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8/17/2019 fisicadasradiacoes_10a12

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10. DETECTORES ATIVOS DE R ADIAÇÃO

10.1 I NTRODUÇÃO

Os detectores ativos têm sua utilização justi-ficada quando há a necessidade de se obter instanta-neamente a confirmação da presença de radiação nomeio ambiente e em muitos casos, o valor desta radi-ação. Muitos tipos de detectores ativos podem produ-zir um sinal observável para um fóton individual deradiação (partícula alfa ou de raios X, por exemplo).Outros detectores podem produzir um sinal que cor-

responde ao efeito coletivo de muitos fótons intera-gindo no detector dentro de seu tempo de resposta.

Em muitos tipos de equipamentos, uma única partícula ou fóton libera uma certa quantidade decarga Q como resultado do depósito de sua energiano material detector. Por exemplo, em um gás, Q representa a carga positiva total carregada pelos íons positivos produzidos durante o trajeto da partícula oufóton. A mesma carga, porém de sinal contrário, écarregada pelos elétrons livres que também são gera-dos. Esta carga é gerada durante um espaço de tempomuito pequeno, geralmente menor que 1 nanosegun-do, enquanto a partícula freia e pára sua trajetóriadentro do gás. Então, a carga é coletada num períodode tempo muito maior, na faixa de poucos nanose-gundos a vários microsegundos. No gás ou no semi-condutor, a carga é recolhida através do movimentode portadores de carga individuais em campos elétri-cos que são estabelecidos dentro do detector. Como omovimento destas cargas representa uma correnteelétrica, a resposta do detector a um fóton único deenergia pode ser modelada como uma explosão mo-mentânea de corrente que inicia com a parada da par-

tícula incidente e termina uma vez que todos os portadores de carga tenham sido recolhidos. Se o de-tector está sob contínua irradiação, uma seqüênciadestas explosões de corrente serão produzidas, uma para cada fóton ou partícula interagente. Em muitasaplicações o tempo de chegada de cada fóton irradia-do é aleatoriamente distribuído, o que implica numageração de carga Q também esparsa no tempo.

Para um bom e rápido entendimento, assu-me-se que o tempo médio entre eventos de interaçãono detector é muito grande se comparado ao tempode recolhimento das cargas. Cada explosão de

corrente é pois distinto, e a integral ou área abaixo dacurva característica de tempo versus corrente paracada explosão é a carga Q formada por aquele even-

to.

1a interação 2a interação

Corrente

tempo

Q1 Q2

tempo entre interações

Figura 10.1 Intensidade da corrente elétrica den-tro da câmara após cada interação.

Por que a quantidade de energia depositada pode ser diferente para eventos distintos, cada umdestes pulsos de corrente pode representar uma cargatotal Q diferente. Além do mais, o tempo de recolhi-mento de cargas pode também ser variável. Logo, ocomprimento de cada uma dessas explosões de cor-rente pode ser diferente.

Existem, pois, 3 formas de se medir a cargaQ produzida pela interação dos fótons e partículas

com o detector:• corrente;• integração; e• pulso.

10.1.1. Modo de Corrente

Uma forma de produzir um sinal elétrico emum detector ativo a partir das cargas nele geradas éconectando sua saída a um amperímetro com tempode resposta lento. Se este tempo de resposta é longoem relação ao tempo médio de espaçamento entre asexplosões de corrente, então o amperímetro mediráuma corrente que é dada pela taxa média da formaçãode carga calculada sobre muitos fótons individuais deradiação. Este modo de operação é conhecido comoMODO DE CORRENTE e muitos dos detectores comuns podem operar neste modo. A corrente medida repre-senta o produto da taxa na qual os fótons estão inte-ragindo com o detector multiplicado pela carga Q média criada por um simples fóton. Para uma dadafonte de radiação, dobrando-se sua intensidade do- brará a corrente observada no instrumento. Com tu-

do, correntes diferentes resultarão de radiações quetenham taxas de interação igual mas depositam umaenergia média diferente em cada interação. Ou seja,


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58 Parte 1 – F ÍSICA DAS R ADIAÇÕES

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podemos ter uma partícula alfa por segundo intera-gindo com o gás que fornecerá uma carga Q e, con-seqüentemente uma corrente I, dezena de vezesmaior que um fóton X incidindo também uma vez por segundo.

