Detectores II

Capítulo 12
Detectores continuação I
terceira versão 2006.1
Detetores de ionização
Os detetores de ionização foram os primeiros aparelhos elétricos desenvolvidos
para a detecção de radiação.Durante a primeira metade do século XX, três tipos básicos
de detectores foram desenvolvidos: a câmara de ionização, o contador proporcional e
contador Geiger-Müller. Exceto para aplicações especificas como monitoração do nível
de radiação, estes aparelhos não são mais utilizados em experimentos modernos.
Detetores de ionização são aparelhos projetados para medir a ionização produzida
quando uma partícula incidente atravessa algum meio. O número de elétrons e de íons
positivos detetados é uma medida da energia depositada no material, então deve-se evitar
que qualquer par elétron-íon seja recombinado. Isto pode ser realizado aplicando-se um
campo elétrico suficientemente alto no meio. Este campo irá separar as cargas, e
empurra-las para os seus respectivos eletrodos (coletores), prevenindo assim que
recombinem.
O detetor de ionização básico consiste de uma câmara preenchida com gás próprio
que pode ser devidamente ionizado. A câmara possui um catodo e um anodo que são
mantidos a uma diferença de potencial alta, caracterizando assim uma capacitância (C)
que é determinada pela geometria dos eletrodos. O gás deve ser quimicamente estável
(inerte) de modo que os elétrons não sejam facilmente capturados pelas moléculas do
meio. O meio deve também não ser sensível a danos por radiação de modo que sua
resposta às partículas incidentes não deteriore com o tempo. Outro fator importe é o
baixo potencial de ionização (Ip) de modo a maximizar a número de eventos de ionização
por energia depositada por uma partícula incidente.
Como mencionado anteriormente, quando uma partícula carregada atravessa uma
região sensível do detetor, ela ioniza o meio e produz pares elétron-íon. Devido ao campo
elétrico, os elétrons migram para o anodo e os íons para o catodo, produzindo assim um
sinal, que dá origem a uma corrente pequena que flui através de um resistor R. O resistor
produz uma diferença de tensão que é sentida por um amplificador A. O sinal do
amplificador pode ser analizado de modo a obter uma altura de pulso que pode estar
relacionada com a quantidade de ionização produzida, que por sua vez, depende
principalmente da densidade e estrutura atômica do meio ionizável , mas também da
energia e carga da partícula incidente.
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- +
+
+
+ +
A
R
sinal
Fig. – esquema básico de um detetor de ionização
A quantidade de radiação detectada é determinada por fatores técnicos, como o
campo elétrico aplicado. Vamos agora estudar o comportamento destes aparelhos em
função da tensão aplicada.
Região de recombinação
Quando a diferença de potencial entre os eletrodos é pequena, os elétrons e íons
podem se recombinar logo após a ionização, e somente uma pequena fração dos íons e
elétrons chegam aos eletrodos. Isto produz um sinal que não corresponde na realidade o
número de pares criados. Esta faixa de valores de tensão é chamada de região de
recombinação (veja figura abaixo).
Câmara de ionização
Aumentando-se a tensão além da região de recombinação, obtemos um sinal que
reflete a quantidade total de ionização produzida porque o campo é suficientemente alto
de modo que todos os portadores de carga são coletados e um pequeno aumento do
campo não tem nenhum efeito sobre o sinal. Esta faixa de operação é chamada região de
ionização. O sinal de corrente nesta região é muito pequeno e deve ser medido com um
eletrômetro. Câmaras de ionização são geralmente usadas para medir exposição a raios
gama e monitoramento de altos fluxos de radiação.
Região proporcional
Aumentando ainda mais a tensão, os elétrons livres começam a ter energia
suficiente para produzir novas ionizações. Os elétrons liberados nestas ionizações
secundarias, são também acelerados de modo a produzir mais ionizações. Como
resultado, temos uma avalanche de ionizações. No caso de uma câmara com um fio como
anodo (Fig), o campo elétrico e mais intenso perto do fio, a avalanche ocorre perto do fio.
Este aumento na ionização é freqüentemente chamado de amplificação de sinal ou
multiplicação. O sinal de saída é maior, mas ainda proporcional a quantidade inicial de
ionização, e por razões óbvias, esta faixa de operação é chamada região proporcional
(Isto não significa que o sinal aumente linearmente com a tensão).
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anodo
catodo
+Vo
Radiação
sinal
Janela fina
Gás
a
r
b
Fig. Construção básica de um detetor de ionização com um fio.
Para o detector da figura acima o campo elétrico radial é dado por
r
CVo
E=
rˆ
2πεrL
onde L é o comprimento da câmara e C sua capacitância.
2πεL
C=
ln(b / a )
O potencial é dado por
V ( r ) = Vo −
CVo  r 
ln 
2πε  a 
Região Geiger
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Aumentando-se ainda mais a tensão chegamos a uma região onde produz-se uma
avalanche de pares elétron-íon. Neste modo, chamado de região Geiger, a energia dos
elétrons ionizados primários aumenta tanto que eles podem imediatamente excitar ou
ionizar outros átomos, produzindo mais elétrons livres.
Um detector Geiger
Região de descarga
Finalmente, aumentando a tensão alem da região Geiger, rompe-se a rigidez
dielétrica do gás gerando descargas mesmo sem radiação presente e a câmara deixa de ser
sensível a qualquer tipo de radiação.
Fig. – Numero de íons (elétrons) coletados em função da tensão aplicada.
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