Instr Nucl 2

Instrumentação Nuclear
Câmara de Ionização
Capítulo 5 – Radiation Detection and
Measurement – KNOLL.
Júlio Cesar Suita
05 de agosto de 2013
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Introdução
Câmara de Irradiação é o mais simples dos detectores a gás.
Como os demais detectores, podem ser operadas nos modos corrente e
pulso.
Nas aplicações mais comuns, são operadas no modo corrente, ao contrário
dos demais detectores a gás (Proporcional e Geiger) que são operados no
modo pulso.
O termo Câmara de Ionização é convencionalmente usado exclusivamente
para o tipo de detectores em que o par de íons é coletado no gás.
1 - Princípios do Processo de Ionização em Gases
Uma partícula carregada energética gera tanto moléculas excitadas quanto
moléculas ionizadas. Na ionização, as moléculas ionizadas e os elétrons
livres formam um par iônico, que são os constituintes básicos do sinal
elétrico gerado.
Dependendo da radiação, a interação pode ser direta ou secundária: raiosdelta.
O parâmetro de interesse é o número total de pares iônicos gerados.
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1.1 - Número de Pares de Íons
Formados
•No mínimo, a partícula tem que
transferir o montante de energia
necessário à ionização da molécula
de gás, que varia entre 10 e 25 eV.
•Entretanto, a energia média
transferida pela partícula para formar
um par iônico (W), é
substancialmente maior. Tipicamente
entre 25 e 35 eV.
•O valor de W varia pouco com o tipo
de gás, de partícula e sua energia.
•Uma partícula de 1 MeV totalmente
parada no gás deverá gerar cerca de
30000 pares de íons.
•Essa relação é praticamente linear.
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1.2 - Difusão, Transferência de
Carga e Recombinação
•Moléculas estão em constante
agitação térmica e possuem livres
caminhos médios da ordem de
10-6 a 10-8 m.
•Íons e elétrons livres também
compartilham a tendência de difusão
– elétrons em maior grau.
Concentrações tendem a se dispersar
numa função Gaussiana cuja largura
aumenta com o tempo. Em primeira
aproximação:
σ = √2Dt
D : constante de difusão é
determinada pela teoria cinética
dos gases.
•Dos muitos tipos de colisões que
ocorrem entre moléculas neutras,
ionizadas e elétrons livres tem-se:
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Colisões entre íons positivos e elétrons livre pode resultar em
recombinações.
Colisões entre íons negativos e íons positivos também pode resultar
em recombinação, quando o par deixa de contribuir para a geração
do sinal.
Como a frequência de colisões é proporcional ao produto das
concentrações das duas cargas envolvidas, a taxa de recombinação
pode ser:
Onde:
n+ = densidade de íons positivos;
n- = densidade de espécies negativas;
α = coeficiente de recombinação
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Há dois tipos de perdas de íons por recombinações: por coluna (inicial) e
por volume.
Inicialmente a concentração de íons é alta no local de incidência, até que
os pares se difundam e migrem.
A recombinação colunar é mais severa para fragmentos de fissão ou
partículas alfa e independe da taxa de incidência.
Recombinação volumétrica aumenta de importância com o aumento da
taxa de contagens.
Por isso a taxa de coleta dos íons deve ser o mais rápido possível para
minimizar as recombinações. Campos elétricos de alta intensidade são
indicados.
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2 - Migração e Coleta de Cargas
2.1 – Mobilidade de Carga
Se um campo elétrico é aplicado na área de concentração das cargas no
detector, sua força eletromotriz irá deslocá-las.
A mobilidade é uma superposição entre o deslocamento (drift) e a
agitação térmica.
Para os íons no gás a velocidade de drift pode ser dada por:
ν = µ.ξ / p
Onde
ν = velocidade de drift
µ = mobilidade
ξ = intensidade do campo elétrico
p = pressão do gás
µ tende a manter-se constante para grandes intervalos de ξ e p e não difere
entre íons negativos e positivos.
Valores típicos variam entre 1 e 1,5 x 10-4 m2 atm / V . s
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Portanto, uma pressão de 1 atm em um campo de 10000 V/m irá gerar
uma velocidade de drift da ordem de 1 m/s.
O que acarreta uma velocidade de trânsito dos íons no detector da ordem
de 10 ms, o que é muito longo.
Os elétrons livres se deslocam 1000 vezes mais rápidos.
O tempo típico de coleta para elétrons é da ordem de microsegundos.
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2.2 – Corrente de Ionização
No campo elétrico o drift das cargas elétricas formam uma corrente
elétrica.