10.1.2. Modo de integração

Existem algumas circunstâncias na qual acorrente gerada no detector é simplesmente integrada(somada) durante o tempo de exposição e a carga to-tal acumulada é medida ao seu término. Esta opera-ção em MODO DE INTEGRAÇÃO fornece informaçõesque estão relacionadas com o total da exposição, porisso está impossibilitada de detalhar possíveis altera-ções na intensidade da radiação durante o tempo totalde exposição. Neste aspecto, pode ser comparadacom a informação fornecida por detectores passivos.Câmaras de ionização portáteis são utilizadas algu-

mas vezes desta maneira; a carga ionizada total émedida pela anotação da queda de tensão através dacâmara depois que ela foi inicialmente carregada uti-lizando-se uma fonte de tensão de referência. O mo-do de integração pode ser útil quando uma medidadireta de pequenas correntes é difícil ou impraticávelde ser realizada.

10.1.3. Modo de pulso

Em muitas aplicações, a informação só é in-

teressante se revelar as propriedades de fótons indi-viduais. Em tais casos, a operação do detector noMODO DE PULSO é empregada, na qual um pulso elé-trico separado é gerado para cada fóton individualque interage com o detector. A saída do detector deveser conectada a um circuito de medição conforme afigura 5.2. Este circuito pode representar, por exemplo, o estágio de entrada de uma unidade pré-amplificadora. O sinal básico é a tensão observadaatravés do circuito que consiste em um resistor (R) eum capacitor (C). Este tipo de configuração tem umaconstante de tempo associada ao produto entre o va-

lor do resistor e o do capacitor (R x C). Para facilitar,será assumido que esta constante de tempo é grandese comparada com o tempo de recolhimento das car-gas do detector, mas pequena relativamente ao tempomédio entre as interações de fótons individuais com odetector.

Sob estas circunstâncias, cada fóton interagi-do causa um pulso de tensão na forma como apresen-tada na figura 5.1.c. O pulso de tensão cresce duranteo tempo de recolhimento da carga e atinge seu má-ximo quando toda a carga foi capturada. Então decaide volta a zero exponencialmente com o tempo ca-

racterístico dado pela constante de tempo RC do cir-cuito de medida. Este tipo de pulso de sinal éobservado em pré-amplificadores usados com muitos

tipos de detectores comuns de radiação.A mais importante propriedade deste pulso é

seu tamanho máximo, ou amplitude. Sob as condi-

ções descritas, a amplitude é dada porC

QV =max ,

onde Q é a carga produzida por um fóton individualno detector e C é a capacitância do circuito de medi-

da. O pulso é então amplificado e formatado em umasegunda unidade, conhecida como amplificador line-ar, de forma a preservar a proporcionalidade da amplitude do pulso com a carga Q produzida nodetector.

detector

∫ = dt t iQ )(

i(t)

tempot C

T e n s ã o

tempo

VMÁX= Q / C

C o r r e n t e

v(t)

+v(t)-

RC

R•C >> tC

(a)

(b)

(c)

Figura 10.2 Sinal de tensão no modo de pulso: (a)circuito RC para coleta do pulso; (b) forma da

corrente durante a interação; (c) forma da tensãono capacitor.

10.2 E FICIÊNCIA DO DETECTOR

A eficiência de um detector é a medida dequantos pulsos ocorrem para um dado número de fó-tons gamas emitidos por uma fonte conhecida. Mui-tas definições de eficiências são utilizadas

comumente nos detectores de raios gama, tais como:• Eficiência absoluta – a razão entre o nú-mero de contagens realizadas no sensor pelo número de raios gama emitidos pelafonte, em todas as direções;

• Eficiência intrínseca – a razão entre onúmero de pulsos contados no sensor pelonúmero de raios gama que atingem odetector;

• Eficiência relativa – eficiência de um de-tector em relação a outro; comumenteocorre a comparação entre um detector de

germânio em relação a um cristal de NaIde 3” de diâmetro por 3” de comprimento,ambos a 25 cm de uma fonte pontual, so-


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DETECTORES ATIVOS DE R ADIAÇÃO 59


mente com energia específica de1,33 MeV;

• Eficiência de pico de energia total (Foto- pico) – a eficiência para produzir apenas pulsos de energia total, ao invés de pulsosde qualquer tamanho para raios gama.

