InstNuc-DET-2011 - Departamento de Física Nuclear

Instrumentação Nuclear
 CURSO DE VERÃO – IF 2011
 PARTE I – DETECTORES DE RADIAÇÃO
 PARTE II – ELETRÔNICA E AQUISIÇÃO DE
DADOS
 PARTE III – PROCESSAMENTO DIGITAL DE
PULSOS
Curso de Verão - IF 2011
Bibliografia

Instrumentação Nuclear (Notas de Aulas)
 Fundamentos da Física de Nêutrons – C.
Zamboni (Editora) – Livraria da Física, 2007
 Radiation Detection and Measurement – Glenn
F. Knoll (John Wiley & Sons, 1989)
 Estrutura da Matéria (Notas de Aulas)

www.dfn.if.usp.br/~ribas/download
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Detectores de Radiação
 Interação
de partículas carregadas e da
radiação eletromagnética com a matéria
 Detectores a gás
 Detectores cintiladores
 Detectores semicondutores
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Interação de Íons com a
Matéria
A perda de energia de uma partícula carregada
pesada em grande velocidade, i.é.:
v >> vo; vo=c/137 é a velocidade de Bohr se dá
principalmente por transferência de energia a
elétrons atômicos do meio freador.
(freamento eletrônico)
Para velocidades abaixo de vo, as colisões
elásticas íon-átomo começam a dominar
(freamento nuclear). Danos nos detectores!
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Freamento Eletrônico

Região de altas velocidades: O íon em recuo está
completamente ionizado. Esta é a região BetheBlock, onde dE/dx ~ 1/E (região melhor conhecida)
 Região intermediária: A carga do íon varia
rapidamente, num processo dinâmico de captura e
perda de elétrons. À medida que sua velocidade
diminui, a carga iônica média vai diminuindo. Esta é
a região onde a força freadora atinge seu valor
máximo, também conhecido como pico de Bragg.
 Região de baixas velocidades (LSS): Nesta
região, a força freadora é aproximadamente
proporcional à velocidade do íon.
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Programas
STOPX (Upak – simples, fácil de usar, muito útil na
preparação de experimentos de física nuclear)
 http://www.dfn.if.usp.br/~ribas/download.html progs-1_i586.tgz
 SRIM (Trata com bem mais detalhes as interações,
danos, distribuições de alcance, etc.)
 http://www.srim.org/
 GEANT – CERN Detector Description and
Simulation Tool.
 http://wwwasd.web.cern.ch/wwwasd/geant/

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Interação de Fótons com a matéria
 Efeito
fotoelétrico: Toda a energia do fóton
é absorvida por um único elétron.
 Espalhamento Compton: Um eletron
recebe parte da energia do fóton. Um
fóton de menor energia é emitido e em
geral escapa do detector.
 Produção de pares: Criação de um par
elétron-pósitron (se Ef > 2mec2)
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Interação de Fótons com a
matéria
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Espalhamento Compton
h
  ´ 
(1  cos  )
m0 c
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Detectores a gás –
Propriedades Gerais

Modo corrente (monitoração e dosimetria)
 um fluxo grande de radiação incide sobre o detector.
O resultado da medida é o número médio de
partículas/s incidindo no detector.
 Modo pulso
 Coleta-se a carga depositada individualmente por
cada partícula incidente no detector. Este é o modo
empregado nos detectores empregado na
espectroscopia nuclear.
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Detector a gás
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Coleção de carga e formação
do pulso
RC tc
a) Detector ideal (C=0)
b) RC  tc
c) RC  tc
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Caracterização de um detector

Resolução em energia:
 N=número de portadores
de carga coletados
resolução limite (%):
F
R  2.35  2.35
N
F=Fator de Fano (0<F<1)
(A resolução final depende
de muitos outros fatores…)
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Eficiência
Intrínseca
:
Absolut
a:
 int 
 abs 
nregistrado
nincidente
nregistrado
nemitido
  int
ninc

r2
r 2
  int
  int 2   2
nemit
4
4d
d
nregistrado
Relativa:  el  n det . padrão
registrado
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Produção de pares e-íon
Ao atravessar o gás, uma partícula carregada
produz uma coluna de íons positivos e
elétrons.
 Embora a energia média de ionização de
gases seja por volta de 10-20 eV, a energia
média (W) para produção de um par elétroníon positivo é de cerca de 30-35 eV.
 1MeV = 30.000 pares

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Coleção da carga livre
A tendência natural das cargas produzidas é a
recombinação.
 Aplicando-se um campo elétrico nas
extremidades do volume de gás, pode-se
separar os elétrons dos íons positivos,
evitando-se a recombinação. Para campos
suficientemente fortes, atinge-se a corrente de
saturação, quando não há mais recombinação.