A medição da corrente de ionização é o princípio básico de operação da
câmara de ionização dc.
Ions saturation - operação
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2.3 - Corrente de Saturação – Fatores que a afetam
Fatores que impedem a obtenção da corrente de saturação:
•Recombinação de coluna (fragmentos de fissão e partículas alfas);
•Recombinação volumétrica (altas taxas de contagem);
•Tensão inadequada (muito baixa);
•Volume da área útil inadequado;
•Em câmaras que usam ar ambiente a umidade alta também interfere.
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Numa produção uniforme de íons no volume do gás exposto ao campo
elétrico, o drift de cargas irá gerar uma alteração nas concentrações em
regime estacionário. O gradiente de concentração tende a criar uma
migração contrária das cargas, afetando a medida da corrente de íons.
Em análise feita por Rossi e Staub sobre a perturbação na medida da
corrente de íons em eletrodos planares tem-se:
ΔI / I = ϵ.k.T / e.V
ϵ = razão entre a energia média dos carregadores de carga na presença do
campo elétrico em relação àquela na ausência de campo elétrico;
k = constante de Boltzmann;
T = temperatura absoluta;
e = carga do elétron;
V = tensão aplicada entre os eletrodos.
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A intensidade da perda na corrente de saturação depende primeiramente
da tensão aplicada V e da grandeza de ϵ.
Em temperatura ambiente o valor de kT/e é de cerca de 2.5 x 10-2 V.
Para íons, o valor de ϵ não é muito maior do que 1, o que torna ΔI/I
desprezível.
Quando a carga negativa é carregada por elétrons, ϵ pode ser da ordem de
algumas centenas, o que acarreta perdas consideráveis na corrente de
saturação.
Como ϵ tende a uma saturação com o aumento da tensão V, o efeito é
minimizado pelo uso de altas tensões.
Perdas devido a drifts e recombinações volumétricas são mais fáceis de
reduzir com o aumento do campo elétrico do que aquelas causadas por
recombinação de coluna.
Resultados de medidas experimentais podem ser empregados na estimativa
dessas perdas.
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3 – Desenho e Operação de Câmaras de Ionização (DC)
3.1 – Considerações Gerais
As cargas negativas são coletadas tanto via elétrons quanto íons
negativos.
Qualquer tipo de gás pode ser usado, inclusive os que apresentam altos
coeficientes de captura de elétrons livre.
Embora recombinações sejam mais significativas para íons negativos,
suas perdas por difusão são menores.
Condições de saturação são alcançadas em dimensões de poucos
centímetros com tensões da ordem de centenas de Volts.
O ar ambiente produz muitos íons negativos e é muito empregado em CI
– especialmente da determinação de doses por emissão gama.
Os gases densos (metano) são empregados quando se quer aumentar a
densidade de ionização.
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A pressão geralmente empregada nas CI é de 1 atm, muito embora
pressões maiores possam ser aplicadas para aumentar a sensibilidade.
A geometria pode variar. A mais simples é a planar (campo uniforme), mas
geometrias cilíndricas também são empregadas (tensão aplicada na haste
central).
3.2 – Isolantes e anéis de guarda
Na concepção da CI algum isolamento deve ser feito entre os eletrodos.
Como as correntes de ionização são muito baixas, (~10-12 A), deve-se
evitar correntes de fuga.
Para uma tensão de 100V a resistência tem que ser maior que 1016 ohms.
Mesmo materiais que tenha essa resistência podem apresentar correntes de
fuga pela superfície.
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A solução é a adoção de um dispositivo composto por anéis de guarda
(guard rings) para evitar as correntes de fuga.
O isolamento é feito em duas etapas.
A maior parte da queda da tensão ocorre no isolamento externo.
A corrente de fuga deixa de passar pelo instrumento de medição.
Os materiais isolantes podem ser polímeros ou cerâmicas.
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3.3 – Medida da Corrente Iônica
A corrente gerada pelos íons é muito pequena para se medir com o uso de
galvanômetros convencionais.
Alguma amplificação tem que ser aplicada ao sinal para tornar a medida
indireta possível.
Um eletrômetro mede indiretamente a corrente sentindo a variação da tensão
entre as extremidades de uma resistência instalada em série no circuito.
Cuidados devem ser tomados quanto a estabilidade e calibração do sistema
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4 – Medidas de Doses de Radiação com o uso de Câmara de Ionização
4.1 – Exposição por raios-gama
Em condições próprias a determinação da ionização do ar numa Câmara de
Ionização pode fornecer uma medida acurada da taxa de exposição devido
aos raios-gama.
