Laboratoacuterio de Sistemas de Detecccedilatildeo Seminaacuterios do LSD

Paulo Marinho DSc

Coordenaccedilatildeo de Instalaccedilotildees Nucleares - CNEN

Coordenaccedilatildeo de Mateacuteria Condensada e Fiacutesica Aplicada - CBPF

Detectores a Gaacutes

Parte 1 Princiacutepio de Funcionamento

Rio de Janeiro Brasil

11 de Outubro de 2016

Toacutepicos

bull Interaccedilatildeo da Radiaccedilatildeo com a Mateacuteria

ndash Partiacuteculas Carregadas

bull Perda de Energia

ndash Radiaccedilatildeo Eletromagneacutetica (Foacutetons)

bull Efeito Fotoeleacutetrico

bull Efeito Compton

bull Criaccedilatildeo de Pares

bull Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases

bull Princiacutepio de Funcionamento de Detectores a Gaacutes

ndash Multiplicaccedilatildeo Gasosa

ndash Processos Secundaacuterios

ndash Misturas Gasosas

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

Espalhamento

Absorccedilatildeo

Transmissatildeo

Partiacuteculas carregadas (e- a p etc)

Eletromagneacutetica (raios X e g)

Necircutrons

Radiaccedilatildeo

A radiaccedilatildeo ao interagir com a mateacuteria podem provocar bull Excitaccedilatildeo Atocircmica ou Molecular

ndash Os eleacutetrons satildeo deslocados de seus orbitais de equiliacutebrio e ao retornarem

emitem a energia excedente sob a forma de luz ou raios X caracteriacutesticos

bull Ionizaccedilatildeo ndash Os eleacutetrons satildeo removidos dos orbitais pelas radiaccedilotildees resultando eleacutetrons

livres de alta energia iacuteons positivos ou radicais livres quando ocorrem quebra

de ligaccedilotildees quiacutemicas

bull Ativaccedilatildeo do Nuacutecleo ndash radiaccedilotildees com energia superior agrave energia de ligaccedilatildeo dos nucleons com um

material pode provocar reaccedilotildees nucleares resultando num nuacutecleo residual e

emissatildeo de radiaccedilatildeo Interaccedilotildees com necircutrons teacutermicos tambeacutem podem

deixar o nuacutecleo excitado

Perda de Energia

(Deposiccedilatildeo de energia)

Mateacuteria

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Perda de Energia

No trabalho de Allison e Cobb tem uma deduccedilatildeo da energia por ionizaccedilatildeo e da

intensidade da radiaccedilatildeo emitida considerando a interaccedilatildeo eletromagneacutetica de

uma partiacutecula carregada de massa M e velocidade v = βc num meio material de

iacutendice de refraccedilatildeo n e com constante dieleacutetrica complexa 120598 = 1205981 + 1198941205982 Em um

meio isotroacutepico e natildeo-magneacutetico a constante dieleacutetrica pode ser expressa em

termos de um iacutendice de refraccedilatildeo complexo 119899 = 1198991 + 1198941198992 com 120598 = 1198992 Neste

modelo a seccedilatildeo de choque diferencial por eleacutetron e por perda de energia dE da

partiacutecula carregada eacute dada por onde 120572 = 1198902 4120587휀0ℏ119888 = 1 137 eacute a

constante de estrutura fina 휀0 eacute a

constante dieleacutetrica complexa θ eacute a

fase da expressatildeo complexa

1 minus 12059811205732 + 1198941205982120573

2 120590120574 eacute a seccedilatildeo de

choque para a absorccedilatildeo de um

foacuteton de energia E pelos aacutetomos do

meio material 1198730 eacute o nuacutemero de

Avogadro e 119873 = 1198730120588119860 eacute a

densidade atocircmica

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Perda de Energia

120590120574 = 0 119907 gt 119888

Produccedilatildeo de Radiaccedilatildeo

Čerenkov

Probabilidade de

produzir um raio-120575

Perda de energia meacutedia

por unidade de percurso

de uma partiacutecula

carregada 119889119864

119889119909

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Foacutermula de Bethe-Bloch

Integrando a energia transferida E de um valor correspondente ao potencial meacutedio de ionizaccedilatildeo de

um aacutetomo ateacute a energia maacutexima transferida por colisatildeo (2119898119888212057321205742) e considerando 119864119894119901 ≫ 119898119890119888

Z e A satildeo o nuacutemero atocircmico e o

nuacutemero de massa dos aacutetomos

do meio material

119911119890 e 119907 = 120573119888 satildeo a carga e a

velocidade da partiacutecula

ionizante

119903119890 eacute o raio claacutessico do eleacutetron

I eacute o potencial efetivo de

ionizaccedilatildeo 119868 = 1611988509 (modelo

de Thomas-Fermi) Perda de energia expressa

pela foacutermula de Bethe-Bloch

para diferentes partiacuteculas

incidentes no meio composto

por Argocircnio em CNTP 119889119864

119889119909asymp 4119898119900119888

2

Partiacuteculas com

energia superiores

satildeo chamadas de

miacutenimo-ionizantes

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Criaccedilatildeo de Pares 119890 minus 119894119900119899+

Nos processos de perda de energia os aacutetomos do meio satildeo excitados e ionizados e a

distribuiccedilatildeo de energia dos eleacutetrons ejetados eacute proporcional a 1 1198642

Eleacutetrons com energias acima de 100eV satildeo suscetiacuteveis de ionizar os aacutetomos em

colisotildees secundaacuterias

O nuacutemero total de iacuteons liberados 119899119879 eacute proporcional agrave perda de energia ΔE e

inversamente proporcional agrave energia efetiva para criaccedilatildeo um par 119890 minus 119894119900119899+ 119882119894 119899119879 =∆119864

119882119894

Z e ρ satildeo o nuacutemero

atocircmico e a densidade

W eacute a energia meacutedia de

ionizaccedilatildeo

119889119864 119889119909119898119894119901 eacute a perda de

energia meacutedia de uma

partiacutecula miacutenimo ionizante

119899119875 pares eleacutetron-iacuteons

primaacuterios total criados

(pi =pares de iacuteons)

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Bremsstrahlung de eleacutetrons

Eleacutetrons de alta energia devido ao

baixo valor da massa eletrocircnica podem

tambeacutem perder energia pela emissatildeo

de foacutetons enquanto satildeo freados pelo

campo Coulombiano do nuacutecleo

No limite ultrarelativiacutestico a perda de energia meacutedia de um eleacutetron por

Bremsstrahlung num meio de espessura dx eacute

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

1198680 119868

119909

120590119890119891 120590119890119888 e 120590119888119901 satildeo as seccedilotildees de

choque para absorccedilatildeo do foacuteton

por Efeito Fotoeleacutetrico Efeito

Compton e Criaccedilatildeo de Pares

respectivamente

Intensidade emergente

Coeficiente de Absorccedilatildeo

ArXeCO2 (641620)

O efeito fotoeleacutetrico eacute o mecanismo

dominante para foacutetons de energia

entre 1 e 100keV (Faixa de

operaccedilatildeo dos detectores a gaacutes)

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

Pelas leis de conservaccedilatildeo da energia e do momento se

deduz que o efeito fotoeleacutetrico somente pode ocorrer com

eleacutetrons fortemente ligados ao nuacutecleo (Camadas K (80) L

e M) A energia do fotoeleacutetron gerado eacute

A seccedilatildeo de choque em funccedilatildeo da energia reduzida do foacuteton 휀 em um intervalo de

energia entre a camada K e 휀 = 1

119864119890 = 119864120574 minus 119864119868 = h120584 minus 119864119868 119864119890

119864120574

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

bull Raio-X caracteriacutestico e Eleacutetron Auger

bull Apoacutes a emissatildeo do fotoeleacutetron o aacutetomo

apresentaraacute uma vacacircncia

bull Um eleacutetron de uma camada vizinha preenche

essa vacacircncia emitindo um fotoacuten de energia

caracteriacutestica

bull Este raio-X caracteriacutestico poderaacute transmitir

energia a outro eleacutetron de uma camada mais

externa

bull Este eleacutetron eacute entatildeo ejetado e denominado

Eleacutetron Auger

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Compton (120574 + 119890minus rarr 120574 + 119890minus)

A seccedilatildeo de choque para o espalhamento Compton σec por eleacutetron eacute dada pela

foacutermula de Klein-Nishina

119864119890

119864120574prime

120579 119864120574

Para 119864120574 ≫ 119864119868 pode considerar

como uma colisatildeo elaacutestica entre o

foacuteton e um eleacutetron lsquolivrersquo (camada

mais externa) A energia do fotoacuten

espalhado

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Criaccedilatildeo de Pares (120574 + 119899119906119888119897119890119900 rarr 119890minus + 119890+ + 119899119906119888119897119890119900)

A seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo para criaccedilatildeo de pares

Quando a energia do foacuteton incidente

eacute superior a 1022MeV (duas vezes

a massa de repouso do eleacutetron) ele

pode interagir com o nuacutecleo do

aacutetomo e criar um par 119890minus minus 119890+ e sua

energia eacute repartida entre as duas

partiacuteculas criadas

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na ausecircncia de Campo Eleacutetrico (119864 = 0)