Certamente, para ser útil, o detector deve sercapaz de absorver uma grande parte da energia dosraios gama ou fótons que o atingem. Isto é assegura-do pelo uso de detectores de tamanho razoável ou pela escolha de um material de alto número de mas-sa. Na figura 5.3, podemos ver a curva de eficiênciade pico de energia total para um detector de Germâ-nio para diversos tipos de elementos radioativos. Ne-la podemos verificar que o Ge só é indicado para aavaliação da radiação gerada pelo Cobalto, Cádmio eCério, e, eventualmente, Mercúrio e Estanho.

Energia (keV)

Figura 10.3 Curva de calibração da eficiência.

10.3 R ESOLUÇÃO DO DETECTOR

Resolução é a medida da largura (FWHM) deum pico único de energia de uma freqüência especí-fica, expresso tanto em keV absolutos (para os detec-tores de germânio, por exemplo) quanto como percentual da energia naquele ponto (detectores deiodeto de sódio). Resoluções melhores (menores) permite ao sistema separar mais claramente os diver-

sos picos dentro do espectro.A figura 5.4 mostra dois espectros coletadosde uma mesma fonte, onde foram utilizados detecto-

res de germânio e iodeto de sódio. Embora seja umespectro relativamente simples, os picos apresentados pelo detector de iodeto de sódio estão de certa forma,se sobrepondo, enquanto aqueles apresentados pelodetector de germânio estão claramente separados. Os picos representam a radiação característica da fontede radiação, enquanto que os valores intermediários

descrevem a radiação de freamento. Neste caso, noGráfico (a) podemos contar facilmente a existênciade mais de 16 picos distintos de energia, que irão representar as emissões características de transição dafonte medida. Já no Gráfico (b), como a resolução é pior, e as energias muito próximas são misturadas, aidentificação da radiação característica se resume a10 picos distintos.

(a) energia (keV)

(b) energia (keV)

Figura 10.4 Espectros de energia emitidos pelamesma fonte: (a) detector de germânio; (b) detec-

tor de iodeto de sódio.

10.4 DETECTOR DE C ÂMARA DE G ÁS

O detector de câmara de gás, um dos senso-res mais utilizados em radiometria, é basicamenteuma câmara metálica, que faz o papel do cátodo,cheia de gás, e que contém um fio positivamente po-

larizado, que serve de ânodo. Pode-se também cons-truir a câmara com dois eletrodos internamente, ondeum será o cátodo e o outro, o ânodo. Entre os dois

Eficiência

conta em

conta em


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eletrodos é aplicada uma diferença de potencial (ten-são) que, conseqüentemente, colocará o gás sob aação de um campo elétrico. Um fóton, ao passar pelogás, produz um elétron livre e um íon positivo. Estasduas cargas sofrerão a ação do campo elétrico presente na câmara e serão arrastadas em direção aoseletrodos. Os elétrons serão coletados pelo ânodo e

os íons positivos serão atraídos pelo cátodo. Com omovimento ordenado das cargas elétricas teremos,então, uma corrente elétrica que pode ser medida porum circuito externo à câmara.

Circuito Amplificador

ânodo

câmara medidor

+V CONTR -

Figura 10.5 Esquema simples de uma câmara deionização.