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A Corrente de Ionização

Na região de saturação,
produz-se uma quantidade
de carga proporcional à
energia do íon. O número de
elétrons coletados no anodo
é:
n0  E / W
onde W é a energia média
necessária para a formação
de um par e E a energia da
partícula.
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Mobilidade das Cargas

Íons têm massa grande
e mobilidade baixa:
E
v
p
Velocidade de arrasto de elétrons
onde E é o campo
elétrico aplicado, p a
pressão e  a
mobilidade.
ve  10 vion  1cm / s
3
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Multiplicação da Carga

Aumentando-se a
tensão, além da região
de saturação, faz com
que os elétrons
adquiram energia
suficiente para produzir
outras ionizações, num
processo chamado
Avalanche de
Townsend.
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Câmara de Ionização

Trabalho efetuado para a coleção das
cargas:
1
2
2


C (Vo  V )  no eE (v t  v t )
2
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Forma do Pulso no resistor R
Vmax depende da posição em que a ionização ocorre!
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Grade de Frisch
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Desempenho

Boa resolução: Se toda a energia da partícula
for convertida em ionização, a variânçia de no
será nula. Se o processo for puramente
estatístico, será no (Poisson). Normalmente ela
é algo intermediário:
 Vo
pequeno: E=1 MeV: V0~5.10-5 V
  Fn0
2
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Detector Proporcional

Com campo elétrico
aplicado grande (ma non
troppo), a avalanche de
Townsend produz uma
multiplicação de cargas
que é proporcional a no.
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Geometria para Amplificação

Cilíndro: Campo próximo ao anodo (raio
pequeno) muito
intenso.
V
E (r ) 
r ln( b / a)

b=raio externo
 a=raio do anodo
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Pulsos Espúrios

Fótons na região visível e UV emitidos na deexcitação de átomos do gás podem provocar a
ejeção de um elétron do catodo por efeito
fotoelétrico. Este elétron poderá iniciar uma nova
avalanche.
 Íons positivos, ao se aproximar do catodo, podem
arrancar mais de um elétron do mesmo, também
produzindo novas avalanches.
 Adiciona-se uma pequena fração de gás
poliatômico ao gás monoatômico usado nesses
detectores para evitar estes problemas (Geiger!)
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Desempenho
Fator de amplificação médio M~102 – 104
 Resolução mínima:

Q
 W ( F  b) 
FWHM  2.35
 2.35

Q
E



1/ 2
F~0.12 (fator de Fano), b~0.5 ( flutuações em M)
 Outros fatores, como uniformidade do anodo,
estabilidade da tensão, etc. limitam a resolução.
 Processo de formação do pulso: próximo ao
anodo -> não há necessidade de grades!
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Detectores Sensíveis a Posição
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Grandes áreas: Múltiplos Anodos
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Contador Geiger-Mueller
 Geiger:
aluno do Rutherford em
Manchester (medidas do espalhamento de
´s em Au).
 Limite extremo do processo de multiplicação: A quantidade de carga produzida é
independente da ionização inicial (109-1010
pares e-íons).
 Tensão no resistor ~1V.
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Descarga Geiger
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Extinção (Quenching)

Com altos fatores de multiplicação, mesmo com
a adição de gás poliatômico, o processo de
multiplicação continua, com um grande número
de avalanches, atingindo praticamente toda a
extensão do anodo.
 A um certo momento (dezenas de s) a
quantidade de íons positivos (lentos!) nas
proximidades do anodo é tão grande, que o
campo elétrico efetivo diminui, impedindo novos
processos de multiplicação, e a descarga se
extingue.
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Tempo Morto Grande

Após a extinção da descarga, devido a baixa
mobilidade dos íons positivos, o campo elétrico
efetivo na região do anodo permanece baixo,
impedindo a formação de novas avalanches.
 A função do gás molecular (quenching gas)
nestes detectores, é impedir que os íons
positivos, ao chegar próximo ao catodo,
arranquem mais de 1 elétron, provocando
avalanches secundárias.
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Vida Útil