A difusatildeo seraacute uma distribuiccedilatildeo gaussiana

Na ausecircncia de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons e iacuteons gerados pela ionizaccedilatildeo

primaacuteria possuem um movimento aleatoacuterio

cuja a energia meacutedia eacute

119864 =3

2119896119879

A distribuiccedilatildeo de energia dos portadores de

carga (Maxwell-Boltzmann) F(ε) = 119862 휀 119890minus

120576

119896119879

k eacute a constante de Boltzmann e T (K)

119889119873

119873=

1

4120587119863119905119890minus(1199092 4119863119905 )119889119909 D eacute o coeficiente de difusatildeo

A desvio padratildeo em uma dimensatildeo 120590119909 = 2119863119909

119907119889

Considerando a difusatildeo em um elemento de volume 120590119881 = 6119863119909

119907119889= 3120590119909

119907119889 eacute a velocidade de arrasto

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Utilizando a equaccedilatildeo da continuidade

Na presenccedila de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons arrastados podem ser descritos por

seu movimento aleatoacuterio e por seu movimento

coletivo A densidade de corrente total

D eacute o coeficiente de difusatildeo

Soluccedilatildeo

120588(119909 119909) eacute a densidade de carga 119907119889 eacute a velocidade de arrasto

119864

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

Obrigado

prbmarinhogmailcom

pmarinhocnengovbr

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

Espalhamento

Absorccedilatildeo

Transmissatildeo

Partiacuteculas carregadas (e- a p etc)

Eletromagneacutetica (raios X e g)

Necircutrons

Radiaccedilatildeo

A radiaccedilatildeo ao interagir com a mateacuteria podem provocar bull Excitaccedilatildeo Atocircmica ou Molecular

ndash Os eleacutetrons satildeo deslocados de seus orbitais de equiliacutebrio e ao retornarem

emitem a energia excedente sob a forma de luz ou raios X caracteriacutesticos

bull Ionizaccedilatildeo ndash Os eleacutetrons satildeo removidos dos orbitais pelas radiaccedilotildees resultando eleacutetrons

livres de alta energia iacuteons positivos ou radicais livres quando ocorrem quebra

de ligaccedilotildees quiacutemicas

bull Ativaccedilatildeo do Nuacutecleo ndash radiaccedilotildees com energia superior agrave energia de ligaccedilatildeo dos nucleons com um

material pode provocar reaccedilotildees nucleares resultando num nuacutecleo residual e

emissatildeo de radiaccedilatildeo Interaccedilotildees com necircutrons teacutermicos tambeacutem podem

deixar o nuacutecleo excitado

Perda de Energia

(Deposiccedilatildeo de energia)

Mateacuteria

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Perda de Energia

No trabalho de Allison e Cobb tem uma deduccedilatildeo da energia por ionizaccedilatildeo e da

intensidade da radiaccedilatildeo emitida considerando a interaccedilatildeo eletromagneacutetica de

uma partiacutecula carregada de massa M e velocidade v = βc num meio material de

iacutendice de refraccedilatildeo n e com constante dieleacutetrica complexa 120598 = 1205981 + 1198941205982 Em um

meio isotroacutepico e natildeo-magneacutetico a constante dieleacutetrica pode ser expressa em

termos de um iacutendice de refraccedilatildeo complexo 119899 = 1198991 + 1198941198992 com 120598 = 1198992 Neste

modelo a seccedilatildeo de choque diferencial por eleacutetron e por perda de energia dE da

partiacutecula carregada eacute dada por onde 120572 = 1198902 4120587휀0ℏ119888 = 1 137 eacute a

constante de estrutura fina 휀0 eacute a

constante dieleacutetrica complexa θ eacute a

fase da expressatildeo complexa

1 minus 12059811205732 + 1198941205982120573

2 120590120574 eacute a seccedilatildeo de

choque para a absorccedilatildeo de um

foacuteton de energia E pelos aacutetomos do

meio material 1198730 eacute o nuacutemero de

Avogadro e 119873 = 1198730120588119860 eacute a

densidade atocircmica

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Perda de Energia

120590120574 = 0 119907 gt 119888

Produccedilatildeo de Radiaccedilatildeo

Čerenkov

Probabilidade de

produzir um raio-120575

Perda de energia meacutedia

por unidade de percurso

de uma partiacutecula

carregada 119889119864

119889119909

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Foacutermula de Bethe-Bloch

Integrando a energia transferida E de um valor correspondente ao potencial meacutedio de ionizaccedilatildeo de

um aacutetomo ateacute a energia maacutexima transferida por colisatildeo (2119898119888212057321205742) e considerando 119864119894119901 ≫ 119898119890119888

Z e A satildeo o nuacutemero atocircmico e o

nuacutemero de massa dos aacutetomos

do meio material

119911119890 e 119907 = 120573119888 satildeo a carga e a

velocidade da partiacutecula

ionizante

119903119890 eacute o raio claacutessico do eleacutetron

I eacute o potencial efetivo de

ionizaccedilatildeo 119868 = 1611988509 (modelo

de Thomas-Fermi) Perda de energia expressa

pela foacutermula de Bethe-Bloch

para diferentes partiacuteculas

incidentes no meio composto

por Argocircnio em CNTP 119889119864

119889119909asymp 4119898119900119888

2

Partiacuteculas com

energia superiores

satildeo chamadas de

miacutenimo-ionizantes

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Criaccedilatildeo de Pares 119890 minus 119894119900119899+

Nos processos de perda de energia os aacutetomos do meio satildeo excitados e ionizados e a

distribuiccedilatildeo de energia dos eleacutetrons ejetados eacute proporcional a 1 1198642

Eleacutetrons com energias acima de 100eV satildeo suscetiacuteveis de ionizar os aacutetomos em

colisotildees secundaacuterias

O nuacutemero total de iacuteons liberados 119899119879 eacute proporcional agrave perda de energia ΔE e

inversamente proporcional agrave energia efetiva para criaccedilatildeo um par 119890 minus 119894119900119899+ 119882119894 119899119879 =∆119864

119882119894

Z e ρ satildeo o nuacutemero

atocircmico e a densidade

W eacute a energia meacutedia de

ionizaccedilatildeo

119889119864 119889119909119898119894119901 eacute a perda de

energia meacutedia de uma

partiacutecula miacutenimo ionizante

119899119875 pares eleacutetron-iacuteons

primaacuterios total criados

(pi =pares de iacuteons)

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Bremsstrahlung de eleacutetrons

Eleacutetrons de alta energia devido ao

baixo valor da massa eletrocircnica podem

tambeacutem perder energia pela emissatildeo

de foacutetons enquanto satildeo freados pelo

campo Coulombiano do nuacutecleo

No limite ultrarelativiacutestico a perda de energia meacutedia de um eleacutetron por

Bremsstrahlung num meio de espessura dx eacute

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

1198680 119868

119909

120590119890119891 120590119890119888 e 120590119888119901 satildeo as seccedilotildees de

choque para absorccedilatildeo do foacuteton

por Efeito Fotoeleacutetrico Efeito

Compton e Criaccedilatildeo de Pares

respectivamente

Intensidade emergente

Coeficiente de Absorccedilatildeo

ArXeCO2 (641620)

O efeito fotoeleacutetrico eacute o mecanismo

dominante para foacutetons de energia

entre 1 e 100keV (Faixa de

operaccedilatildeo dos detectores a gaacutes)

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

Pelas leis de conservaccedilatildeo da energia e do momento se

deduz que o efeito fotoeleacutetrico somente pode ocorrer com

eleacutetrons fortemente ligados ao nuacutecleo (Camadas K (80) L

e M) A energia do fotoeleacutetron gerado eacute

A seccedilatildeo de choque em funccedilatildeo da energia reduzida do foacuteton 휀 em um intervalo de

energia entre a camada K e 휀 = 1

119864119890 = 119864120574 minus 119864119868 = h120584 minus 119864119868 119864119890

119864120574

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

bull Raio-X caracteriacutestico e Eleacutetron Auger

bull Apoacutes a emissatildeo do fotoeleacutetron o aacutetomo

apresentaraacute uma vacacircncia

bull Um eleacutetron de uma camada vizinha preenche

essa vacacircncia emitindo um fotoacuten de energia

caracteriacutestica

bull Este raio-X caracteriacutestico poderaacute transmitir

energia a outro eleacutetron de uma camada mais

externa

bull Este eleacutetron eacute entatildeo ejetado e denominado

Eleacutetron Auger

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Compton (120574 + 119890minus rarr 120574 + 119890minus)

A seccedilatildeo de choque para o espalhamento Compton σec por eleacutetron eacute dada pela

foacutermula de Klein-Nishina

119864119890

119864120574prime

120579 119864120574

Para 119864120574 ≫ 119864119868 pode considerar

como uma colisatildeo elaacutestica entre o

foacuteton e um eleacutetron lsquolivrersquo (camada

mais externa) A energia do fotoacuten

espalhado

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Criaccedilatildeo de Pares (120574 + 119899119906119888119897119890119900 rarr 119890minus + 119890+ + 119899119906119888119897119890119900)

A seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo para criaccedilatildeo de pares

