propriedades gerais de detectores de radiaÇÃo · germânio hiper puro - hpge detector...
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PROPRIEDADES GERAIS DE
DETECTORES DE RADIAÇÃO
Claudio C. Conti
www.ccconti.com/instnuc
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Propriedades gerais de um detector
1. Para que seja possível a detecção é imprescindível que ocorra uma
interação da radiação com o material do detector.
2. O resultado final da interação deverá ser a produção de elétrons
para, através de uma diferença de potencial, que as cargas sejam
coletadas com a produção de um sinal elétrico.
)(ti
ct
ct
dttiQ0
)(
tempo
Carga gerada Corrente
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Propriedades gerais de um detector
Na situação real, muitos fótons interagem com o
detector em certo intervalo de tempo.
)(ti
tempo
A altura do pulso dependerá do número de elétrons liberados
que, por sua vez, dependerá da energia transferida para o
material do detector.
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Energia /par de íons (W) e fator de Fano (F)
Material W(eV)
Gases 30
NaI(Tl) 20
Ge 3
Material F
Gases 0.2
NaI(Tl) 1
Ge 0.05
W
EN NFN .2
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Modos de operação de detectores
Modo pulso
registra cada interação
individualmente
mede a energia não mede a energia
ESPECTROSCOPIA CONTADOR
Modo
corrente
mede a média da
corrente no tempo
Em campos de
radiação muito
altos, o modo
pulso é
impossível de ser
aplicado.
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Modos de operação de detectores
a. Modo correnteIDetector
tempo
I(t)
qW
ErrQI 0
r taxa de eventos
Q = Eq/W carga produzida por evento
E energia média depositada por evento
q 1.6E-19C
amperímetro
I(t)
I0
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Modos de operação de detectores
b. Modo pulso
tempo
V(t)
tc
Vmax
WC
Eq
C
QV max
Como q, W e C
(capacitância) são
constantes :
Vmax é proporcional a E.
Detector C R V(T)
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Sistema de medida de pulsos
detector
HV pré-amp. monocanalamp. contador
mV 0 a 10 V 5 V
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Resolução em energia
Para a identificação de radionuclídeos é necessário a medida da
distribuição em energia da radiação incidente:
ESPECTROSCOPIA DE RADIAÇÃO.
ctg
altura de pulso
resolução boa
resolução pobre
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Resolução em energia
H
FWHMR
35.2FWHM
y
y/2
H
FWHM
...2222
DRIFTRUÍDOCOESTATÍSITITOTAL FWHMFWHMFWHMFWHM
Duas energias são bem distinguidas quando a diferença entre elas seja
maior que uma FWHM.
ctg
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Resolução em energia - exemplo
44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56
0
10000
20000
30000
40000Pico de absorção total
2,2 keV em 50 KeV
Pu
lso
s p
or
ca
na
l
Energia (keV)
HPGe 0.1% Cintilador 5 – 10%
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Eficiência de detecção
Pode ser dividida em duas classes:
1. eficiência absoluta
2. eficiência intrínseca
emitidosfótonsdenúmero
pulsosdenúmeroabs
incidentesfótonsdenúmero
pulsosdenúmeroint
qf
q>f
absq > abs f
intq int f
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Geometria de detecção
Existe uma forte dependência entre dimensões da fonte e
distância do detector com a eficiência de detecção.
Ao determinar uma geometria de
contagem, esta deverá ser respeitada.
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ESPECTROMETRIA
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Espectroscopia gama
Análise quantitativa e qualitativa do radionuclídeo emissor gama.
Os principais detectores são:
1. Iodeto de Sódio – NaI(Tl) detector cintilador inorgânico;
baixo custo; alta eficiência; resolução pobre.
2. Germânio hiper puro - HPGe detector semicondutor; alto
custo para baixa eficiência; muito alto custo para alta
eficiência; ótima resolução.
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Espectros
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Efeito fotoelétrico
Efeito no qual o fóton desaparece transferindo toda a sua energia para um
elétron.
ligaçãoe EhvE
hv E
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Efeito Compton
hv E
Efeito no qual o fóton transfere parcialmente sua energia para um
elétron.
q
q
cos1/1
cos1/2
0
2
0
cmhv
cmhvhvEe
fpf0
pq
eC EhvE
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Produção de pares
hv E
Efeito no qual o fóton dá lugar ao aparecimento de dois elétrons.
2
02 cmhvEEee
2
02 cm
20
Efeitos do cristal – pequeno
dE
dN
Ehnhn20511
joelho Compton
Ec= hn -Ee(qp)
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Efeitos do cristal – grande
dE
dN
Ehn
22
espalhamento
m?últiplo
Efeitos do cristal – médio
dE
dN
Ehn
hn0511
hn20511
espalhamento
múltiplo
joelho Compton
Ec= hn -Ee(qp)
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Efeito da espessura
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Efeitos da blindagem
dE
dN
Ehn~0,2 keV 0,511 keV
12 3
1
2
3
raio X caracterísitico
retro espalhamento
aniquilamento
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Complicações no espectro
1. Escape de elétrons secundários
2. Escape de Bremsstrahlung
3. Escape de raio-X característico
4. Radiação secundária gerada perto da fonte
a. Radiação de aniquilamento
b. Bremsstrahlung
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Efeito soma60Co
2505
1332
0
100%
100%
Fontes muito próximas ao detector
efeito soma
aparecimento de um pico cuja
energia é a soma das energias dos
fótons envolvidos..
dE
dN
Ehn1hn2hn2hn1
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Efeitos em detector de germânio
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Área do fotopico
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Eficiência absoluta
kAiT
SE
...
