Post on 09-Jan-2019
Detectores de RadiaçãoPaulo R. Costa
Instituto de Física da Universidade de São Paulo
Laboratório de Física Moderna
2010
Detectores Cintiladores
• Convertem a energia depositada em um pulso de luz, com grande eficiência.luz, com grande eficiência.
• Intensidade de luz proporcional à energia depositada.
• Meio transparente para a luz produzida.• Tempo de emissão curto.• Fácil de produzir em grandes dimensões.• Fácil de produzir em grandes dimensões.• Índice de refração próximo ao do vidro.
Eletrônica e Aquisição de DadosEletrônica e Aquisição de DadosAmpl.
Detector
CAD PC
Gain
e-in
Shape
out
bits
Canal
TFM
1
cont
agen
s
canal
Espectro
+1
Pulso analógico
do TFMPulso analógico
do Ampl. linear
23
4
.
.
.5
• Estudar os espectros de raios gama emitidos por fontes de 60Co, 137Cs e 22Na através de um detector cintilador de iodeto de sódio (NaI(Tl)).
• Estudar o espectro da radiação de fundo.
Atividades de hoje e da próxima semana
de um detector cintilador de iodeto de sódio (NaI(Tl)).• Estudar o espectro da radiação de fundo.• Determinar o ângulo sólido do detector.• Determinar eficiência absoluta e as eficiências intrínsecas de fotopico e total do
cintilador, assim como a fração pico/total.• Determinar a resolução energética nos fotopicos do 60Co, 137Cs e 22Na .• Fazer uma calibração de energia em função do canal correspondente ao centróide dos
picos de 60Co, 137Cs e 22Na . • Identificar a borda Compton e o pico de retro-espalhamento nos espectros.• Estudar a absorção de raios gama por placas de Al e Pb utilizando o detector cintilador
de iodeto de sódio.de iodeto de sódio.
• Seguir as instruções da APOSTILA• Não se esqueçam de fixar o tempo de aquisição de dados.
comando do programa PLEXM > del nsec
Aquisições iniciais
• Aplicar uma tensão de cerca de 1000 V à fotomultiplicadora do detector de iodeto de sódio (NaI(Tl))
• Ajuste o ganho do amplificador com a fonte de 60Co.
• O pulso de energia mais alta deve ter cerca de 8V de altura.
• Verifique se o espectro do 60Co está totalmente contido dentro dos 256 canais de detecção.
• Adquira um espectro com 500 segundos de uma das fontes radioativas disponíveisradioativas disponíveis
• Guardem as fontes e adquiram um espectro com 500 segundos da radiação de fundo da sala
O cintilador de NaI(Tl)O cintilador de NaI(Tl)
b.c.b.c.
elétron
rápido pp
fótonsTl
b.v.b.v.
NaI(Tl)
NaI(Tl)Iodeto de Sódio dopado com Tálio
Gap:≈7 eV
bb
fótons
Gap:≈7 eV
Energia média por fóton:3 eV
Produção de luz:38 fótons de luz por keV
Material do fotocatodo deve apresentar baixa função de trabalho (1.5 a 2.0 eV)
(K-Cs, Na-K)
∆V~100V (por dinodo)
Características principais
• Ganho da fotomultiplicadora ~ 5N = 107
N é o número de estágios de multiplicação.• Características temporais dos cintiladores.
Tempo de decaimentoOrgânicos: alguns nsInorgânicos : centenas de nsInorgânicos : centenas de ns
• A fotomultiplicadora é sensível a campos magnéticos.
Deposição total da energia do fóton: efeito fotoelétrico
• Efeito Fotoelétrico– Deposição total de energia– Deposição total de energia– Elétron colocado em movimento
beEhE −=− ν
fóton
elétron
Deposição parcial de energia: Espalhamento Compton
• Compton– Transferência parcial de energia para o – Transferência parcial de energia para o
elétron– Fóton espalhado residual
( )=′
ν
ννh
hh
fóton
elétron
Fótonespalhado
θ
( )
( )
( )
−
+
−
=
−
+
−
θν
θνν
θν
cos11
cos1
cos11
20
20
20
cmh
cmh
hE
cmh
e
Deposição parcial de energia: Espalhamento Compton
– Choque frontal≈≈ 0
hνφπθ
– Choque leveo
+
=
+=′
=
=
−
20
20
20
21
2
21
cmh
cmh
hE
cmh
hh
eν
νν
ν
νν
πθ
πθ
– Choque leve
ν≈ν′≈
≈φ≈θ
hh
0
0
E
90 o
0
0
900
1800
≤≤
≤≤
φθ
Centróide: 101,8 c.
Ex:137Cs - 662 keV
ResoluçãoResolução emem energiaenergiaC
onta
gens
Centróide: 101,8 c.
FWHM: 7,4 c.(largura à meia-altura)
Resolução:
48 keV ou 7,3%
FWHMσgauss=FWHM/2.35
σ
Canais
fundo
100)(
)((%) ×=
keVFotopico
keVFWHMR
Espectros de raios γ de uma fonte de 60Co obtidos com um cintilador de NaI(Tl) e com um detector semicondutor de germânio (GeHP).