Quando a energia do foacuteton incidente

eacute superior a 1022MeV (duas vezes

a massa de repouso do eleacutetron) ele

pode interagir com o nuacutecleo do

aacutetomo e criar um par 119890minus minus 119890+ e sua

energia eacute repartida entre as duas

partiacuteculas criadas

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na ausecircncia de Campo Eleacutetrico (119864 = 0)

A difusatildeo seraacute uma distribuiccedilatildeo gaussiana

Na ausecircncia de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons e iacuteons gerados pela ionizaccedilatildeo

primaacuteria possuem um movimento aleatoacuterio

cuja a energia meacutedia eacute

119864 =3

2119896119879

A distribuiccedilatildeo de energia dos portadores de

carga (Maxwell-Boltzmann) F(ε) = 119862 휀 119890minus

120576

119896119879

k eacute a constante de Boltzmann e T (K)

119889119873

119873=

1

4120587119863119905119890minus(1199092 4119863119905 )119889119909 D eacute o coeficiente de difusatildeo

A desvio padratildeo em uma dimensatildeo 120590119909 = 2119863119909

119907119889

Considerando a difusatildeo em um elemento de volume 120590119881 = 6119863119909

119907119889= 3120590119909

119907119889 eacute a velocidade de arrasto

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Utilizando a equaccedilatildeo da continuidade

Na presenccedila de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons arrastados podem ser descritos por

seu movimento aleatoacuterio e por seu movimento

coletivo A densidade de corrente total

D eacute o coeficiente de difusatildeo

Soluccedilatildeo

120588(119909 119909) eacute a densidade de carga 119907119889 eacute a velocidade de arrasto

119864

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

Obrigado

prbmarinhogmailcom

pmarinhocnengovbr

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Perda de Energia

No trabalho de Allison e Cobb tem uma deduccedilatildeo da energia por ionizaccedilatildeo e da

intensidade da radiaccedilatildeo emitida considerando a interaccedilatildeo eletromagneacutetica de

uma partiacutecula carregada de massa M e velocidade v = βc num meio material de

iacutendice de refraccedilatildeo n e com constante dieleacutetrica complexa 120598 = 1205981 + 1198941205982 Em um

meio isotroacutepico e natildeo-magneacutetico a constante dieleacutetrica pode ser expressa em

termos de um iacutendice de refraccedilatildeo complexo 119899 = 1198991 + 1198941198992 com 120598 = 1198992 Neste

modelo a seccedilatildeo de choque diferencial por eleacutetron e por perda de energia dE da

partiacutecula carregada eacute dada por onde 120572 = 1198902 4120587휀0ℏ119888 = 1 137 eacute a

constante de estrutura fina 휀0 eacute a

constante dieleacutetrica complexa θ eacute a

fase da expressatildeo complexa

1 minus 12059811205732 + 1198941205982120573

2 120590120574 eacute a seccedilatildeo de

choque para a absorccedilatildeo de um

foacuteton de energia E pelos aacutetomos do

meio material 1198730 eacute o nuacutemero de

Avogadro e 119873 = 1198730120588119860 eacute a

densidade atocircmica

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Perda de Energia

120590120574 = 0 119907 gt 119888

Produccedilatildeo de Radiaccedilatildeo

Čerenkov

Probabilidade de

produzir um raio-120575

Perda de energia meacutedia

por unidade de percurso

de uma partiacutecula

carregada 119889119864

119889119909

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Foacutermula de Bethe-Bloch

Integrando a energia transferida E de um valor correspondente ao potencial meacutedio de ionizaccedilatildeo de

um aacutetomo ateacute a energia maacutexima transferida por colisatildeo (2119898119888212057321205742) e considerando 119864119894119901 ≫ 119898119890119888

Z e A satildeo o nuacutemero atocircmico e o

nuacutemero de massa dos aacutetomos

do meio material

119911119890 e 119907 = 120573119888 satildeo a carga e a

velocidade da partiacutecula

ionizante

119903119890 eacute o raio claacutessico do eleacutetron

I eacute o potencial efetivo de

ionizaccedilatildeo 119868 = 1611988509 (modelo

de Thomas-Fermi) Perda de energia expressa

pela foacutermula de Bethe-Bloch

para diferentes partiacuteculas

incidentes no meio composto

por Argocircnio em CNTP 119889119864

119889119909asymp 4119898119900119888

2

Partiacuteculas com

energia superiores

satildeo chamadas de

miacutenimo-ionizantes

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Criaccedilatildeo de Pares 119890 minus 119894119900119899+

Nos processos de perda de energia os aacutetomos do meio satildeo excitados e ionizados e a

distribuiccedilatildeo de energia dos eleacutetrons ejetados eacute proporcional a 1 1198642

Eleacutetrons com energias acima de 100eV satildeo suscetiacuteveis de ionizar os aacutetomos em

colisotildees secundaacuterias

O nuacutemero total de iacuteons liberados 119899119879 eacute proporcional agrave perda de energia ΔE e

inversamente proporcional agrave energia efetiva para criaccedilatildeo um par 119890 minus 119894119900119899+ 119882119894 119899119879 =∆119864

119882119894

Z e ρ satildeo o nuacutemero

atocircmico e a densidade

W eacute a energia meacutedia de

ionizaccedilatildeo

119889119864 119889119909119898119894119901 eacute a perda de

energia meacutedia de uma

partiacutecula miacutenimo ionizante

119899119875 pares eleacutetron-iacuteons

primaacuterios total criados

(pi =pares de iacuteons)

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Bremsstrahlung de eleacutetrons

Eleacutetrons de alta energia devido ao

baixo valor da massa eletrocircnica podem

tambeacutem perder energia pela emissatildeo

de foacutetons enquanto satildeo freados pelo

campo Coulombiano do nuacutecleo

No limite ultrarelativiacutestico a perda de energia meacutedia de um eleacutetron por

Bremsstrahlung num meio de espessura dx eacute

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

1198680 119868

119909

120590119890119891 120590119890119888 e 120590119888119901 satildeo as seccedilotildees de

choque para absorccedilatildeo do foacuteton

por Efeito Fotoeleacutetrico Efeito

Compton e Criaccedilatildeo de Pares

respectivamente

Intensidade emergente

Coeficiente de Absorccedilatildeo

ArXeCO2 (641620)

O efeito fotoeleacutetrico eacute o mecanismo

dominante para foacutetons de energia

entre 1 e 100keV (Faixa de

operaccedilatildeo dos detectores a gaacutes)

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

Pelas leis de conservaccedilatildeo da energia e do momento se

deduz que o efeito fotoeleacutetrico somente pode ocorrer com

eleacutetrons fortemente ligados ao nuacutecleo (Camadas K (80) L

e M) A energia do fotoeleacutetron gerado eacute

A seccedilatildeo de choque em funccedilatildeo da energia reduzida do foacuteton 휀 em um intervalo de

energia entre a camada K e 휀 = 1

119864119890 = 119864120574 minus 119864119868 = h120584 minus 119864119868 119864119890

119864120574

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

bull Raio-X caracteriacutestico e Eleacutetron Auger

bull Apoacutes a emissatildeo do fotoeleacutetron o aacutetomo

apresentaraacute uma vacacircncia

bull Um eleacutetron de uma camada vizinha preenche

essa vacacircncia emitindo um fotoacuten de energia

caracteriacutestica

bull Este raio-X caracteriacutestico poderaacute transmitir

energia a outro eleacutetron de uma camada mais

externa

bull Este eleacutetron eacute entatildeo ejetado e denominado

Eleacutetron Auger

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Compton (120574 + 119890minus rarr 120574 + 119890minus)

A seccedilatildeo de choque para o espalhamento Compton σec por eleacutetron eacute dada pela

foacutermula de Klein-Nishina

119864119890

119864120574prime

120579 119864120574

Para 119864120574 ≫ 119864119868 pode considerar

como uma colisatildeo elaacutestica entre o

foacuteton e um eleacutetron lsquolivrersquo (camada

mais externa) A energia do fotoacuten

espalhado

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Criaccedilatildeo de Pares (120574 + 119899119906119888119897119890119900 rarr 119890minus + 119890+ + 119899119906119888119897119890119900)

A seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo para criaccedilatildeo de pares

Quando a energia do foacuteton incidente

eacute superior a 1022MeV (duas vezes

a massa de repouso do eleacutetron) ele

pode interagir com o nuacutecleo do

aacutetomo e criar um par 119890minus minus 119890+ e sua

energia eacute repartida entre as duas

partiacuteculas criadas

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na ausecircncia de Campo Eleacutetrico (119864 = 0)

A difusatildeo seraacute uma distribuiccedilatildeo gaussiana

Na ausecircncia de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons e iacuteons gerados pela ionizaccedilatildeo

primaacuteria possuem um movimento aleatoacuterio

cuja a energia meacutedia eacute

119864 =3

2119896119879

A distribuiccedilatildeo de energia dos portadores de

carga (Maxwell-Boltzmann) F(ε) = 119862 휀 119890minus

120576

119896119879

k eacute a constante de Boltzmann e T (K)

119889119873

119873=

1

4120587119863119905119890minus(1199092 4119863119905 )119889119909 D eacute o coeficiente de difusatildeo

A desvio padratildeo em uma dimensatildeo 120590119909 = 2119863119909

119907119889

Considerando a difusatildeo em um elemento de volume 120590119881 = 6119863119909

