instrumentação nuclear câmara de ionização
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Instrumentação Nuclear
Câmara de Ionização
Capítulo 5 – Radiation Detection andMeasurement – KNOLL.
Júlio Cesar Suita
05 de agosto de 2013
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IntroduçãoCâmara de Irradiação é
o mais simples dos detectores a gás.
Como os demais detectores, podem ser operadas nos modos corrente
e pulso.Nas aplicações mais comuns, são operadas no modo corrente, ao contrário dos demais detectores a gás (Proporcional
e Geiger) que são operados no
modo pulso.O termo Câmara de Ionização é
convencionalmente usado exclusivamente
para o tipo de detectores em que o par de íons é
coletado no gás.
1 - Princípios do Processo de Ionização em GasesUma partícula carregada energética gera tanto moléculas excitadas quanto moléculas ionizadas. Na ionização, as moléculas ionizadas e os elétrons livres formam um par iônico, que são os constituintes básicos do sinal elétrico gerado.Dependendo da radiação, a interação pode ser direta ou secundária: raios- delta.O parâmetro de interesse é
o número total de pares iônicos gerados.
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1.1 - Número de Pares de Íons Formados•No mínimo, a partícula tem que transferir o montante de energia necessário à
ionização da molécula
de gás, que varia entre 10 e 25 eV.•Entretanto, a energia média transferida pela partícula para formar um par
iônico (W), é
substancialmente maior. Tipicamente entre 25 e 35 eV. •O valor de W varia pouco com o tipo de gás, de partícula
e sua energia.
•Uma partícula de 1 MeV
totalmente parada no gás deverá
gerar cerca de
30000
pares de íons.•Essa relação
é praticamente linear.
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1.2 - Difusão, Transferência de Carga e Recombinação•Moléculas estão em constante agitação térmica e possuem livres caminhos médios
da ordem de
10-6
a 10-8
m.
•Íons e elétrons livres também compartilham a tendência de difusão –
elétrons em maior grau.
Concentrações tendem a se dispersar numa função Gaussiana cuja largura aumenta com o tempo. Em primeira aproximação:
σ
= √2Dt
D : constante de difusão
é determinada pela teoria cinética
dos gases.•Dos muitos tipos de colisões que ocorrem entre moléculas neutras, ionizadas e elétrons livres tem-se:
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Colisões entre íons positivos e elétrons livre pode resultar em recombinações.
Colisões entre íons negativos e íons positivos também pode resultar em recombinação, quando o par deixa de contribuir para a geração do sinal.
Como a frequência
de colisões é
proporcional ao produto das concentrações das duas cargas envolvidas, a taxa de recombinação pode ser:
Onde: n+
= densidade de íons positivos;n-
= densidade de espécies negativas;α
= coeficiente de recombinação
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Há
dois tipos
de perdas de íons por recombinações: por coluna
(inicial) e por volume.
Inicialmente a concentração de íons é
alta no local de incidência, até
que os pares se difundam e migrem.
A recombinação colunar
é
mais severa para fragmentos de fissão ou partículas alfa e independe da taxa de incidência.
Recombinação volumétrica
aumenta de importância com o aumento da taxa de contagens.
Por isso a taxa de coleta dos íons deve ser o mais rápido possível para minimizar as recombinações. Campos elétricos de alta intensidade são indicados.
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2 - Migração e Coleta de Cargas
2.1 – Mobilidade de Carga
Se um campo elétrico
é
aplicado na área de concentração das cargas no detector, sua força eletromotriz
irá
deslocá-las.
A mobilidade
é
uma superposição entre o deslocamento (drift) e a agitação térmica.Para os íons no gás a velocidade de
drift pode ser dada por:
ν
= µ.ξ
/ p
Onde ν
= velocidade de drift
µ
= mobilidadeξ
= intensidade do campo elétrico
p = pressão do gás
µ
tende a
manter-se constante para grandes
intervalos
de ξ
e
p e não difere entre íons negativos e positivos. Valores típicos variam entre 1 e 1,5 x 10-4
m2
atm
/ V . s
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Portanto, uma pressão de 1 atm
em um campo de 10000 V/m
irá
gerar uma velocidade de drift da ordem de 1 m/s.
O que acarreta uma velocidade de trânsito dos íons no detector
da ordem de 10 ms, o que é
muito longo.
Os elétrons
livres se deslocam 1000 vezes
mais rápidos.
O tempo típico de coleta para elétrons é
da ordem de microsegundos.