Embora o processo de criação de elétrons li-vres, através dos efeitos Compton e fotoelétrico, sejao mesmo para todas as câmaras de gás, o número deelétrons livres criados e a corrente elétrica efetiva sãovariáveis com a tensão presente entre os eletrodos. Na realidade, o tipo ou forma de corrente elétrica ob-tida é função direta do nível de tensão aplicada entreânodo e cátodo. A figura 10.6 apresenta o gráfico dosinal de saída (elétrons livres coletados) em funçãoda tensão aplicada ao gás pelos eletrodos.

câmara deionização

contadorproporcional

500 1000

contadorGeiger-Mueller

tensão

102

10

10

104

106

10

íonscoletados descarga

contínua

Figura 10.6. Corrente no detector x tensão no â-nodo.

Com tensões baixas entre ânodo e cátodo, os

elétrons livres gerados pela interação com fótons ou partículas podem se recombinar com íons positivos presentes no gás. Com o campo elétrico fraco, o elé-

tron ao se deslocar para o ânodo colide com um íon positivo e este produz uma força de atração muitomaior que o campo aplicado. Assim, poucos elétronschegam a ser coletados pelo ânodo e a corrente elé-trica resultante é muito pequena. Esta região é conhe-cida como região de recombinação e nenhuminstrumento é construído para utilizar esta região da

curva, pois além da corrente ser pequena, não há li-nearidade entre o número de interações ocorridas nacâmara e a corrente elétrica produzida. A recombina-ção também ocorre quando o número de íons positi-vos for muito alto na câmara de gás, o que tambéminterfere na relação interação x corrente.

Há diferentes formas de utilização da câmarade gás, ou podemos dizer, diferentes regiões de traba-lho. A forma que se escolhe para operá-la ou o nívelde tensão aplicado no ânodo é que lhe confere a câ-mara de gás uma terminologia diferenciada. As dife-rentes regiões de potencial aplicado no ânodo, ou

seja, as diferentes zonas de trabalho, estão detalhadasna figura 10.6. Na realidade, as tensões do ânodo po-dem variar muito de um detector para outro, pois de- pendem da geometria da câmara e do tipo e pressãodo gás utilizado.

10.4.1. Câmara de ionização

Quando aplicamos uma tensão suficiente (en-tre 100 e 300 V) entre ânodo e cátodo na câmara degás, o campo elétrico separa mais rapidamente ascargas positivas das negativas. Assim, a chance derecombinação se torna muito pequena. Todos os elé-trons livres gerados pelas interações são coletados e acorrente gerada é alta e não mais dependente da ten-são aplicada, mas sim uma função do número de inte-rações com os fótons incidentes. O detector a gásoperando deste modo é conhecido como CÂMARA DEIONIZAÇÃO.

Muitas câmaras de ionização portáteis são preenchidas por ar e operam no modo de corrente, principalmente aquelas utilizadas para monitorar aexposição de pessoal à radiação gama. Uma das ra-

zões é a definição histórica da unidade de exposiçãode raios gama, o roentgen (R), que é definido como aquantidade de cargas iônicas produzidas por unidadede massa de ar. Por causa da semelhança estreita en-tre o sinal produzido por uma câmara de ionizaçãocom a definição da unidade roentgen, a medição dacorrente iônica, sob certas condições, pode forneceruma medida precisa da taxa de exposição a raios ga-ma, dentre uma larga faixa de energias incidentes.

O nível de sinal é muito baixo na câmara deionização, o que ás vezes dificulta seu uso para de-tecção de raios gama individuais. Por exemplo, uma

taxa de exposição de raios gama de 1 mR/h (um nível baixo, mas significativo para exposição pessoal), acorrente esperada para uma câmara iônica de um li-


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tro, a pressão atmosférica, é cerca de 0,1 picoampère(pA). Correntes tão baixas quanto estas exigem cir-cuitos eletrônicos muito sensíveis e precisos para efe-tuar a medida.