119907119889= 3120590119909

119907119889 eacute a velocidade de arrasto

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Utilizando a equaccedilatildeo da continuidade

Na presenccedila de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons arrastados podem ser descritos por

seu movimento aleatoacuterio e por seu movimento

coletivo A densidade de corrente total

D eacute o coeficiente de difusatildeo

Soluccedilatildeo

120588(119909 119909) eacute a densidade de carga 119907119889 eacute a velocidade de arrasto

119864

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

Obrigado

prbmarinhogmailcom

pmarinhocnengovbr

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Perda de Energia

120590120574 = 0 119907 gt 119888

Produccedilatildeo de Radiaccedilatildeo

Čerenkov

Probabilidade de

produzir um raio-120575

Perda de energia meacutedia

por unidade de percurso

de uma partiacutecula

carregada 119889119864

119889119909

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Foacutermula de Bethe-Bloch

Integrando a energia transferida E de um valor correspondente ao potencial meacutedio de ionizaccedilatildeo de

um aacutetomo ateacute a energia maacutexima transferida por colisatildeo (2119898119888212057321205742) e considerando 119864119894119901 ≫ 119898119890119888

Z e A satildeo o nuacutemero atocircmico e o

nuacutemero de massa dos aacutetomos

do meio material

119911119890 e 119907 = 120573119888 satildeo a carga e a

velocidade da partiacutecula

ionizante

119903119890 eacute o raio claacutessico do eleacutetron

I eacute o potencial efetivo de

ionizaccedilatildeo 119868 = 1611988509 (modelo

de Thomas-Fermi) Perda de energia expressa

pela foacutermula de Bethe-Bloch

para diferentes partiacuteculas

incidentes no meio composto

por Argocircnio em CNTP 119889119864

119889119909asymp 4119898119900119888

2

Partiacuteculas com

energia superiores

satildeo chamadas de

miacutenimo-ionizantes

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Criaccedilatildeo de Pares 119890 minus 119894119900119899+

Nos processos de perda de energia os aacutetomos do meio satildeo excitados e ionizados e a

distribuiccedilatildeo de energia dos eleacutetrons ejetados eacute proporcional a 1 1198642

Eleacutetrons com energias acima de 100eV satildeo suscetiacuteveis de ionizar os aacutetomos em

colisotildees secundaacuterias

O nuacutemero total de iacuteons liberados 119899119879 eacute proporcional agrave perda de energia ΔE e

inversamente proporcional agrave energia efetiva para criaccedilatildeo um par 119890 minus 119894119900119899+ 119882119894 119899119879 =∆119864

119882119894

Z e ρ satildeo o nuacutemero

atocircmico e a densidade

W eacute a energia meacutedia de

ionizaccedilatildeo

119889119864 119889119909119898119894119901 eacute a perda de

energia meacutedia de uma

partiacutecula miacutenimo ionizante

119899119875 pares eleacutetron-iacuteons

primaacuterios total criados

(pi =pares de iacuteons)

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Bremsstrahlung de eleacutetrons

Eleacutetrons de alta energia devido ao

baixo valor da massa eletrocircnica podem

tambeacutem perder energia pela emissatildeo

de foacutetons enquanto satildeo freados pelo

campo Coulombiano do nuacutecleo

No limite ultrarelativiacutestico a perda de energia meacutedia de um eleacutetron por

Bremsstrahlung num meio de espessura dx eacute

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

1198680 119868

119909

120590119890119891 120590119890119888 e 120590119888119901 satildeo as seccedilotildees de

choque para absorccedilatildeo do foacuteton

por Efeito Fotoeleacutetrico Efeito

Compton e Criaccedilatildeo de Pares

respectivamente

Intensidade emergente

Coeficiente de Absorccedilatildeo

ArXeCO2 (641620)

O efeito fotoeleacutetrico eacute o mecanismo

dominante para foacutetons de energia

entre 1 e 100keV (Faixa de

operaccedilatildeo dos detectores a gaacutes)

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

Pelas leis de conservaccedilatildeo da energia e do momento se

deduz que o efeito fotoeleacutetrico somente pode ocorrer com

eleacutetrons fortemente ligados ao nuacutecleo (Camadas K (80) L

e M) A energia do fotoeleacutetron gerado eacute

A seccedilatildeo de choque em funccedilatildeo da energia reduzida do foacuteton 휀 em um intervalo de

energia entre a camada K e 휀 = 1

119864119890 = 119864120574 minus 119864119868 = h120584 minus 119864119868 119864119890

119864120574

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

bull Raio-X caracteriacutestico e Eleacutetron Auger

bull Apoacutes a emissatildeo do fotoeleacutetron o aacutetomo

apresentaraacute uma vacacircncia

bull Um eleacutetron de uma camada vizinha preenche

essa vacacircncia emitindo um fotoacuten de energia

caracteriacutestica

bull Este raio-X caracteriacutestico poderaacute transmitir

energia a outro eleacutetron de uma camada mais

externa

bull Este eleacutetron eacute entatildeo ejetado e denominado

Eleacutetron Auger

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Compton (120574 + 119890minus rarr 120574 + 119890minus)

A seccedilatildeo de choque para o espalhamento Compton σec por eleacutetron eacute dada pela

foacutermula de Klein-Nishina

119864119890

119864120574prime

120579 119864120574

Para 119864120574 ≫ 119864119868 pode considerar

como uma colisatildeo elaacutestica entre o

foacuteton e um eleacutetron lsquolivrersquo (camada

mais externa) A energia do fotoacuten

espalhado

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Criaccedilatildeo de Pares (120574 + 119899119906119888119897119890119900 rarr 119890minus + 119890+ + 119899119906119888119897119890119900)

A seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo para criaccedilatildeo de pares

Quando a energia do foacuteton incidente

eacute superior a 1022MeV (duas vezes

a massa de repouso do eleacutetron) ele

pode interagir com o nuacutecleo do

aacutetomo e criar um par 119890minus minus 119890+ e sua

energia eacute repartida entre as duas

partiacuteculas criadas

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na ausecircncia de Campo Eleacutetrico (119864 = 0)

A difusatildeo seraacute uma distribuiccedilatildeo gaussiana

Na ausecircncia de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons e iacuteons gerados pela ionizaccedilatildeo

primaacuteria possuem um movimento aleatoacuterio

cuja a energia meacutedia eacute

119864 =3

2119896119879

A distribuiccedilatildeo de energia dos portadores de

carga (Maxwell-Boltzmann) F(ε) = 119862 휀 119890minus

120576

119896119879

k eacute a constante de Boltzmann e T (K)

119889119873

119873=

1

4120587119863119905119890minus(1199092 4119863119905 )119889119909 D eacute o coeficiente de difusatildeo

A desvio padratildeo em uma dimensatildeo 120590119909 = 2119863119909

119907119889

Considerando a difusatildeo em um elemento de volume 120590119881 = 6119863119909

119907119889= 3120590119909

119907119889 eacute a velocidade de arrasto

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Utilizando a equaccedilatildeo da continuidade

Na presenccedila de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons arrastados podem ser descritos por

seu movimento aleatoacuterio e por seu movimento

coletivo A densidade de corrente total

D eacute o coeficiente de difusatildeo

Soluccedilatildeo

120588(119909 119909) eacute a densidade de carga 119907119889 eacute a velocidade de arrasto

119864

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

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Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Foacutermula de Bethe-Bloch

Integrando a energia transferida E de um valor correspondente ao potencial meacutedio de ionizaccedilatildeo de

um aacutetomo ateacute a energia maacutexima transferida por colisatildeo (2119898119888212057321205742) e considerando 119864119894119901 ≫ 119898119890119888

Z e A satildeo o nuacutemero atocircmico e o

nuacutemero de massa dos aacutetomos

do meio material

119911119890 e 119907 = 120573119888 satildeo a carga e a

velocidade da partiacutecula

ionizante

119903119890 eacute o raio claacutessico do eleacutetron

I eacute o potencial efetivo de

ionizaccedilatildeo 119868 = 1611988509 (modelo

de Thomas-Fermi) Perda de energia expressa

pela foacutermula de Bethe-Bloch

para diferentes partiacuteculas

incidentes no meio composto

por Argocircnio em CNTP 119889119864

119889119909asymp 4119898119900119888

2

Partiacuteculas com

energia superiores

satildeo chamadas de

miacutenimo-ionizantes

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Criaccedilatildeo de Pares 119890 minus 119894119900119899+

Nos processos de perda de energia os aacutetomos do meio satildeo excitados e ionizados e a

distribuiccedilatildeo de energia dos eleacutetrons ejetados eacute proporcional a 1 1198642

Eleacutetrons com energias acima de 100eV satildeo suscetiacuteveis de ionizar os aacutetomos em

colisotildees secundaacuterias

O nuacutemero total de iacuteons liberados 119899119879 eacute proporcional agrave perda de energia ΔE e

inversamente proporcional agrave energia efetiva para criaccedilatildeo um par 119890 minus 119894119900119899+ 119882119894 119899119879 =∆119864

119882119894

Z e ρ satildeo o nuacutemero

atocircmico e a densidade

W eacute a energia meacutedia de

ionizaccedilatildeo

119889119864 119889119909119898119894119901 eacute a perda de

energia meacutedia de uma

partiacutecula miacutenimo ionizante

119899119875 pares eleacutetron-iacuteons

primaacuterios total criados

(pi =pares de iacuteons)

