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. 182 + + + - + + 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). 183 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 CVo E rˆ 2rL onde L é o comprimento da câmara e C sua capacitância. 2L C ln( b / a) O potencial é dado por V (r ) Vo CVo r ln 2 a Região Geiger 184 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. 185