É comum utilizar-se a câmara de ionizaçãocomo se fossem detectores passivos quando no modode integração. Nestes casos, a câmara é inicialmente

conectada a uma fonte de tensão constante V 0. A câ-mara possui naturalmente uma capacitância C devidoà presença dos eletrodos e do dielétrico entre eles,aqui, o próprio gás. Desta forma, criam-se as condi-ções de armazenamento de uma quantidade de cargainicial no valor de CV 0. A câmara é então desconec-tada da fonte de tensão e exposta a radiação. Duranteo período de exposição, pares de íons são formadosno gás e são arrastados até seus respectivos eletrodos pelo campo elétrico criado pela grande diferença detensão aplicada na câmara. Ao final do período deexposição, a tensão na câmara diminuirá, pois a carga

ionizada que foi coletada serve para descarregar par-cialmente a carga armazenada CV 0. É feita, então, amedida da câmara pelo registro da queda de tensão∆V ocorrida. Se não há nenhuma perda de carga, co-mo fuga de corrente pelos isoladores, a quantidade decarga ionizada criada durante a exposição é simples-mente a medida C ∆V . Câmaras de ionização de pe-queno porte (de bolso) utilizam-se deste princípio para realizar a monitoração da exposição do pessoaltécnico em locais onde há produção de radiação.

As câmaras de ionização são muito pouco u-tilizadas no modo de pulso. Isto só acontece com par-tículas de alta taxa

x E

∂∂ (LET) que possam depositar

grandes quantidades de energia no gás. O grande problema é o pulso de tensão de baixa amplitude queé gerado pela interação de um único fóton. O depósi-to de 1 MeV de energia numa câmara com capacitân-cia típica de 100 picofarads (pF) origina um pulso detensão com amplitude de apenas 50 microvolts (µV).Embora seja possível trabalhar com sinais tão baixosquanto este através de técnicas especiais, é muitomais comum o uso de detectores de gás no modo pul-so na região proporcional ou Geiger-Müller (figura

10.6). No geral, a câmara de ionização encontra uso

apenas em fluxo de radiação relativamente alto nosquais a corrente total produzida possa ser alta e con-fiavelmente medida. Porém, devido a sua simplicida-de de construção e custo compatível, muitosinstrumentos de monitoração de radiação utilizam osdetectores de gás no modo de câmara de ionização.

10.4.2. Contador proporcional

Com tensões muito altas na câmara de gás,os elétrons são acelerados em direção ao ânodo comenergia suficiente para ionizar outros átomos, criando

então um grande número de elétrons livres. Este de-tector é conhecido como um contador proporcional , pois o pulso elétrico gerado é um múltiplo da intera-ção fotônica ocorrida no gás.

Este fenômeno da multiplicação dos elétronsno gás ocorre devido ao forte campo elétrico aplica-do. Quando o campo elétrico é superior a 10 000

V/cm, um elétron pode ganhar tanta energia que cau-sa a ionização secundária ao se movimentar e colidircom o gás. Após esta colisão ionizante, dois elétronslivres existem onde antes apenas havia um. Numcampo elétrico nestas condições, o número de elé-trons gerados crescerá exponencialmente a medidaque eles são atraídos na direção contrária ao campoelétrico aplicado. O crescimento no número de elé-trons só termina quando eles atingem o ânodo. Estefenômeno de produção de uma “chuva” de elétrons éconhecido com avalanche Townsend e é disparado por apenas um elétron livre. O número total de elé-

trons presentes nesta avalanche pode ser superior a1.000, e a quantidade de carga gerada no gás tambémé multiplicada pelo mesmo fator. A avalanche Town-send acontece num espaço de tempo menor que 1microsegundo, quando o contador está operando nascondições típicas. Contudo, esta carga adicional cria-da é importante para a criação de um pulso elétricoobservável a partir de uma única interação fotônica.

No contador proporcional, o objetivo é tercada elétron livre original formando, ao longo do trajeto da partícula para o ânodo, sua própria avalancheTownsend. Desta forma, várias interações fotônicasdarão origem a várias avalanches diferentes. Este objetivo deve ser alcançado no sentido de manter asavalanches sempre do mesmo tamanho para que acarga total que será criada seja proporcional ao nú-mero de pares iônicos originalmente formados aolongo da trajetória no gás do fóton ou partícula. A proporcionalidade entre o tamanho do pulso de saídae a quantidade de energia perdida pela radiação inci-dente no gás é a base para a utilização do termo con-tador proporcional .