4000
6000
8000
cont
agen
s
dados brutos fundo corrigido
1400
[05/03/2009 17:14 "/Graph3" (2454895)]Linear Regression for Data6_B:Y = A + B * X
0 50 100 150 200 250 3000
2000
canal
100 120 140 160 180 200 220600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
Parameter Value Error------------------------------------------------------------A -34,57784 4,23847B 6,19539 0,0233------------------------------------------------------------
R SD N P------------------------------------------------------------0,99999 1,86174 3 0,00239------------------------------------------------------------
Ene
rgia
(ke
V)
canal4000
5000
6000
canal
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000
1000
2000
3000
4000
Con
tage
ns
Energia (keV)
Procedimento Experimental
• Calibração em energia
•Colocar uma fonte radioativa de 60Co a uma distância de aproximadamente 5cm do detector cintilador e meça o espectro com 250 segundos
•Meça o espectro de raios gama emitidos pela fonte de 137Cs sem mudar o ganho do amplificador e a posição da fonte de raios gama com 250 segundos
•Fazer uma curva de calibração de energia em função do canal correspondente ao centróide dos picos de 60Co e do 137Cs.
•Verifique o valor tabelado da atividade de cada fonte e determine.
•Determine o ângulo sólido de detecção (Ω) para a fonte posicionada a cerca de 5 cm do detector.•Determine o ângulo sólido de detecção (Ω) para a fonte posicionada a cerca de 5 cm do detector.
•Calcule as eficiências total, intrínseca e intrínsecas de cada fotopico
•Calcule a resolução energética do detector em cada fotopico.
•Identificar a borda Compton e a posição do pico de retro-espalhamento nos espectros.
• Estudar a absorção de raios gama para alumínio (Al) e chumbo (Pb) através das fontes radioativas de 137Cs e 60Co.
•Meça novamente o espectro de fundo com uma boa amostragem estatística.
•Meça o espectro sem absorvedores utilizando tempos de aquisição apropriados e determine a taxa de contagens dos picos de 1173 keV e 1332 keV do 60Co e de 662 keV do 137Cs.
•Meça a espessura das placas absorvedoras de Pb ou Al e meça as taxas de contagens nos fotopicos colocando absorvedores entre a fonte e o detector, até que a taxa seja menor ou aproximadamente igual a 25% da taxa inicial. Bastam cerca de 5 medições com ∆T = 250s ∆T = 250s
•Faça o gráfico em papel mono-log da taxa de contagens em função da espessura do material absorvedor em g/cm2 . Determine a camada semi-redutora e o coeficiente de atenuação lineat do material absorvedor nas energias dos fotopicos
•Repita o procedimento com o outro material absorvedor.
•Calcular o coeficiente de atenuação linear em mm-1 para cada material avaliado e comparar com os valores obtidos pelo XCOM (NIST)
ρ_Al = 2,7 g/cm3 ρ_Pb = 11,4 g/cm3
• Repetir os itens pertinentes para a fonte de 22Na (3ª. AULA)
Comandos do Programa PLEX
1 - in arquivo.spk[,new] abre arquivo para leitura.
2 - del nsec estabelece o tempo nsec de aquisição.
3 - z zera a memória.
4 - run inicia a aquisição.4 - run inicia a aquisição.
5 - mc modo exibição em tempo real.
6 - sv grava o último espectro.
7 - list id arquivo.lis grava dados em formato texto
8 - c (modo cursor) entra no modo cursor.
Neste modo as flechas movimentam o cursor e as teclas [ ] são os delimitadores do pico. A tecla a calcula o centróide e a área do pico, subtraindo o fundo. A tecla q sai do modo cursor.
stop pára a aquisição
d m exibe os dados da memória.
d id exibe espectro salvo (id).
cal a b c calibração y= a+ bx + cx2 (x é o canal).
Itens MÍNIMOS para a sínteseCs-137 Co-60 Na-22
GM cintilador GM cintilador GM cintilador
etot
eint
efotopico
d1/2
Al
Pb
µ (mm-1)Al
Pb
Resolução
energética
• Mais– Incertezas nos resultados barras de erro nos gráficos– GM análise do histograma segundo a estatística de Poisson
– Cintiladores bordas Compton e pico de retro-espalhamento (comparação com as previsões teóricas)
BibliografiaBibliografia
• Glenn F. Knoll – Radiation Detection and Measurements –John Wiley & Sons (1989).• Kenneth S. Krane – Introductory Nuclear PhysicsJohn Wiley & Sons (1988) .
•R.V. Ribas, J.R.B. Oliveira, M.A. Rizzutto e N.H. Medina –Detectores de radiação - XIV EVJASFNE (2006).
•R. Eisberg e R. Resnick - Física Quântica, ed. Campus.•R. Eisberg e R. Resnick - Física Quântica, ed. Campus.
• J. H. Vuolo - Fundamentos da Teoria de Erros (Edgard Blücher Ltda. - 1996)