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Bremsstrahlung de eleacutetrons

Eleacutetrons de alta energia devido ao

baixo valor da massa eletrocircnica podem

tambeacutem perder energia pela emissatildeo

de foacutetons enquanto satildeo freados pelo

campo Coulombiano do nuacutecleo

No limite ultrarelativiacutestico a perda de energia meacutedia de um eleacutetron por

Bremsstrahlung num meio de espessura dx eacute

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

1198680 119868

119909

120590119890119891 120590119890119888 e 120590119888119901 satildeo as seccedilotildees de

choque para absorccedilatildeo do foacuteton

por Efeito Fotoeleacutetrico Efeito

Compton e Criaccedilatildeo de Pares

respectivamente

Intensidade emergente

Coeficiente de Absorccedilatildeo

ArXeCO2 (641620)

O efeito fotoeleacutetrico eacute o mecanismo

dominante para foacutetons de energia

entre 1 e 100keV (Faixa de

operaccedilatildeo dos detectores a gaacutes)

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

Pelas leis de conservaccedilatildeo da energia e do momento se

deduz que o efeito fotoeleacutetrico somente pode ocorrer com

eleacutetrons fortemente ligados ao nuacutecleo (Camadas K (80) L

e M) A energia do fotoeleacutetron gerado eacute

A seccedilatildeo de choque em funccedilatildeo da energia reduzida do foacuteton 휀 em um intervalo de

energia entre a camada K e 휀 = 1

119864119890 = 119864120574 minus 119864119868 = h120584 minus 119864119868 119864119890

119864120574

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

bull Raio-X caracteriacutestico e Eleacutetron Auger

bull Apoacutes a emissatildeo do fotoeleacutetron o aacutetomo

apresentaraacute uma vacacircncia

bull Um eleacutetron de uma camada vizinha preenche

essa vacacircncia emitindo um fotoacuten de energia

caracteriacutestica

bull Este raio-X caracteriacutestico poderaacute transmitir

energia a outro eleacutetron de uma camada mais

externa

bull Este eleacutetron eacute entatildeo ejetado e denominado

Eleacutetron Auger

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Compton (120574 + 119890minus rarr 120574 + 119890minus)

A seccedilatildeo de choque para o espalhamento Compton σec por eleacutetron eacute dada pela

foacutermula de Klein-Nishina

119864119890

119864120574prime

120579 119864120574

Para 119864120574 ≫ 119864119868 pode considerar

como uma colisatildeo elaacutestica entre o

foacuteton e um eleacutetron lsquolivrersquo (camada

mais externa) A energia do fotoacuten

espalhado

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Criaccedilatildeo de Pares (120574 + 119899119906119888119897119890119900 rarr 119890minus + 119890+ + 119899119906119888119897119890119900)

A seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo para criaccedilatildeo de pares

Quando a energia do foacuteton incidente

eacute superior a 1022MeV (duas vezes

a massa de repouso do eleacutetron) ele

pode interagir com o nuacutecleo do

aacutetomo e criar um par 119890minus minus 119890+ e sua

energia eacute repartida entre as duas

partiacuteculas criadas

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na ausecircncia de Campo Eleacutetrico (119864 = 0)

A difusatildeo seraacute uma distribuiccedilatildeo gaussiana

Na ausecircncia de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons e iacuteons gerados pela ionizaccedilatildeo

primaacuteria possuem um movimento aleatoacuterio

cuja a energia meacutedia eacute

119864 =3

2119896119879

A distribuiccedilatildeo de energia dos portadores de

carga (Maxwell-Boltzmann) F(ε) = 119862 휀 119890minus

120576

119896119879

k eacute a constante de Boltzmann e T (K)

119889119873

119873=

1

4120587119863119905119890minus(1199092 4119863119905 )119889119909 D eacute o coeficiente de difusatildeo

A desvio padratildeo em uma dimensatildeo 120590119909 = 2119863119909

119907119889

Considerando a difusatildeo em um elemento de volume 120590119881 = 6119863119909

119907119889= 3120590119909

119907119889 eacute a velocidade de arrasto

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Utilizando a equaccedilatildeo da continuidade

Na presenccedila de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons arrastados podem ser descritos por

seu movimento aleatoacuterio e por seu movimento

coletivo A densidade de corrente total

D eacute o coeficiente de difusatildeo

Soluccedilatildeo

120588(119909 119909) eacute a densidade de carga 119907119889 eacute a velocidade de arrasto

119864

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

Obrigado

prbmarinhogmailcom

pmarinhocnengovbr

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Criaccedilatildeo de Pares 119890 minus 119894119900119899+

Nos processos de perda de energia os aacutetomos do meio satildeo excitados e ionizados e a

distribuiccedilatildeo de energia dos eleacutetrons ejetados eacute proporcional a 1 1198642

Eleacutetrons com energias acima de 100eV satildeo suscetiacuteveis de ionizar os aacutetomos em

colisotildees secundaacuterias

O nuacutemero total de iacuteons liberados 119899119879 eacute proporcional agrave perda de energia ΔE e

inversamente proporcional agrave energia efetiva para criaccedilatildeo um par 119890 minus 119894119900119899+ 119882119894 119899119879 =∆119864

119882119894

Z e ρ satildeo o nuacutemero

atocircmico e a densidade

W eacute a energia meacutedia de

ionizaccedilatildeo

119889119864 119889119909119898119894119901 eacute a perda de

energia meacutedia de uma

partiacutecula miacutenimo ionizante

119899119875 pares eleacutetron-iacuteons

primaacuterios total criados

(pi =pares de iacuteons)

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Bremsstrahlung de eleacutetrons

Eleacutetrons de alta energia devido ao

baixo valor da massa eletrocircnica podem

tambeacutem perder energia pela emissatildeo

de foacutetons enquanto satildeo freados pelo

campo Coulombiano do nuacutecleo

No limite ultrarelativiacutestico a perda de energia meacutedia de um eleacutetron por

Bremsstrahlung num meio de espessura dx eacute

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

1198680 119868

119909

120590119890119891 120590119890119888 e 120590119888119901 satildeo as seccedilotildees de

choque para absorccedilatildeo do foacuteton

por Efeito Fotoeleacutetrico Efeito

Compton e Criaccedilatildeo de Pares

respectivamente

Intensidade emergente

Coeficiente de Absorccedilatildeo

ArXeCO2 (641620)

O efeito fotoeleacutetrico eacute o mecanismo

dominante para foacutetons de energia

entre 1 e 100keV (Faixa de

operaccedilatildeo dos detectores a gaacutes)

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

Pelas leis de conservaccedilatildeo da energia e do momento se

deduz que o efeito fotoeleacutetrico somente pode ocorrer com

eleacutetrons fortemente ligados ao nuacutecleo (Camadas K (80) L

e M) A energia do fotoeleacutetron gerado eacute

A seccedilatildeo de choque em funccedilatildeo da energia reduzida do foacuteton 휀 em um intervalo de

energia entre a camada K e 휀 = 1

119864119890 = 119864120574 minus 119864119868 = h120584 minus 119864119868 119864119890

119864120574

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

bull Raio-X caracteriacutestico e Eleacutetron Auger

bull Apoacutes a emissatildeo do fotoeleacutetron o aacutetomo

apresentaraacute uma vacacircncia

bull Um eleacutetron de uma camada vizinha preenche

essa vacacircncia emitindo um fotoacuten de energia

caracteriacutestica

bull Este raio-X caracteriacutestico poderaacute transmitir

energia a outro eleacutetron de uma camada mais

externa

bull Este eleacutetron eacute entatildeo ejetado e denominado

Eleacutetron Auger

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Compton (120574 + 119890minus rarr 120574 + 119890minus)

A seccedilatildeo de choque para o espalhamento Compton σec por eleacutetron eacute dada pela

foacutermula de Klein-Nishina

119864119890

119864120574prime

120579 119864120574

Para 119864120574 ≫ 119864119868 pode considerar

como uma colisatildeo elaacutestica entre o

foacuteton e um eleacutetron lsquolivrersquo (camada

mais externa) A energia do fotoacuten

espalhado

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Criaccedilatildeo de Pares (120574 + 119899119906119888119897119890119900 rarr 119890minus + 119890+ + 119899119906119888119897119890119900)

A seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo para criaccedilatildeo de pares

Quando a energia do foacuteton incidente

eacute superior a 1022MeV (duas vezes

a massa de repouso do eleacutetron) ele

pode interagir com o nuacutecleo do

aacutetomo e criar um par 119890minus minus 119890+ e sua

energia eacute repartida entre as duas

partiacuteculas criadas

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na ausecircncia de Campo Eleacutetrico (119864 = 0)

A difusatildeo seraacute uma distribuiccedilatildeo gaussiana

Na ausecircncia de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons e iacuteons gerados pela ionizaccedilatildeo

primaacuteria possuem um movimento aleatoacuterio

cuja a energia meacutedia eacute

119864 =3

2119896119879

A distribuiccedilatildeo de energia dos portadores de

carga (Maxwell-Boltzmann) F(ε) = 119862 휀 119890minus

120576

119896119879

k eacute a constante de Boltzmann e T (K)