área
tempo de
contagem
% de
emissãoAtividade
correção de
decaimento
30
Eficiência intrínseca
t
N
ε = eficiência do detector no fotopico ou
total (cps/γ/cm2);
N = taxa de contagem no fotopico ou total
(cps);
= fluxo emitido pela fonte ou que
incide sobre o detector (γ/cm2 .s);
t = tempo de contagem (s).
d4
e S =
2
d-
p
S = taxa de emissão da fonte
(γ/s);
μ = coeficiente de atenuação
linear total no ar (cm-1);
d = distância fonte-detector (cm).
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Curva de eficiência
Efi
ciên
cia
(cp
m/g
ama
cm-1
s-1
)
Energia (keV)
10 2 10 3
10 2
10 3
Curva de eficiência para o detector HPGe, obtida por modelagem; os
pontos representam os valores obtidos experimentalmente.
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Calibração em energia
121,79 493
244,69 985
344,27 1384
778,89 3125
867,32 3479
964,01 3866
1085,78 4354
1112,02 4459
1407,95 5644
y = 0,2497x - 1,2932
R² = 1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
ener
gia
canal
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Energia (MeV)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Co
nta
gem
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
Espectro para o 137Cs obtido experimentalmente e o espectro obtido por simulação para
a energia de 661,66keV. O espectro experimental foi obtido pela subtração do espectro
obtido por medida direta da fonte pelo espectro obtido com a blindagem de sombra
posicionada.
Experimental e simulação
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Espectro - NaI(Tl)
35
Espectro - HPGe
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SEMICONDUTORES
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O que é um semicondutor?
Nos materiais cristalinos há 3 bandas de energia: valência, condução e
proibida.
Banda de Valência Camada mais externa onde os elétrons estão
ligados à rede cristalina. Nesta banda os elétrons se localizam quando
não estão excitados.
Banda de Condução Banda em que os elétrons se encontram livres e
migram pelo cristal.
Banda Proibida Não é premitida a presença de elétrons.
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O que é um semicondutor?
isolante
banda de
condução
banda de
valência
> 5 eV
banda de
valência
banda de
condução
semicondutor
~ 1 eV
Nos metais o último
nível de energia
ocupado não está
completamente
cheio; os elétrons
podem migrar pelo
material, pois
necessitam de um
pequeno incremento
de energia.
condutor
banda de
condução
banda de
valência
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Portadores de carga
Os pares elétron-buraco se comportam como como os pares
elétron-íon nos gases.
40
Portadores de carga
41
Velocidade de deslocamento
V cm-1)
V cm-1)
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Semicondutor intrínseco
Semicondutores completamente puros apresentam o número de
elétrons na banda de condução exatamente igual ao número de buracos
na banda de valencia (devido apenas a excitação térmica).
ni=pi
Embora seja possível sua descrição teórica, não é obtido na prática
devido a inviabilidade deste grau de pureza.
A propriedades elétricas destes materiais são dominados pela impureza
residual.
elétrons buracos
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Semicondutor tipo N
Si Si Si
SiSi P
SiSi Si
doador de elétrons
banda de
valência
banda de
condução
semicondutor
Nível do
doador
dNn átomo
pentavalente
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Semicondutor tipo P
Si Si Si
SiSi B
SiSi Si
receptador de
elétrons
banda de
valência
banda de
condução
semicondutor
nível do
receptor
rNp átomo
trivalente
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Relação entre as concentrações de elétrons e buracos
1015
1010
105
intrínseco
ni = pi = 1010/cm3
tipo N
conc. doador=1015/cm3
tipo P
conc. receptador=1014/cm3
conc. de
elétrons
conc. de
buracos
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Junção P-N
tipo N tipo Pdoador receptador
tipo N tipo Pdoador receptador
tipo N tipo Pdoador receptador
região de depleção
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Região de depleção
tipo N tipo Pdoador receptador
d
eN
Vd
2
N = concentração do dopante
de menor concentração
V = HV
= energia de ionização
camada morta
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Barreira de superfície
49
Detector barreira de superfície
50
Detector barreira de superfície
51
Amostras
52
HPGe
contato P
contato N
Planar Coaxial
10-30cm3Volume do cristal até 750cm3
53
HPGe coaxial
lítio difuso 0.5 mm de espessura
boro implantado 0.3 m de espessura
50 keV
efic
iên
cia
(%)
5 keV
efic
iênci
a (%
)
54
HPGe
55
HPGe
56
Detector HPGe
57
Detector HPGe
58
Amostras
59
Amostras
Fim
60