Instrumentação Nuclear Detectores Propocional e Geiger Müller

Instrumentação Nuclear
Detectores Propocional e Geiger Müller
Capítulo 6 e 7 – Radiation Detection and
Measurement, KNOLL – 3a Edição.
Júlio Cesar Suita
23 de agosto de 2013
1
1 – Contador Proporcional
1.1 – Introdução
Contadores Proporcionais são operados no modo pulso e se baseiam no
fenômeno da multiplicação no gás para amplificar a carga gerada pela
partícula incidente.
Os pulsos gerados são milhares de vezes maiores que o das câmaras de
ionização.
Uma aplicação importante seria na detecção de raios-x de baixa energia.
Também são aplicados na detecção de nêutrons.
Muitos dos conceitos vistos para as câmaras de ionização também são
aplicados para os detectores proporcionais.
2
1.2 – Multiplicação no Gás - Avalanche
O efeito de multiplicação no gás é consequência da aplicação de um
campo elétrico suficientemente intenso.
Para valores baixos do campo a mobilidade dos íons e elétrons não atingem
a energia de ionização.
Os elétrons livres são facilmente acelerados a atingem mais facilmente a
energia cinética necessária a geração de novas ionizações.
O limiar de campo elétrico necessário para tornar a energia cinética dos
elétrons livres (entre colisões) grande o suficiente para gerar nos pares
de íons é da ordem de 106 V/m.
Os elétrons liberados nas ionizações secundárias também são acelerados e
passam a contribuir na multiplicação do número de pares de íons,
gerando um efeito cascata conhecido por Avalanche de Townsend.
3
4
A fração de crescimento do número de elétrons livres por unidade de
comprimento é dada pela equação de Townsend:
dn/n = α dx
Onde α é chamado de primeiro coeficiente de Townsend para o gás.
5
Para campos uniformes (placas paralelas), α é constante na equação de
Townsend, sua solução preve que a densidade de elétrons cresce
exponencialmente com a distância:
n(x) = n(0) eαx
Em geometria cilíndrica, o campo elétrico aumenta de intensidade na
direção do catodo central.
No contador proporcional, o processo de avalanche termina quando
todos os elétrons livres são capturados no anodo.
Em condições apropriadas, o número de íons secundários pode ser
mantido proporcional ao número de íons primários (proporcional a energia
depositada pela partícula), mas multiplicado por um fator de vários milhares.
Essa característica diminui a dependência de amplificação do sinal e torna
a razão sinal ruído muito mais favorável.
A performance dos contadores proporcionais é mais sensível a impurezas.
6
1.3 – Regiões de Operação dos Detectores
As regiões de operação dos diferentes tipos de detectores a gás que
operam por pulso podem ser vistas na figura:
7
Na figura são observadas as seguintes regiões:
•Campo insuficiente para evitar recombinações;
•Saturação de íons (câmara de ionização);
•Multiplicação de íons com manutenção da proporcionalidade entre o
pulso original e o amplificado;
•Proporcionalidade parcial devido a efeitos não lineares relacionados a
concentração de íons positivos;
•Região Geiger-Mueller: quando o campo elétrico é intenso o suficiente
para que a avalanche crie um grande número de íons positivos que tendem
a atenuar o campo para uma intensidade insuficiente para gerar novas
multiplicações. O processo é alto limitante e irá terminar quando o mesmo
número de íons positivos é criado, independente do número de pares de
íons criados pela radiação.
8
1 – Escolha da Geometria
A geometria típica é a cilíndrica, onde o anodo é formado por um fio
posicionado no eixo central do cilindro:
9
1) A multiplicação requer um campo elétrico intenso.
Na geometria cilíndrica o o campo em função de r é dado por:
ξ(x) = V / r . ln(b/a)
Onde:
V = voltagem entre eletrodos;
a = raio do fio do anodo;
b = raio interno do catodo.
Valores elevados do campo ocorrem nas vizinhanças do anodo.
Para ilustrar:
Suponha V = 2000V, a = 0,008 cm e b = 1 cm. A intensidade do campo na
superfície do anodo será: 5,18 x 106 V/m.
No equivalente para uma geometria paralela com distância entre placas de
1 cm seria necessário aplica uma tensão de 51.800 V.
10
Para que se tenha uma multiplicação uniforme para todos os pares de
íons formados pela radiação incidente, é necessário que a região de
multiplicação seja relativamente pequena comparada com o volume total
da área sensível do detector.
Cada elétron gerado passa pelo mesmo processo de multiplicação,
independente do local de origem (o fator de multiplicação será o
mesmo).
No exemplo o valor limiar para o
campo (106 V/m) é obtido para r
menor que 0,041 cm, (5.a).
O volume contido neste raio é
cerca de 0,17% do volume total de
gás do detector.
11
Simulação por Monte Carlo do
processo de avalanche gerado por
um único elétron:
Verifica-se que o processo é muito
localizado (posição determinável);
O processo de avalanche ocorre
num seguimento limitado do
volume próximo ao anodo;
O contador consegue responder
imediatamente a outro processo de
avalanche que ocorre fora dessa
região;
O tempo morto é menor que no
G-M.