119889119873

119873=

1

4120587119863119905119890minus(1199092 4119863119905 )119889119909 D eacute o coeficiente de difusatildeo

A desvio padratildeo em uma dimensatildeo 120590119909 = 2119863119909

119907119889

Considerando a difusatildeo em um elemento de volume 120590119881 = 6119863119909

119907119889= 3120590119909

119907119889 eacute a velocidade de arrasto

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Utilizando a equaccedilatildeo da continuidade

Na presenccedila de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons arrastados podem ser descritos por

seu movimento aleatoacuterio e por seu movimento

coletivo A densidade de corrente total

D eacute o coeficiente de difusatildeo

Soluccedilatildeo

120588(119909 119909) eacute a densidade de carga 119907119889 eacute a velocidade de arrasto

119864

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

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Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Partiacuteculas Carregadas

ndash Bremsstrahlung de eleacutetrons

Eleacutetrons de alta energia devido ao

baixo valor da massa eletrocircnica podem

tambeacutem perder energia pela emissatildeo

de foacutetons enquanto satildeo freados pelo

campo Coulombiano do nuacutecleo

No limite ultrarelativiacutestico a perda de energia meacutedia de um eleacutetron por

Bremsstrahlung num meio de espessura dx eacute

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

1198680 119868

119909

120590119890119891 120590119890119888 e 120590119888119901 satildeo as seccedilotildees de

choque para absorccedilatildeo do foacuteton

por Efeito Fotoeleacutetrico Efeito

Compton e Criaccedilatildeo de Pares

respectivamente

Intensidade emergente

Coeficiente de Absorccedilatildeo

ArXeCO2 (641620)

O efeito fotoeleacutetrico eacute o mecanismo

dominante para foacutetons de energia

entre 1 e 100keV (Faixa de

operaccedilatildeo dos detectores a gaacutes)

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

Pelas leis de conservaccedilatildeo da energia e do momento se

deduz que o efeito fotoeleacutetrico somente pode ocorrer com

eleacutetrons fortemente ligados ao nuacutecleo (Camadas K (80) L

e M) A energia do fotoeleacutetron gerado eacute

A seccedilatildeo de choque em funccedilatildeo da energia reduzida do foacuteton 휀 em um intervalo de

energia entre a camada K e 휀 = 1

119864119890 = 119864120574 minus 119864119868 = h120584 minus 119864119868 119864119890

119864120574

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

bull Raio-X caracteriacutestico e Eleacutetron Auger

bull Apoacutes a emissatildeo do fotoeleacutetron o aacutetomo

apresentaraacute uma vacacircncia

bull Um eleacutetron de uma camada vizinha preenche

essa vacacircncia emitindo um fotoacuten de energia

caracteriacutestica

bull Este raio-X caracteriacutestico poderaacute transmitir

energia a outro eleacutetron de uma camada mais

externa

bull Este eleacutetron eacute entatildeo ejetado e denominado

Eleacutetron Auger

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Compton (120574 + 119890minus rarr 120574 + 119890minus)

A seccedilatildeo de choque para o espalhamento Compton σec por eleacutetron eacute dada pela

foacutermula de Klein-Nishina

119864119890

119864120574prime

120579 119864120574

Para 119864120574 ≫ 119864119868 pode considerar

como uma colisatildeo elaacutestica entre o

foacuteton e um eleacutetron lsquolivrersquo (camada

mais externa) A energia do fotoacuten

espalhado

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Criaccedilatildeo de Pares (120574 + 119899119906119888119897119890119900 rarr 119890minus + 119890+ + 119899119906119888119897119890119900)

A seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo para criaccedilatildeo de pares

Quando a energia do foacuteton incidente

eacute superior a 1022MeV (duas vezes

a massa de repouso do eleacutetron) ele

pode interagir com o nuacutecleo do

aacutetomo e criar um par 119890minus minus 119890+ e sua

energia eacute repartida entre as duas

partiacuteculas criadas

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na ausecircncia de Campo Eleacutetrico (119864 = 0)

A difusatildeo seraacute uma distribuiccedilatildeo gaussiana

Na ausecircncia de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons e iacuteons gerados pela ionizaccedilatildeo

primaacuteria possuem um movimento aleatoacuterio

cuja a energia meacutedia eacute

119864 =3

2119896119879

A distribuiccedilatildeo de energia dos portadores de

carga (Maxwell-Boltzmann) F(ε) = 119862 휀 119890minus

120576

119896119879

k eacute a constante de Boltzmann e T (K)

119889119873

119873=

1

4120587119863119905119890minus(1199092 4119863119905 )119889119909 D eacute o coeficiente de difusatildeo

A desvio padratildeo em uma dimensatildeo 120590119909 = 2119863119909

119907119889

Considerando a difusatildeo em um elemento de volume 120590119881 = 6119863119909

119907119889= 3120590119909

119907119889 eacute a velocidade de arrasto

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Utilizando a equaccedilatildeo da continuidade

Na presenccedila de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons arrastados podem ser descritos por

seu movimento aleatoacuterio e por seu movimento

coletivo A densidade de corrente total

D eacute o coeficiente de difusatildeo

Soluccedilatildeo

120588(119909 119909) eacute a densidade de carga 119907119889 eacute a velocidade de arrasto

119864

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

Obrigado

prbmarinhogmailcom

pmarinhocnengovbr

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

1198680 119868

119909

120590119890119891 120590119890119888 e 120590119888119901 satildeo as seccedilotildees de

choque para absorccedilatildeo do foacuteton

por Efeito Fotoeleacutetrico Efeito

Compton e Criaccedilatildeo de Pares

respectivamente

Intensidade emergente

Coeficiente de Absorccedilatildeo

ArXeCO2 (641620)

O efeito fotoeleacutetrico eacute o mecanismo

dominante para foacutetons de energia

entre 1 e 100keV (Faixa de

operaccedilatildeo dos detectores a gaacutes)

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

Pelas leis de conservaccedilatildeo da energia e do momento se

deduz que o efeito fotoeleacutetrico somente pode ocorrer com

eleacutetrons fortemente ligados ao nuacutecleo (Camadas K (80) L

e M) A energia do fotoeleacutetron gerado eacute

A seccedilatildeo de choque em funccedilatildeo da energia reduzida do foacuteton 휀 em um intervalo de

energia entre a camada K e 휀 = 1

119864119890 = 119864120574 minus 119864119868 = h120584 minus 119864119868 119864119890

119864120574

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

bull Raio-X caracteriacutestico e Eleacutetron Auger

bull Apoacutes a emissatildeo do fotoeleacutetron o aacutetomo

apresentaraacute uma vacacircncia

bull Um eleacutetron de uma camada vizinha preenche

essa vacacircncia emitindo um fotoacuten de energia

caracteriacutestica

bull Este raio-X caracteriacutestico poderaacute transmitir

energia a outro eleacutetron de uma camada mais

externa

bull Este eleacutetron eacute entatildeo ejetado e denominado

Eleacutetron Auger

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Compton (120574 + 119890minus rarr 120574 + 119890minus)

A seccedilatildeo de choque para o espalhamento Compton σec por eleacutetron eacute dada pela

foacutermula de Klein-Nishina

119864119890

119864120574prime

120579 119864120574

Para 119864120574 ≫ 119864119868 pode considerar

como uma colisatildeo elaacutestica entre o

foacuteton e um eleacutetron lsquolivrersquo (camada

mais externa) A energia do fotoacuten

espalhado

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Criaccedilatildeo de Pares (120574 + 119899119906119888119897119890119900 rarr 119890minus + 119890+ + 119899119906119888119897119890119900)

A seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo para criaccedilatildeo de pares

Quando a energia do foacuteton incidente

eacute superior a 1022MeV (duas vezes

a massa de repouso do eleacutetron) ele

pode interagir com o nuacutecleo do

aacutetomo e criar um par 119890minus minus 119890+ e sua

energia eacute repartida entre as duas

partiacuteculas criadas

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na ausecircncia de Campo Eleacutetrico (119864 = 0)

A difusatildeo seraacute uma distribuiccedilatildeo gaussiana

Na ausecircncia de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons e iacuteons gerados pela ionizaccedilatildeo

primaacuteria possuem um movimento aleatoacuterio

cuja a energia meacutedia eacute

119864 =3

2119896119879

A distribuiccedilatildeo de energia dos portadores de

carga (Maxwell-Boltzmann) F(ε) = 119862 휀 119890minus

120576

119896119879

k eacute a constante de Boltzmann e T (K)

119889119873

119873=

1

4120587119863119905119890minus(1199092 4119863119905 )119889119909 D eacute o coeficiente de difusatildeo

A desvio padratildeo em uma dimensatildeo 120590119909 = 2119863119909

119907119889

Considerando a difusatildeo em um elemento de volume 120590119881 = 6119863119909

119907119889= 3120590119909

119907119889 eacute a velocidade de arrasto

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Utilizando a equaccedilatildeo da continuidade

Na presenccedila de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons arrastados podem ser descritos por

seu movimento aleatoacuterio e por seu movimento

coletivo A densidade de corrente total

D eacute o coeficiente de difusatildeo

Soluccedilatildeo

120588(119909 119909) eacute a densidade de carga 119907119889 eacute a velocidade de arrasto