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2.2 – Corrente de Ionização
No campo elétrico o drift
das cargas elétricas formam uma corrente elétrica.A medição da corrente de ionização é
o princípio básico de operação da
câmara de
ionização dc.
Ions
saturation
-
operação
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2.3 - Corrente de Saturação – Fatores que a afetam
Fatores que impedem a obtenção da corrente de saturação:
•Recombinação de coluna (fragmentos de fissão e partículas alfas);•Recombinação volumétrica (altas taxas de contagem);•Tensão inadequada (muito baixa);•Volume da área útil inadequado;•Em câmaras que usam ar ambiente a umidade alta também interfere.
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Numa produção uniforme de íons no volume do gás exposto ao campo elétrico, o drift
de cargas irá
gerar uma alteração nas concentrações em
regime estacionário. O gradiente de concentração tende a criar uma migração contrária das cargas, afetando a medida da corrente de íons.
Em análise feita por Rossi e Staub
sobre a perturbação na medida da corrente de íons em eletrodos planares tem-se:
ΔI / I = ϵ.k.T / e.V
ϵ = razão entre a energia média dos carregadores de carga na presença do campo elétrico em relação àquela na ausência de campo elétrico;
k = constante de Boltzmann;
T = temperatura absoluta;
e = carga do elétron;
V = tensão aplicada entre os eletrodos.
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A intensidade da perda na corrente de saturação
depende primeiramente da tensão aplicada V e da grandeza de ϵ.
Em temperatura ambiente o valor de kT/e
é de cerca de 2.5 x 10-2
V.Para
íons,
o valor de ϵ não é
muito maior do que 1, o que torna ΔI/I
desprezível.
Quando a carga negativa é
carregada por elétrons, ϵ
pode ser da ordem de algumas centenas, o que acarreta perdas consideráveis
na corrente de
saturação.
Como
ϵ
tende a uma
saturação
com o aumento da tensão V, o efeito é minimizado
pelo uso de altas tensões.
Perdas devido a drifts e recombinações volumétricas
são mais fáceis de reduzir com o aumento do campo elétrico
do que aquelas causadas por
recombinação de coluna.
Resultados de medidas experimentais podem ser empregados na estimativa dessas perdas.
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3 – Desenho e Operação de Câmaras de Ionização (DC)
3.1 – Considerações Gerais
As cargas negativas
são coletadas tanto via elétrons
quanto íons negativos.
Qualquer tipo de gás pode ser usado, inclusive os que apresentam altos coeficientes de captura de elétrons livre.
Embora recombinações
sejam mais significativas para íons negativos, suas perdas por difusão são menores.
Condições de saturação
são alcançadas em dimensões de poucos centímetros
com tensões da ordem de centenas de Volts.
O ar ambiente
produz muitos íons negativos
e é
muito empregado em CI –
especialmente da determinação de doses por emissão gama.
Os gases densos
(metano) são empregados quando se quer aumentar a densidade de ionização.
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A pressão
geralmente empregada nas CI é
de 1 atm, muito embora pressões maiores possam ser aplicadas para aumentar a sensibilidade.
A geometria pode variar. A mais simples é
a
planar
(campo uniforme), mas geometrias
cilíndricas
também são empregadas (tensão aplicada na haste
central).
3.2 – Isolantes e anéis de guarda
Na concepção da CI algum isolamento deve ser feito entre os eletrodos.
Como as correntes de ionização são muito baixas, (~10-12 A), deve-se evitar correntes de fuga.
Para uma tensão de
100V a resistência
tem que ser maior que 1016
ohms.
Mesmo materiais que tenha essa resistência podem apresentar correntes de fuga
pela superfície.
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A solução é
a adoção de um dispositivo composto por anéis de guarda (guard
rings)
para evitar as correntes de fuga.
O isolamento
é
feito em duas
etapas.
A maior parte da queda da tensão ocorre no isolamento externo.
A corrente de fuga
deixa de passar pelo instrumento de medição.
Os
materiais
isolantes podem ser polímeros
ou cerâmicas.
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3.3 – Medida da Corrente Iônica
A corrente gerada pelos íons é
muito pequena para se medir com o uso de galvanômetros convencionais.
Alguma amplificação tem que ser aplicada ao sinal para tornar a medida indireta possível.
Um eletrômetro mede indiretamente a corrente sentindo a variação da tensão entre as extremidades de uma resistência instalada em série no circuito.
Cuidados devem ser tomados quanto a estabilidade e calibração do sistema
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4 – Medidas de Doses de Radiação com o uso de Câmara de Ionização
4.1 – Exposição por raios-gama
Em condições próprias a determinação da ionização do ar numa Câmara de Ionização pode fornecer uma medida acurada da taxa de exposição devido aos raios-gama.