12
2 – Características de Projetos de Contadores Proporcionais
a. Tubos Selados
Um esboço desse tipo de CP é mostrado na figura (própria para raios-x):
13
Para garantir boa resolução de energia é necessário ter uma multiplicação
uniforme ao longo do anodo (gerando sempre o mesmo fator de
multiplicação).
É necessário garantir as condições de simetria axial para manter o campo
elétrico uniforme: ξ(x) = V / r . ln(b/a).
Essa exigência limita o uso de fios muito finos como anodo (mais
vulneráveis a não uniformidades).
Outra fonte de não uniformidades é a região de acoplamento do anodo
com o isolamento do tubo.
A solução mais comum é tornar essa região inerte à multiplicação.
O que se consegue com o uso de Tubos de Campo (Field tubes).
Os Tubos de campo delimitam a área sensível do detector.
14
b. Contadores de Fluxo sem Janela
15
É apropriada para fontes de partículas carregadas e de raios-x.
Geometria fonte anodo bem definida.
O ângulo sólido pode ser do tipo 2π (Pancake) ou 4π.
c. Gases para preenchimento do CP
Como o efeito de multiplicação iônica no gás é fortemente dependente da
migração dos elétrons livres, não se pode usar gases que tenham
afinidade pelos mesmos.
Dessa forma o ar ambiente não pode ser usado por causa do oxigênio.
Contadores selados são convenientes ao uso mas apresentam problemas de
contaminação por leaks.
16
Sistemas a fluxo contínuo requerem suprimentos de gás que podem ser
pesados e onerosos mas contornam os problemas com impurezas.
Os sistemas de fluxo podem ser do tipo once through em que o gás é
liberado para a atmosfera após circular no interior da câmara, ou pode ser
reciclado após passar por um sistema de purificação (tubos de porcela
aquecidos a 350oC).
A influência de impurezas eletronegativas é maios em grandes volumes e
baixas velocidades de drift – uso de CO2 com concentração de O2 de
0,1% resulta em perda de ~10% dos elétrons livres por cm de percurso.
O fenômeno da multiplicação depende da ionização secundária criada
pela colisão dos elétrons livres com as moléculas neutras. Mas nem sempre
isso ocorre. Também podem ser criadas moléculas excitadas que decaem
pela emissão de luz ou UV.
Em condições especiais essas radiações também podem gerar ionizações
no gás, longe do local de origem, por interação fotoelétrica com elétrons
menos ligados à molécula ou com as paredes do CP.
17
Embora esse fenômeno seja importante para os detectores GM, é
indesejável para os CP por comprometer as condições de
proporcionalidade e geração de pulsos espúrios.
O fenômeno provoca ainda um aumento do tempo morto e perda da
resolução espacial.
O problema e resolvido com a adição de pequenas quantidades de gases
poliatômicos (metano) a gases monoatômicos (nobres). Esse aditivo é
chamado de quench gas.
Por causa dos custos, a mistura mais empregada é Argônio 90% e metano
10%, conhecido como gás P10.
3 – Desempenho dos CP (fator de multiplicação, resolução de energia e
espacial).
Podem ser visto nas páginas 169 à 184 do Knoll.
18
4 – Eficiência de Detecção e Curvas de Contagem
a. Ajuste da tensão de operação
Para partículas alfa ou beta, um sinal de pulso será gerado para cada evento
de ionização que deposite energia suficiente na região sensível do contador.
Nos contadores proporcionais tem-se uma única avalanche, o que garante
alguma amplificação, sem perder a proporcionalidade.
Outros ruídos e pulsos espúrios são contados, geralmente com baixa
ionização.
b. Contagens de Alfas
19
Espectro para partículas alfas monoenergéticas com range menor que as
dimensões do detector – caso das partículas alfa.
A eficiência é praticamente 100% em 2 π, com o uso de CP com fonte
interna e correções para autoabsorção e espalhamento no backing.
c. Contagens de Betas
20
Para partículas beta de energias típicas o range excede as dimensões da
câmara.
O número de pares é proporcional a energia depositada no volume de gás.
Os pulsos gerados por betas são portanto de menor amplitude que o de alfas
de mesma energia.
Estes também se apresentam mais espalhados que o pico de alfas.
Numa situação de exposição aos dois tipos de radiação se observa dois
platôs.
Medidas absolutas de atividades de fontes beta devem ser medidas com o
uso de CP de geometria 4 π, como mostrado.
21
c – raio – X e raios gama
Geração de radiação secundária no gás: raios-X K.
22
Contadores Geiger-Mueller (1928)
Avalanches encadeadas – Descarga Geiger (da ordem de 1010 pares de íons).
Todos os pulsos tem a mesma amplitude - contador
23
O pulso gerado tem amplitude da ordem de Volts – dispensa amplificação.
Pelo baixo custo e simplicidade é a melhor escolha quando um sistema de
contagem simples e barato se faz necessário.
Além da falta de informações sobre a energia da radiação, seu tempo morto
é outro fator limitante para o seu uso.
Seu uso, sem correção de tempo morto (50 a 100 μs), está limitado a taxas
de centenas de contagens por segundo.
Os gases empregados também são He ou Ar com alguma mistura para o
quenching ( moleculas organicas ).
24
Geiger Plateau
Todos os pulsos tem a mesma
amplitude – contador;
Efeito de bordas
25
26