negativa da

Desta forma e por causa do campo eléctrico sentido, os electrões excitados se no sentido contrário ao referido anteriormente, ou seja, da estrutura tipo

Esta movimentação origina consequentemente uma tensão

Generalizando este processo para os vários electrões excitados por uma partícula eléctrica, que será

Este impulso de corrente poderá posteriormente ser interpretado, aplicando manipulações matemáticas estatísticas

se uma distribuição de Poisson na formação do par electrão-buraco) de forma a se obter a energia da partícula carregada incidente e assim caracterizá-la.

É importante salientar que a pureza do cristal semicondutor utilizado no detector tem de ser máxima, de modo a evitar o bloqueio da movimentação dos electrões e a sua

semicondutores são de dois tipos diferentes, os detectores geralmente de germânio e os

n são constituídos por dois cristais , cujas ordens de valência

nidade relativamente ao material do cristal. Se se material do cristal, com ordem de valência 4 (igual ao

carbono), então uma das substâncias dopantes terá uma ordem de valência 3, sendo esta dopando a estrutura tipo-n. A

, terá uma banda , ou seja, a variação de energia

p apresenta um átomo estado logo acima da

Como a variação em ambos os casos,

da sua banda de estado para a se livremente nesse nível. Logo, como

p, esses electrões deslocam-se entre as duas estruturas. No

Figura 11, em que os p criam uma tensão negativa enquanto

Como os electrões eriormente se encontram nas extremidades das estruturas, a

Como indicado na figura, esta região apresenta uma tensão residual originária da disposição das cargas nas estruturas.

Devido a este excesso de cargas, a região de depleção é a zona do detector sensível à No caso dos electrões a excitação é realizada na zona negativa da

Desta forma e por causa do campo eléctrico sentido, os electrões excitados se no sentido contrário ao referido anteriormente, ou seja, da estrutura tipo-p

Esta movimentação origina consequentemente uma tensão


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oposta à residual e possível de ser medida e analisada, com o objectivo de determinar a energia da radiação incidente.

A largura da região de depleção pode ser ajustável consoante as necessidades pretendidas. No caso de se pretender uma região larga liga-se a estrutura tipo-p ao pólo negativo de uma fonte de tensão enquanto a zona tipo-n fica conectada ao pólo positivo, originando o efeito reverse-bias [1][13]. Este efeito, apesar de originar frequências dos impulsos e eficiências mais elevadas que sem este efeito, cria também outras correntes de baixo valor, mas que contribuem para o aumento do ruído do detector. Por outro lado, é possível também diminuir a largura da região de depleção, realizando o procedimento contrário, ou seja, ligar a estrutura tipo-p ao pólo positivo e a tipo-n ao pólo negativo, originando o efeito forward-bias [13].

Os detectores intrínsecos são constituídos por cristais únicos com elevada pureza [1]. Apesar de obterem uma resolução espacial bastante elevada e melhor que outros detectores, são muito caros e existe a necessidade de os refrigerar com azoto líquido.


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BIBLIOGRAFIA

[1] Lilley, John; Nuclear Physics Principles and Applications; John Wiley & Sons, Ltd; Inglaterra; Março de 2004.

[2] Página Web realizada pela ORAU, Oak Ridge Associatied Universities, que explica resumidamente o funcionamento de uma câmara de ionização; http://www.orau.org/ptp/collection/ionchamber/introionizationchamberr.htm; 25 de Julho de 2007; Acedida 15 de Novembro de 2008.

[3] Página Web realizada pela European Nuclear Society, que apresenta um parágrafo sobre a definição de câmara de ionização; http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/i/ionizationchamber.htm; Acedida 15 de Novembro de 2008.

[4] Página Web realizada pela ORAU, que define e explica o funcionamento de um contador proporcional; http://www.orau.org/ptp/collection/proportional%20counters/introprops.htm; 25 de Julho de 2007; Acedida 15 de Novembro de 2008.

[5] Página Web realizada pela Oxford Instruments, que aborda a temática dos detectores e suas geometrias; http://www.x-raymicroanalysis.com/pages/tutorial2/detectors&geometry.htm; 2005; Acedida 15 de Novembro de 2008.

[6] Página Web realizada pela ORAU e que define e caracteriza o contador de Geiger-Müller; http://www.orau.org/PTP/collection/GMs/introgms.htm; 25 de Julho de 2007; Acedida 16 de Novembro de 2008.

[7] Página Web realizada pela Integrated Publishing, que apresenta informação acerca do detector Geiger-Müller; http://www.tpub.com/content/doe/h1013v2/css/h1013v2_67.htm; Acedida 18 de Novembro de 2008.

[8] Página Web realizada pelo LIP, Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas, intitulado Como se detectam as partículas de uma

cascata?; http://www.lip.pt/experiments/trc/telescopio/telescop1.html; Acedida 21 de Novembro de 2008.

[9] Página Web realizada pela Wikipedia, que define cintilador; http://en.wikipedia.org/wiki/Scintillator; 16 de Novembro de 2008; Acedida 21 de Novembro de 2008.

[10] Página Web realizada por Forschungszentrum Jülich (centro de pesquisa alemã), que descreve o funcionamento de um detector semicondutor; http://ikpe1101.ikp.kfa-juelich.de/briefbook_part_detectors/node167.html; 9 de Abril de 1998; Acedida 25 de Novembro de 2008.

[11] Páginas Web realizadas por ORTEC, que fazem parte de Review of the Physics

of Semiconductor Detectors, dividida em quatro subtemas; http://www.ortec-online.com/detectors/review_physics/intro.htm, http://www.ortec-online.com/detectors/review_physics/creation.htm, http://www.ortec-online.com/detectors/review_physics/pulse.htm; 2007; Acedida 25 de Novembro de 2008.

[12] Página Web realizada pela Wikipedia, que define phonon; http://en.wikipedia.org/wiki/Phonon; 6 de Novembro de 1998; Acedida 26 de Novembro.

[13] Página Web realizada pela Wikipedia, que define p-n junction; http://en.wikipedia.org/wiki/PN_junction; 19 de Novembro de 2008; Acedida 26 de Novembro de 2008.

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