119864

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

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Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

Pelas leis de conservaccedilatildeo da energia e do momento se

deduz que o efeito fotoeleacutetrico somente pode ocorrer com

eleacutetrons fortemente ligados ao nuacutecleo (Camadas K (80) L

e M) A energia do fotoeleacutetron gerado eacute

A seccedilatildeo de choque em funccedilatildeo da energia reduzida do foacuteton 휀 em um intervalo de

energia entre a camada K e 휀 = 1

119864119890 = 119864120574 minus 119864119868 = h120584 minus 119864119868 119864119890

119864120574

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

bull Raio-X caracteriacutestico e Eleacutetron Auger

bull Apoacutes a emissatildeo do fotoeleacutetron o aacutetomo

apresentaraacute uma vacacircncia

bull Um eleacutetron de uma camada vizinha preenche

essa vacacircncia emitindo um fotoacuten de energia

caracteriacutestica

bull Este raio-X caracteriacutestico poderaacute transmitir

energia a outro eleacutetron de uma camada mais

externa

bull Este eleacutetron eacute entatildeo ejetado e denominado

Eleacutetron Auger

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Compton (120574 + 119890minus rarr 120574 + 119890minus)

A seccedilatildeo de choque para o espalhamento Compton σec por eleacutetron eacute dada pela

foacutermula de Klein-Nishina

119864119890

119864120574prime

120579 119864120574

Para 119864120574 ≫ 119864119868 pode considerar

como uma colisatildeo elaacutestica entre o

foacuteton e um eleacutetron lsquolivrersquo (camada

mais externa) A energia do fotoacuten

espalhado

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Criaccedilatildeo de Pares (120574 + 119899119906119888119897119890119900 rarr 119890minus + 119890+ + 119899119906119888119897119890119900)

A seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo para criaccedilatildeo de pares

Quando a energia do foacuteton incidente

eacute superior a 1022MeV (duas vezes

a massa de repouso do eleacutetron) ele

pode interagir com o nuacutecleo do

aacutetomo e criar um par 119890minus minus 119890+ e sua

energia eacute repartida entre as duas

partiacuteculas criadas

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na ausecircncia de Campo Eleacutetrico (119864 = 0)

A difusatildeo seraacute uma distribuiccedilatildeo gaussiana

Na ausecircncia de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons e iacuteons gerados pela ionizaccedilatildeo

primaacuteria possuem um movimento aleatoacuterio

cuja a energia meacutedia eacute

119864 =3

2119896119879

A distribuiccedilatildeo de energia dos portadores de

carga (Maxwell-Boltzmann) F(ε) = 119862 휀 119890minus

120576

119896119879

k eacute a constante de Boltzmann e T (K)

119889119873

119873=

1

4120587119863119905119890minus(1199092 4119863119905 )119889119909 D eacute o coeficiente de difusatildeo

A desvio padratildeo em uma dimensatildeo 120590119909 = 2119863119909

119907119889

Considerando a difusatildeo em um elemento de volume 120590119881 = 6119863119909

119907119889= 3120590119909

119907119889 eacute a velocidade de arrasto

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Utilizando a equaccedilatildeo da continuidade

Na presenccedila de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons arrastados podem ser descritos por

seu movimento aleatoacuterio e por seu movimento

coletivo A densidade de corrente total

D eacute o coeficiente de difusatildeo

Soluccedilatildeo

120588(119909 119909) eacute a densidade de carga 119907119889 eacute a velocidade de arrasto

119864

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

Obrigado

prbmarinhogmailcom

pmarinhocnengovbr

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Fotoeleacutetrico (120574 + aacutetomo rarr 119890minus + iacute119900119899+)

bull Raio-X caracteriacutestico e Eleacutetron Auger

bull Apoacutes a emissatildeo do fotoeleacutetron o aacutetomo

apresentaraacute uma vacacircncia

bull Um eleacutetron de uma camada vizinha preenche

essa vacacircncia emitindo um fotoacuten de energia

caracteriacutestica

bull Este raio-X caracteriacutestico poderaacute transmitir

energia a outro eleacutetron de uma camada mais

externa

bull Este eleacutetron eacute entatildeo ejetado e denominado

Eleacutetron Auger

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Compton (120574 + 119890minus rarr 120574 + 119890minus)

A seccedilatildeo de choque para o espalhamento Compton σec por eleacutetron eacute dada pela

foacutermula de Klein-Nishina

119864119890

119864120574prime

120579 119864120574

Para 119864120574 ≫ 119864119868 pode considerar

como uma colisatildeo elaacutestica entre o

foacuteton e um eleacutetron lsquolivrersquo (camada

mais externa) A energia do fotoacuten

espalhado

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Criaccedilatildeo de Pares (120574 + 119899119906119888119897119890119900 rarr 119890minus + 119890+ + 119899119906119888119897119890119900)

A seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo para criaccedilatildeo de pares

Quando a energia do foacuteton incidente

eacute superior a 1022MeV (duas vezes

a massa de repouso do eleacutetron) ele

pode interagir com o nuacutecleo do

aacutetomo e criar um par 119890minus minus 119890+ e sua

energia eacute repartida entre as duas

partiacuteculas criadas

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na ausecircncia de Campo Eleacutetrico (119864 = 0)

A difusatildeo seraacute uma distribuiccedilatildeo gaussiana

Na ausecircncia de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons e iacuteons gerados pela ionizaccedilatildeo

primaacuteria possuem um movimento aleatoacuterio

cuja a energia meacutedia eacute

119864 =3

2119896119879

A distribuiccedilatildeo de energia dos portadores de

carga (Maxwell-Boltzmann) F(ε) = 119862 휀 119890minus

120576

119896119879

k eacute a constante de Boltzmann e T (K)

119889119873

119873=

1

4120587119863119905119890minus(1199092 4119863119905 )119889119909 D eacute o coeficiente de difusatildeo

A desvio padratildeo em uma dimensatildeo 120590119909 = 2119863119909

119907119889

Considerando a difusatildeo em um elemento de volume 120590119881 = 6119863119909

119907119889= 3120590119909

119907119889 eacute a velocidade de arrasto

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Utilizando a equaccedilatildeo da continuidade

Na presenccedila de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons arrastados podem ser descritos por

seu movimento aleatoacuterio e por seu movimento

coletivo A densidade de corrente total

D eacute o coeficiente de difusatildeo

Soluccedilatildeo

120588(119909 119909) eacute a densidade de carga 119907119889 eacute a velocidade de arrasto

119864

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

Obrigado

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pmarinhocnengovbr

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Efeito Compton (120574 + 119890minus rarr 120574 + 119890minus)

A seccedilatildeo de choque para o espalhamento Compton σec por eleacutetron eacute dada pela

foacutermula de Klein-Nishina

119864119890

119864120574prime

120579 119864120574

Para 119864120574 ≫ 119864119868 pode considerar

como uma colisatildeo elaacutestica entre o

foacuteton e um eleacutetron lsquolivrersquo (camada

mais externa) A energia do fotoacuten

espalhado

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Criaccedilatildeo de Pares (120574 + 119899119906119888119897119890119900 rarr 119890minus + 119890+ + 119899119906119888119897119890119900)

A seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo para criaccedilatildeo de pares

Quando a energia do foacuteton incidente

eacute superior a 1022MeV (duas vezes

a massa de repouso do eleacutetron) ele

pode interagir com o nuacutecleo do

aacutetomo e criar um par 119890minus minus 119890+ e sua

energia eacute repartida entre as duas

partiacuteculas criadas

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na ausecircncia de Campo Eleacutetrico (119864 = 0)

A difusatildeo seraacute uma distribuiccedilatildeo gaussiana

Na ausecircncia de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons e iacuteons gerados pela ionizaccedilatildeo

primaacuteria possuem um movimento aleatoacuterio

cuja a energia meacutedia eacute

119864 =3

2119896119879

A distribuiccedilatildeo de energia dos portadores de

carga (Maxwell-Boltzmann) F(ε) = 119862 휀 119890minus

120576

119896119879

k eacute a constante de Boltzmann e T (K)

119889119873

119873=

1

4120587119863119905119890minus(1199092 4119863119905 )119889119909 D eacute o coeficiente de difusatildeo

A desvio padratildeo em uma dimensatildeo 120590119909 = 2119863119909

119907119889

Considerando a difusatildeo em um elemento de volume 120590119881 = 6119863119909

119907119889= 3120590119909

119907119889 eacute a velocidade de arrasto

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Utilizando a equaccedilatildeo da continuidade

Na presenccedila de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons arrastados podem ser descritos por

seu movimento aleatoacuterio e por seu movimento

coletivo A densidade de corrente total

D eacute o coeficiente de difusatildeo

Soluccedilatildeo

120588(119909 119909) eacute a densidade de carga 119907119889 eacute a velocidade de arrasto

119864

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

Obrigado

prbmarinhogmailcom

pmarinhocnengovbr

Interaccedilotildees com a Mateacuteria

bull Foacutetons

ndash Criaccedilatildeo de Pares (120574 + 119899119906119888119897119890119900 rarr 119890minus + 119890+ + 119899119906119888119897119890119900)