A medida é particularmente complexa porque, a princípio, seria necessário
coletar todos os elétrons secundários para se determinar a ionização
produzida pela radiação incidente.
Como o alcance desses elétrons no ar pode ser da ordem de metros, tornase impraticável fazer a medida direta de todos os elétrons secundários.
O problema é contornado com o emprego do princípio da compensação.
Toda as cargas de ionização criadas fora de um volume teste pelos
elétrons secundários é compensada pela ionização causada pelos elétrons
secundários produzidos nas circunvizinhanças.
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Câmara de Ionização free-air com eletrodos de bordas insensíveis.
Compensação ocorre no plano horizontal
Free-air CI é empregado para medidas de exposições a raios-gama de até
100keV.
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Para energias mais altas, o alcance dos elétrons secundários cria
dificuldades para o uso da técnica free-air.
A dosimetria de raios-gama com energias mais altas é feita com
dispositivos chamados de Câmara de Cavidade, na qual um pequeno
volume de ar é circundado por material sólido que possuem propriedades
semelhantes ao ar.
Para ilustrar, na figura tem-se:
a- eletrodo ideal no centro de uma sala uniformemente irradiada
(impraticável);
b- material equivalente (ar comprimido num pequeno volume mantendo o
número de moléculas).
Na realidade, são usados materiais leves como alumínio e plásticos.
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Quando as paredes sólidas da câmara são suficientemente espessas
comparadas ao alcance dos elétrons secundários, é atingido o equilíbrio
eletrônico, onde o fluxo de elétrons que entra na câmara é igual ao número
que sai, independente da espessura adicional das paredes.
Desconsiderando a atenuação dos raios-gama, a corrente de ionização
medida independe da espessura das paredes.
A tabela abaixo lista as espessuras mínimas equivalentes para se garantir o
equilíbrio eletrônico.
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Para uma Câmara de Ionização ar-equivalente a taxa de exposição R
em C/kg . s é dada pela razão entre a Corrente de Saturação Is (amperes) e
a massa M (kg) contida no volume ativo:
R = Is / M
A massa do ar é calculada pelo volume da câmara e sua densidade nas
CNTP,
M = 1,293 (kg/m3) . V . (P/Po) . (To/T)
Onde:
V = Volume da câmara;
P = pressão do ar no interior da câmara;
Po = pressão padrão ( 760 mm Hg);
T = temperatura do ar no interior da câmara;
To = temperatura padrão (273,15 K).
Em medidas rotineiras, as taxas de exposições são da ordem de 10-3
roentgens/h (7,167 x 10-11 C/kg . s).
Dendo-se V = 1000 cm3, Is (em Po e To ) é igual a 9,27 x 10-14 A.
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Das equação anteriores: a corrente de saturação esperada é
proporcional à massa de gás contida na câmara, que só pode ser
aumentada expandindo-se o volume ou aumentando a pressão.
Por isso, câmaras desenvolvidas para medição de pequenas taxas de
exposição são operadas a pressões altas, de forma a garantir a sensibilidade
necessária.
Nessas condições o Argônio é geralmente empregado para diminuir a
probabilidade de recombinações.
5 – Aplicações de Câmaras Iônicas DC
5.1 – Monitores de Radiação
Câmaras portáteis de vários desenhos são usadas em instrumentos de
monitoração de radiação. Em geral tem volumes de ar confinado da
ordem de centenas de cm3 e as correntes iônicas saturadas são medidas
com circuitos eletrômetros que operam com baterias.
As paredes em geral são de alumínio ou plástico.
Seguem exemplos:
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5.1 – Calibradores de Fontes
Radioativas
Muitas das aplicações das Câmaras
de Ionização tiram vantagem de suas
excelentes condições de
estabilidade.
Quando operadas na região de
saturação a corrente iônica depende
apenas da geometria da fonte e do
detector e permanecem estáveis por
longos períodos.
As doses radiativas de fontes de
raios-gama podem ser calibradas
pela comparação de sua atividade
com a de fontes padrões.
A estabilidade é da ordem de ~ 0,1%
por anos, o que elimina a
necessidade de calibrações
frequentes.
Uma geometria especial é adotada
(tipo poço).
•Volume de ~103 cm3
•Paredes de aço ou latão
•Eletrodos de Al ou Cu fino
•Corrente de saturação para 1 µCi de
60Co da ordem de 10-13A
•Se pressurizada a 20 atm Is cerca de
25
20 vezes maior
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