Aula 7 - Instituto de Física / UFRJ

Detectores de partículas:
alguns modelos
Prof. Marcelo Sant’Anna
Sala A-310 (LaCAM) e-mail: [email protected]
Laboratório de Física Corpuscular - aula
expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ
1
Lembrando....
Uma descrição (muito) esquemática
detector
d.d.p.
ou
corrente
partícula



A partícula deposita sua energia, ou parte dela, no detector.
Assim, gera cargas livres que são coletadas de alguma forma.
Meço d.d.p. ou corrente (um pulso ou uma medida contínua).
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Detectores de Ionização
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3
Detectores de
Ionização
- +
+
+
-
+ +
A
R
sinal

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.

Detectores 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 detectados 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 empurrá-las para os seus respectivos
eletrodos (coletores), prevenindo assim que recombinem.
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4
Detectores de
Ionização
- +
+
+
-
+ +
A
R

Há 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.
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sinal
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Detectores de
Ionização
- +
+
+
-
+ +
A
R

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 analisado de modo a obter uma
altura de pulso que pode estar relacionada com a quantidade de
ionização produzida, que por sua vez, depende da densidade e
estrutura atômica do meio ionizável, da energia e da carga da
partícula incidente.
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sinal
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Detectores de
Ionização
Comportamento com a voltagem aplicada

Diversas regiões características
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7
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.
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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.
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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 (próximo slide), 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.
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Região proporcional
anodo
catodo
+Vo
Radiação
sinal
Janela fina
 CVo
E
rˆ
2rL
C
2L
ln( b / a)
Gás
a
r
V (r )  Vo 
b
CVo  r 
ln  
2  a 
Fig. Construção básica de um detector de ionização com um fio.
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Região Geiger

Aumentando-se ainda mais a tensão chegamos a uma região
onde produz-se uma avalanche de pares elétron-íon.

Neste modo, a energia dos elétrons ionizados primários
aumenta tanto que eles podem imediatamente excitar ou
ionizar outros átomos, produzindo mais elétrons livres.

Um detector Geiger
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Região 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.
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Detectores Semicondutores
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Propriedades básicas dos semicondutores

Banda de condução
Estrutura de bandas
Elétrons livres
Banda
De
condução
Eg ~ 6 eV
Banda de
Valência
Banda de valência
isolante

buracos
semicondutor
metal
Portadores de cargas:
elétrons e buracos
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
Algumas propriedades físicas do Si e Ge
Si
Ge
Numero atômico Z
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32
Peso atoico A
28.1
72.6
Densidade [g/cm2]
2.33
5.32
Constante dielétrica (relativa)
12
16
Resistividade intrínseca (300k) [cm]
230 000
45
Gap de energia (300K) [eV]
1,1
0,7
Gap de energia (0K) [eV]
1,21
0,785
Mobilidade de elétrons (300K) [cm2/Vs]
1350
3900
Mobilidade dos buracos (300K) [cm2/Vs]
480
1900
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Junção n-p: camada de depleção

Na camada de depleção (depletion
layer) há um campo elétrico mesmo
sem a aplicação de voltagem ao
detector.

Elétron ou buracos criados nesta
região (pela partícula incidente) irão
ser acelerados.

A variação com o tempo de carga
coletada irá resultar em um pulso.
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Resolução em energia



Gap ~ eV (comparar com potenciais de
ionização atômicos ~10 eV)
Alta densidade se comparados a gases.
Muitos pares elétron buraco criados por
particula incidente  boa resolução em energia
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Alguns tipos de detectores de diodo de Si

Diffused Junction Diodes

Barreira de superfície (Surface Barrier Detectors)
Camada de ouro na superfície em semicondutor tipo-n
Barreira Schottky

Ion-implanted diodes
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Detectores Multiplicadores de
elétrons
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Fotomultiplicadora

Múltiplos estágios
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Channeltron

Comparação com fotomultiplicadora
fotomultiplicadora
x
channeltron
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

Sinais rápidos
Resolução em energia
pobre
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Microchannel-plate

Placas de microcanais

Sinais rápidos
Resolução em energia
pobre

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
Fabricação das MCP
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
Há MCPs sensíveis a posição em x-y
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