A construção do contador proporcional quase

sempre é realizada utilizando-se um fio fino que ser-virá de ânodo colocado dentro de um cilindro metáli-co de grande diâmetro, que faz o papel do cátodo eserve para conter o gás. Neste tipo de construção, aintensidade do campo elétrico não é uniforme e pos-sui altos valores nas proximidades do fio. Assim,quase todo o volume do gás estará fora desta regiãode campo intenso e os elétrons gerados em qualquer posição do gás pela radiação incidente serão levadosde encontro ao fio-ânodo sem condições de criar aionização secundária. Quando os elétrons livres sãogerados próximo do fio, eles estarão sujeitos ao au-

mento contínuo do campo elétrico, e, eventualmente,seu valor pode-se tornar suficientemente alto para darinício a avalanche Townsend. A avalanche crescerá


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até que todos os elétrons tenham atingido a superfíciedo fio. De certa forma, como todas as avalanches sãoformadas sob as mesmas condições de campo elétri-co, independente da posição no gás onde o elétronlivre foi originalmente gerado, a condição de que su-as intensidades sejam as mesmas foi assegurada. A-lém do mais, um campo elétrico de alta intensidade

entre ânodo e cátodo, necessário para as avalanches, pode ser obtido usando tensões aplicadas da ordemde várias centenas de volts. A amplitude do pulso desinal aumenta proporcional com a tensão aplicadaentre os eletrodos, já que cada avalanche é mais in-tensa quanto maior for a intensidade do campo elétri-co.

Para sustentar a avalanche Townsend, as car-gas negativas formadas na ionização devem se com- portar como elétrons livres. Em alguns casos, há umatendência para moléculas neutras de gás em capturarum elétron extra, transformando-se em íons negati-

vos. Tendo em vista que a massa de um íon negativoé milhares de vezes maior que a massa de um elétronlivre, ele (íon) não pode ganhar energia suficiente para causar uma ionização secundária. Elétrons nor-malmente não se associam com moléculas de gasesnobres e por isso o argônio é um gás normalmenteescolhido para preencher o contador proporcional. Oar atmosférico não pode ser utilizado em detectores proporcionais por que o oxigênio tem a característicade atrair elétrons livres. Da mesma forma, a câmarade gás deve ser muito bem selada para evitar a entra-da de ar ou a fuga do gás de preenchimento. Os de-tectores de gás utilizados no modo proporcionaltambém exigem cuidados para ser utilizada com flu-xo de gás contínuo por possibilidade de contamina-ção por ar.

Contadores proporcionais de tamanho normalsó conseguem captar partículas carregadas pesadas

ou radiações de baixa penetrabilidade. Elétrons rápi-dos e partículas beta não podem ser captados, porémos contadores podem ser utilizados para medições de partículas alfa. Também são freqüentemente usados para medidas de raios X quando resoluções modera-das de energia são exigidas. O espectro gama do Co- balto 57 é apresentado na figura 10.7 com uma raia

de 14.4 keV bem separada da radiação X de 6,4 keVdo ferro.Contadores proporcionais podem ser encon-

trados em diferentes tamanhos e formatos, desde ci-lindros com janelas laterais ou frontais até lâminascilíndricas conhecidas por panquecas ( pancake, eminglês). Podem ter a câmara selada ou com um fluxode gás; e janelas de berílio ou sem janelas de vidro. Odetector geralmente é caracterizado pelo seu tamanhofísico, tamanho efetivo da janela, comprimento dacâmara de gás ou caminho (quando há fluxo), tensãode operação e resolução para uma fonte específica

(fóton X de 5,9 keV do 55Fe).A tensão de operação depende do gás de pre-

enchimento tanto quanto da geometria da câmara.Para a detecção de raios X, os gases nobres são sempre escolhidos, variando entre xenônio, criptônio,neônio e argônio. O criptônio e o xenônio são sele-cionados para raios X de altas energias ou para obter-se maior eficiência, enquanto o neônio é utilizado para detectar raios X de baixa energia misturados araios X de alta energia indesejáveis. Também se podeutilizar uma mistura de gases, como o P-10, que écomposto de 90% de argônio com 10% de metano. A pressão utilizada nas câmaras normalmente é de 1atmosfera. Como o número de interações é de grandemonta mas a carga gerada não é significativamenteelevada, há sempre a necessidade de um circuito ele-trônico amplificador.

