InstNuc-DET

Instrumentação Nuclear 2003
Interação de partículas carregadas e da
radiação eletromagnética com a matéria
 Detectores
 Eletrônica NIM
 Aquisição de Dados

Avaliação
Trabalho escrito sobre a instrumentação a
ser utilizada na tese/dissertação (capítulo da
tese)
 Trabalho escrito sobre instrumentação a ser
definida.

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)
Freamento Eletrônico
Região de altas velocidades: O íon em recuo está
completamente ionizado. Esta é a região Bethe-Block,
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.

Programa stopx




proj 16o
en 10 70 2
en 25.4 35.2
absb
– 27al 1.5 (Al, mg/cm2)
– Al2O3 2.3 (composto)
– c1h4 GAS 500 -30. (composto, gás, 30 cm)
– .1*(C 1H4)+.9*40AR GAS 500. -30. (mistura)
Absorção de Fótons
Distribuição Angular Compton
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.

Coleção de carga e formação do
pulso
a) Detector ideal (RC=0)
b) RC  tc
c) RC  tc
RC tc
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…)
Eficiência
Absoluta:
Intrinseca:
 abs 
 int
nregistrado
nemitido

a 2
d
2
2
4

4
d
nregistrado
 nincidente   abs
  abs 2

a
nregistrado
Relativa:  el  n det . padrão
registrado
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
elétron-íon positivo é de cerca de 30-35 eV.
 1MeV = 30.000 pares

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.

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.
Mobilidade das Cargas

Velocidade de arrasto de elétrons
Íons têm massa grande e
mobilidade baixa:
E
v
p
onde E é o campo elétrico
aplicado, p a pressão e 
a mobilidade.
ve  10 vion  1cm / s
3
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.
Câmara de Ionização

Trabalho efetuado para a coleção das cargas:
1
2
2


C (Vo  V )  no eE (v t  v t )
2
Forma do Pulso no resistor R
Vmax depende da posição em que a ionização ocorre!
Grade de Frisch
Desempenho

Boa resolução: Se toda a energia da
partícula for convertida em ionização, a
variânça de no será nula. Se o processo for
puramente estatístico, será no (Poisson).
Normalmente ela é algo intermediário:
 F/N
2
 Vo
pequeno: E=1 MeV: V0~5.10-5 V
Detector Proporcional

Com campo elétrico
aplicado grande (ma non
troppo), a avalanche de
Townsend produz uma
multiplicação de cargas que
é proporcional a no.
Geometria para Amplificação

Cilíndro: Campo pró-ximo
ao anodo (raio pequeno)
muito intenso.
V
E (r ) 
r ln( b / a)

b=raio externo
 a=raio do anodo
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!)

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!

Detectores Sensíveis a Posição
Grandes áreas: Múltiplos Anodos
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.
Descarga Geiger
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.

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.

Vida Útil
Contadores Geigers são normalmente selados.
 Ao longo do tempo, a deteriorização 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.

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.
Tipos

Orgânicos
– Líquidos: NE213, NE216, ...
– Plásticos: NE103, NE105, ...

Inorgânicos
– Ativados: NaI(Tl), CsI(Na), ...
– Puros: BGO (Bi4Ge3O12), BaF2
Mecanismo de Cintilação (orgânicos)

Inorgânicos Ativados
Emissão de Luz
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
-
Fotomultiplicadora
Características

Material dos dinodos:
– NEA: G ~ 55N
– Convencional: G ~ 5N
Ganho (~107)
 Características temporais.
 Sensíveis a campos magnéticos.

Variações: Microchannel Plate
Fotodiodos (conv./avalanche)
Pequenas dimensões.
 Não é sensível a campos magnéticos.
 Baixas tensões, baixa potência.
 Baixo rendimento (convencional)
 Alto ruído (avalanche)

Detectores Semicondutores
Pequenas dimensões
 Portátil
 Boa resolução em energia
 Boa resolução temporal.

Contato Ohmico

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)
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.

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.
O detector “Científico”
Zona de Depleção (exaustão)
Detectores de Ge
Para 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.

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)

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$)

Características
Resolução: ~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.

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)

Filtros Anti-Compton
Grandes Detectores
Detectores Segmentados
AGATA/GRETA