Contadores Geiger são normalmente selados.
 Ao longo do tempo, a deterioração das
moléculas do gás poliatômico e contaminação
do gás, principalmente com oxigênio liberado
das superfícies metálicas do catodo, fazem
com que o fator de multiplicação diminua.
 Detectores Proporcionais usam fluxo contínuo
da mistura gasosa para evitar esses
problemas.
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Cintiladores
 Converter
a energia depositada em um
pulso de luz, com grande eficiência.
 Intensidade de luz  energia depositada.
 Meio transparente para a luz produzida.
 Tempo de emissão curto.
 Fácil de produzir em grandes dimensões.
 Índice de refração próximo ao do vidro.
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Tipos
 Orgânicos


Líquidos: NE213, NE216, ...
Plásticos: NE103, NE105, ...
 Inorgânicos


Ativados: NaI(Tl), CsI(Na), ...
Puros: BGO (Bi4Ge3O12), BaF2
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Mecanismo de Cintilação (orgânicos)

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Inorgânicos Ativados
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Emissão de Luz
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Material
max(nm)
(s)
fotons/MeV
NaI(Tl)
415
0,23
38000
NE102A
432
0,002
10000
BGO
505
0,30
8200
BaF2 (S)
310
0,62
10000
BaF2 (F)
220
0,0006
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-
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Fotomultiplicadora
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Características
 Material


dos dinodos:
NEA: G ~ 55N
Convencional: G ~ 5N
(~107)
 Características temporais.
 Sensíveis a campos magnéticos.
 Ganho
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Variações: Microchannel Plate
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Fotodiodos (conv./avalanche)
 Pequenas
dimensões.
 Não é sensível a campos magnéticos.
 Baixas tensões, baixa potência.
 Baixo rendimento (convencional)
 Alto ruído (avalanche)
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Detectores Semicondutores
 Pequenas
dimensões
 Portátil
 Boa
resolução em energia
 Boa resolução temporal.
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Contato Ôhmico
 Se
pegarmos um cristal semicontutor e
nas extremidades aplicarmos uma
diferença de potencial, o efeito será (à
temperatura ambiente) como num resistor
comum.
 Essa corrente elétrica pode ser bloqueada
pela elaboração de uma junção
retificadora (junção pn)
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Junção pn difusa
O
processo de difusão térmica produz a
junção a cerca de 1-2 m da superfície.
 A junção é difusa, com extensão de alguns
microns.
 Esses fatos implicam numa zona morta
relativamente espessa, na parte frontal do
detector, por onde entram as partículas a
serem detectadas.
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Barreira de Superfície
(culinária!)
 Peque
um disco fino de Si tipo n.
 Limpe bem a superfície do Si com ataque
químico (etching).
 Deixe a superfície oxidar ligeiramente.
 Evapore uma fino filme de Au.
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O detector “Científico”
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Zona de Depleção (exaustão)
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Detectores de Ge
radiação g, necessário volume
grande e elementos pesados (Z grande).
 Ge: (Z=32>>Z=14 do Si) – é possível a
produção de amostras extremamente
puras e em grandes quantidades.
 Por ter gap pequeno (~0.66 eV) a corrente
à temperatura ambiente é muito grande:
devem ser resfriados.
 Para
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Refinamento por zona de fusão
O material “bruto”, já de altíssima pureza (grau
eletrônico) é preparado na forma de um lingote
de ~8x4x60 cm)
 Num tubo de quartzo inclinado o material é
localmente aquecido (indução) até a fusão.
 Deslocando-se o aquecedor da parte inferior à
superior, desloca-se a zona fundida, e com ela
as impurezas (que são mais solúveis na fase
líquida)

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Germânio Hiper-Puro
O
material resultante contém impurezas
em quantidades menores que 109
átomos/cm3.
 À partir de uma semente, cresce-se um
mono cristal cilíndrico de dimensões de
até ~12 cm de diâmetro por ~ 20 de
comprimento. (zona de depleção de até
~3cm)
 Alto custo (20 – 100K US$)
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Características
~1.5 – 2.2 keV (FWHM) para a
linha de 1.33 MeV do 60Co
 Eficiência relativa: 10 a 110% da eficiência
(fotoelétrico) de um cintilador NaI de 7.5
cm de diâmetro por 7.5 cm de
comprimento (3x3 polegadas)
 Resolução temporal: Ruim em coaxiais,
boa em planares.
 Resolução:
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Tipo-n
 Cristais
hiper-puros tipo p são mais
fáceis de se fabricar.
 Cristais tipo n são mais resistentes a
nêutrons e podem ser reciclados por
processo de recozimento (anealing)
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Filtros Anti-Compton
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Grandes Detectores
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Detectores Segmentados
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AGATA/GRETA
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FIM DA PRIMEIRA PARTE
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