A medida é
particularmente complexa porque, a princípio, seria necessário coletar todos os elétrons secundários para se determinar a
ionização
produzida pela radiação incidente.
Como o
alcance desses elétrons no ar pode ser da ordem de metros, torna- se impraticável fazer a medida direta de todos os elétrons secundários.
O problema é
contornado com o emprego do princípio da compensação.
Toda as cargas de ionização criadas fora de um volume teste pelos elétrons secundários é
compensada pela ionização causada pelos elétrons
secundários produzidos nas circunvizinhanças.
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Câmara de Ionização
free-air com eletrodos de bordas insensíveis.
Compensação ocorre no plano horizontal
Free-air CI
é
empregado para medidas de exposições a raios-gama de até 100keV.
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Para energias mais altas, o alcance dos elétrons
secundários cria dificuldades
para o uso da técnica free-air.
A dosimetria
de raios-gama com energias mais altas
é feita com dispositivos chamados de Câmara de Cavidade, na qual um pequeno volume de ar é
circundado por material sólido
que possuem propriedades
semelhantes ao ar.
Para ilustrar, na figura tem-se: a-
eletrodo ideal
no centro de uma sala uniformemente irradiada
(impraticável);b-
material equivalente
(ar comprimido num pequeno volume mantendo o
número de moléculas). Na realidade, são usados materiais leves como alumínio
e plásticos.
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Quando as paredes sólidas
da câmara são suficientemente espessas comparadas ao alcance dos elétrons secundários, é
atingido o equilíbrio
eletrônico,
onde o fluxo de elétrons que entra na câmara é
igual ao número que sai, independente da espessura adicional das paredes.Desconsiderando a atenuação dos raios-gama, a corrente de ionização medida independe da espessura das paredes.A tabela abaixo lista as espessuras
mínimas equivalentes para se garantir o
equilíbrio eletrônico.
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Para uma Câmara de Ionização ar-equivalente
a taxa de exposição
R em C/kg . s
é
dada pela razão entre a Corrente de Saturação Is
(amperes) e a massa M (kg) contida no volume ativo:
R = Is
/ M
A massa do ar
é
calculada pelo volume da câmara
e sua densidade nas CNTP,
M = 1,293 (kg/m3) . V . (P/Po) . (To
/T)
Onde:V = Volume da câmara;P = pressão do ar no interior da câmara;Po
= pressão padrão ( 760 mm Hg);T = temperatura do ar no interior da câmara;To
= temperatura padrão (273,15 K).
Em medidas
rotineiras, as taxas de exposições são da ordem de 10-3
roentgens/h (7,167 x 10-11
C/kg . s).
Dendo-se
V = 1000 cm3,
Is
(em Po
e
To
) é
igual a 9,27 x 10-14
A.
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Das equação anteriores: a corrente de saturação
esperada é proporcional
à
massa
de gás contida na câmara, que só
pode ser
aumentada expandindo-se o volume
ou aumentando a pressão.
Por isso, câmaras desenvolvidas para medição de pequenas taxas de exposição são operadas a pressões altas, de forma a garantir a sensibilidade necessária.
Nessas condições o Argônio é
geralmente empregado para diminuir a probabilidade de recombinações.
5 – Aplicações de Câmaras Iônicas DC
5.1 – Monitores de Radiação
Câmaras portáteis de vários desenhos são usadas em instrumentos de monitoração de radiação. Em geral tem volumes de ar confinado da ordem de centenas de cm3 e as correntes iônicas saturadas são medidas com circuitos eletrômetros que operam com baterias.As paredes em geral são de alumínio ou plástico.
Seguem exemplos:
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5.1 – Calibradores de Fontes Radioativas
Muitas das aplicações das Câmaras de Ionização tiram vantagem de suas excelentes condições de estabilidade. Quando operadas na região de saturação a corrente iônica depende apenas da geometria da fonte e do detector e permanecem estáveis por longos períodos. As doses radiativas de fontes de raios-gama podem ser calibradas pela comparação de sua atividade com a de fontes padrões.A estabilidade é
da ordem de ~ 0,1%
por anos, o que elimina a necessidade de calibrações frequentes.Uma geometria especial é
adotada
(tipo poço).
•Volume de ~103
cm3
•Paredes de aço ou latão•Eletrodos de Al ou Cu
fino
•Corrente de saturação para 1 µCi
de 60Co da ordem de 10-13A•Se pressurizada a 20 atm
Is
cerca de 20 vezes maior
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