A seccedilatildeo de choque de interaccedilatildeo para criaccedilatildeo de pares

Quando a energia do foacuteton incidente

eacute superior a 1022MeV (duas vezes

a massa de repouso do eleacutetron) ele

pode interagir com o nuacutecleo do

aacutetomo e criar um par 119890minus minus 119890+ e sua

energia eacute repartida entre as duas

partiacuteculas criadas

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na ausecircncia de Campo Eleacutetrico (119864 = 0)

A difusatildeo seraacute uma distribuiccedilatildeo gaussiana

Na ausecircncia de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons e iacuteons gerados pela ionizaccedilatildeo

primaacuteria possuem um movimento aleatoacuterio

cuja a energia meacutedia eacute

119864 =3

2119896119879

A distribuiccedilatildeo de energia dos portadores de

carga (Maxwell-Boltzmann) F(ε) = 119862 휀 119890minus

120576

119896119879

k eacute a constante de Boltzmann e T (K)

119889119873

119873=

1

4120587119863119905119890minus(1199092 4119863119905 )119889119909 D eacute o coeficiente de difusatildeo

A desvio padratildeo em uma dimensatildeo 120590119909 = 2119863119909

119907119889

Considerando a difusatildeo em um elemento de volume 120590119881 = 6119863119909

119907119889= 3120590119909

119907119889 eacute a velocidade de arrasto

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Utilizando a equaccedilatildeo da continuidade

Na presenccedila de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons arrastados podem ser descritos por

seu movimento aleatoacuterio e por seu movimento

coletivo A densidade de corrente total

D eacute o coeficiente de difusatildeo

Soluccedilatildeo

120588(119909 119909) eacute a densidade de carga 119907119889 eacute a velocidade de arrasto

119864

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

Obrigado

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Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na ausecircncia de Campo Eleacutetrico (119864 = 0)

A difusatildeo seraacute uma distribuiccedilatildeo gaussiana

Na ausecircncia de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons e iacuteons gerados pela ionizaccedilatildeo

primaacuteria possuem um movimento aleatoacuterio

cuja a energia meacutedia eacute

119864 =3

2119896119879

A distribuiccedilatildeo de energia dos portadores de

carga (Maxwell-Boltzmann) F(ε) = 119862 휀 119890minus

120576

119896119879

k eacute a constante de Boltzmann e T (K)

119889119873

119873=

1

4120587119863119905119890minus(1199092 4119863119905 )119889119909 D eacute o coeficiente de difusatildeo

A desvio padratildeo em uma dimensatildeo 120590119909 = 2119863119909

119907119889

Considerando a difusatildeo em um elemento de volume 120590119881 = 6119863119909

119907119889= 3120590119909

119907119889 eacute a velocidade de arrasto

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Utilizando a equaccedilatildeo da continuidade

Na presenccedila de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons arrastados podem ser descritos por

seu movimento aleatoacuterio e por seu movimento

coletivo A densidade de corrente total

D eacute o coeficiente de difusatildeo

Soluccedilatildeo

120588(119909 119909) eacute a densidade de carga 119907119889 eacute a velocidade de arrasto

119864

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

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Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Utilizando a equaccedilatildeo da continuidade

Na presenccedila de campo eleacutetrico externo os

eleacutetrons arrastados podem ser descritos por

seu movimento aleatoacuterio e por seu movimento

coletivo A densidade de corrente total

D eacute o coeficiente de difusatildeo

Soluccedilatildeo

120588(119909 119909) eacute a densidade de carga 119907119889 eacute a velocidade de arrasto

119864

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

Obrigado

prbmarinhogmailcom

pmarinhocnengovbr

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

A desvio padratildeo σ= 2119863119905

A velocidade de arrasto sob a influecircncia de E

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo

119907119889 =8

3120587

119890

119898119890

119864

119907 120582

119907 = 83120587 2휀119898119890 eacute a velocidade meacutedia (distribuiccedilatildeo de Maxwell das velocidade)

120582 livre caminho meacutedio para colisatildeo dos eleacutetrons com as moleacuteculas do gaacutes

micro coeficiente de mobilidade

O livre caminho meacutedio λ (e consequentemente a seccedilatildeo de choque de

espalhamento dos eleacutetrons pelos aacutetomos) como funccedilatildeo da energia

meacutedia do eleacutetron ε e a energia ε como funccedilatildeo do campo E

determinam os paracircmetros de movimento 119907119889 e D

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

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Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Velocidade de arrasto sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Difusatildeo e Arrasto de Eleacutetrons em Gases bull Na presenccedila de Campo Eleacutetrico 119864

Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

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Difusatildeo dos eleacutetrons sob a influecircncia de E (simulaccedilatildeo Magboltz)

Largura da nuvem eletrocircnica evoluindo no tempo σ=2119896119879119890

119890119864119897 onde (119890

119863

120583= 119896119879119890)

120590119879119871(119864 119897) = 120590119879119871(119864) 119897 119897 eacute o deslocamento de arrasto na direccedilatildeo de E

120590119879 120590119871 largura das distribuiccedilotildees transversal e longitudinal

Exemplo 120590119879119894 = 100120583119898119864 = 3119896119881119888119898

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Mecanismo baacutesico de um Detector a Gaacutes

0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

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0 lt 119881 lt 119881119904 Regiatildeo Recombinaccedilatildeo

119881119878 lt 119881 lt 119881119875 Cacircmara de Ionizaccedilatildeo

119881119875 lt 119881 lt 119881119878119875 Cacircmara Proporcional (119876 = 119872 119899119901)

119881119878119875 lt 119881 lt 119881119866 Regiatildeo Semi-proporcional

119881119866 lt 119881 lt 119881119863 Contador Geiger-Muumlller

119881 gt 119881119863 Regiatildeo de Descargas Contiacutenuas

Representaccedilatildeo qualitativa das regiotildees de operaccedilatildeo de detector a gaacutes

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

Obrigado

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Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Multiplicaccedilatildeo Gasosa

Catodo

Anodo

iacute119900119899+

119890minus

bull Sob campos eleacutetricos intensos os eleacutetrons

podem receber entre duas colisotildees sucessivas

uma energia maior que a energia perdida por

colisatildeo

bull Quando essa energia for maior que a energia

miacutenima de ionizaccedilatildeo novas ionizaccedilotildees podem

ocorrer e assim sucessivamente resultando

portanto em uma avalanche eletrocircnica

bull Este processo responsaacutevel pelo fenocircmeno de

multiplicaccedilatildeo gasosa eacute chamado de

mecanismo de Townsend de primeira espeacutecie Fotografia de uma cacircmara de nuvens da

avalanche de Townsend

Expressatildeo do Fator de Multiplicaccedilatildeo (ldquoganhordquo)

Onde 120572 eacute chamado de primeiro coeficiente de Townsend um paracircmetro de transporte que representa o

nuacutemero de eleacutetrons secundaacuterios produzidos por um eleacutetron primaacuterio (fotoeleacutetron) percorrendo uma

unidade de trajetoacuteria na direccedilatildeo do campo eleacutetrico Eacute empregado para descrever a multiplicaccedilatildeo gasosa e

estaacute relacionado com o inverso do livre caminho meacutedio 120582

Princiacutepio de Funcionamento de um Detector a Gaacutes

bull Processos Secundaacuterios

ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

primaacuteria

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bull Misturas Gasosas

ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

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ndash No meio gasoso existem moleacuteculas excitadas e iacuteons positivos que

foram produzidos durante a avalanche principal a desexcitaccedilatildeo

dessas moleacuteculas e a recombinaccedilatildeo dos iacuteons liberam foacutetons que

podem provocar efeito fotoeleacutetrico no gaacutes

ndash Na superfiacutecie do catodo eleacutetrons podem ser extraiacutedos pelos foacutetons de

desexcitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo ou pela neutralizaccedilatildeo dos iacuteons

positivos

ndash Os eleacutetrons assim produzidos provocam por sua vez avalanches

eletrocircnicas espuacuterias responsaacuteveis por um possiacutevel regime de

descarga contiacutenua

ndash detectores proporcionais as avalanches espuacuterias degradam a

proporcionalidade entre altura de pulso e a carga de ionizaccedilatildeo

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ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

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ndash Devido a sua estabilidade fiacutesica e quiacutemica os aacutetomos de gases

nobres normalmente emitem eleacutetrons quando absorvem energia o

que favorece a produccedilatildeo do sinal eleacutetrico por um evento ionizante

ndash Os processos secundaacuterios podem levar o detector a um regime de

descarga contiacutenua Para evitar que isto ocorra adiciona-se uma

pequena fraccedilatildeo de outro gaacutes ao gaacutes de operaccedilatildeo do detector

ndash Os gases de lsquoquenchingrsquo como satildeo chamados estes gases

adicionais satildeo gases poliatocircmicos orgacircnicos (1198621198674 119862411986710 11986221198676

aacutelcoois etc) ou inorgacircnicos (1198621198742 B1198653 etc) que apresentam grande

nuacutemero de estados excitados natildeo radiantes (bandas vibracionais e

rotacionais) e permitem a absorccedilatildeo dos foacutetons secundaacuterios de des-

excitaccedilatildeo ou de recombinaccedilatildeo do gaacutes principal sem a emissatildeo de

eleacutetrons

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