Tensão no ânodo (V)

Figura 10.7. Resposta do detector de gás x tensão no ânodo.

CONTAGEM


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10.4.3. Contador Geiger-Müller

À medida que a tensão aumenta dentro dacâmara de gás, a multiplicação de elétrons tambémaumenta, e o número de elétrons coletados é independente da ionização inicial feita pelo fóton inci-dente. Devemos lembrar que para cada elétron livre

produzido há o aparecimento de uma molécula ioni-zada e dentre estas, algumas estão em estados excita-dos. Em poucos nanosegundos, muitas destasmoléculas retornam ao seu estado natural através daemissão de um fóton de ultravioleta. Esta luz podeviajar alguns centímetros através do gás antes de serreabsorvida, seja por uma interação fotoelétrica comuma camada menos energética de um átomo, ou sejacom a superfície sólida da câmara. Se um elétron li-vre é liberado neste processo de absorção, ele irá emdireção do ânodo e poderá produzir sua própriaavalanche. Por este mecanismo, uma avalanche pode

dar origem a outra, espalhando-se por todo o volumedo gás na região de multiplicação em torno do fio-ânodo. Este espalhamento incontrolado de avalan-ches por todo o detector é conhecido como descargaGeiger.

Figura 10.8. Detector Geiger-Müller.

Num contador proporcional, o desencadea-mento de tantas avalanches é inibido pela adição em pequena quantidade de um segundo gás (metano, porexemplo) que absorve os fótons ultravioletas não permitindo que eles produzam mais elétrons livres. Num contador Geiger-Müller são garantidas as con-dições para que cada avalanche inicial possa criar

mais do que uma avalanche secundária, de tal formaque seu número cresça rapidamente no tempo. A propagação das avalanches pode ser eventualmente

extinguida pelo desenvolvimento, ao redor do fio-ânodo, de uma nuvem de cargas positivas (átomos emoléculas) geradas também durante as avalanches.Os íons se movimentam milhares de vezes mais len-tamente que os elétrons livres, quando sob ação domesmo campo elétrico. Assim, durante este rápidomomento de poucos microsegundos, necessários para

propagar as avalanches, seu movimento é mínimo.Como a maior parte das avalanches está agrupada emtorno do ânodo, as cargas positivas espacialmente próximas do ânodo reduzem o campo elétrico na crí-tica região de multiplicação. Enfraquecem, pois, aintensidade do campo necessário para a formação denovas avalanches, cessando a descarga Geiger.

Neste processo, um enorme número de paresde íons é formado e pulsos de mais de um volt deamplitude são gerados no tubo Geiger-Müller. E da-do o nível de sinal que se trabalha, a eletrônica ne-cessária para processá-lo é simples, o que faz o

sistema de contagem Geiger-Müller um sistema des-complicado de medição de radiação.

O contador Geiger-Müller está disponívelnuma grande variedade de tamanhos, geralmentecom uma fina janela de mica. A tensão de operaçãositua-se numa região plana (figura 9.6) que pode serrelativamente reta para uma pequena variação da ten-são. Esta região plana é determinada pela medida dataxa de contagem como função da tensão do ânodo.

A descarga produzida pela ionização deve sereliminada para que o detector volte ao seu estado deionização neutra para o próximo pulso. Isto é efetua-do com a utilização de um gás de preenchimento quecontem uma pequena quantidade de halogênio mistu-ra ao gás nobre. A queda de tensão ao longo de umgrande resistor entre o ânodo e a fonte de tensãotambém servirá para eliminar a descarga uma vez quea tensão de operação se reduzirá para valores abaixoda região plana. Assim, o contador Geiger-Müllerestá inativo ou “morto” após cada pulso até que aeliminação esteja completa. Este tempo morto podedurar centenas de microsegundos, o que limitará oinstrumento a utilização apenas com baixas taxas de

contagem.

10.5 DETECTOR DE C INTILAÇÃO

Uma das imagens mais presentes no conceito popular é a idéia de que os materiais radioativos bri-lham, inclusive no escuro, emitindo uma luz muitasvezes assustadora. Na realidade, os materiais radioa-tivos não emite luz visível, e o que se vê nos filmes é

apenas um recurso visual para deixar a cena mais as-sustadora. No entanto, alguns materiais podem ab-sorver a energia da radiação e convertê-la em luz


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visível. Logo, podem ser utilizados como detectoresda presença da radiação no ambiente.

Em certos tipos de materiais transparentes, aenergia depositada por uma partícula energética podedeixar átomos e moléculas em tal estado de excitaçãoque elas irão rapidamente decair através da emissãode uma luz visível ou ultravioleta. Este processo é

conhecido como fluorescência imediata. Tais materi-ais são conhecidos como cintiladores e comumenteaproveitados para a fabricação de detectores de cinti-lação. Contudo, a quantia de luz gerada por uma úni-ca partícula de alguns MeV de energia cinética émuito pequena e não pode ser vista sem a ajuda deaparelhos. Porém, há de se relatar que o cientista in-glês Ernest Rutherford, quando de seus experimentoscom espalhamento de partículas alfa, conseguiu ver econtar, com a ajuda de um microscópio, os flashesemitidos por uma tela de sulfureto de zinco ao seratingida pelas partículas carregadas. Atualmente, os

detectores de cintilação eliminam a necessidade deuma contagem manual com a conversão da luz emum pulso elétrico através da utilização de tubos fo-tomultiplicadores ou fotodiodos.

Existem quatro passos distintos que envol-vem a produção de um pulso elétrico de carga devidoa uma única partícula carregada em movimento:

a) A partícula freia e pára no cintilador,deixando uma trilha de átomos excitados ao longo dotrajeto. A partícula tem que incidir no detector a par-tir de uma fonte externa ou ela pode ser gerada inter-namente pela interação de uma partícula neutra(nêutrons ou raios gama). Estados excitados típicosnecessitam de apenas alguns poucos eletronvolts parasua excitação, o que garante a produção de váriosátomos ao longo da trilha deixada por uma partículacarregada.

b) Alguns dos átomos excitados voltam aoseu estado de repouso num processo que envolve aemissão de energia sob a forma de um fóton de luzou ultravioleta. Esses fótons são emitidos em todas asdireções. A energia total representada por esta luz éuma pequena fração da energia original da partícula

que foi depositada no cintilador. Esta fração é a me-dida da eficiência do cintilador e varia de 3 a 15%nos materiais comuns. A energia do fóton (ou o comprimento de onda da luz) é distribuída por um espec-tro de emissão que é característico de cada materialcintilador em particular. Os átomos excitados possu-em um tempo de vida médio característico e sua po- pulação decai exponencialmente. O tempo dedecaimento determina a taxa pela qual a luz é emitidaapós a excitação e também é uma característica parti-cular do material cintilador. Os tempos de decaimen-to variam de menos de um nanosegundo até vários

microsegundos e geralmente representam o processomais lento dentre as várias etapas que envolvem ageração de um pulso no detector.

c) Parte da luz emitida deixa o cintilador por uma janela construída em uma de suas superfí-cies. As demais superfícies são revestidas interna-mente com um material reflexivo para garantir que aluz que não se dirigiu para a janela tenha grande pro- babilidade de ser redirecionada e também ser coleta-da. Pode-se chegar a uma taxa de aproveitamento de

90 % da luz produzida.d) Uma parte dos fótons que saem pela ja-nela é convertida em carga elétrica por um sensor deluz montado normalmente em contato óptico com a janela de saída. O tamanho da parte aproveitada pelosensor irá definir a sua eficiência quântica. Nos foto-diodos de silício, entre 80 e 90 % dos fótons de luzsão convertidos em par elétron-lacuna, mas num tubofotomultiplicador, somente 25 por cento dos fótonssão convertidos em fotoelétrons no comprimento deonda da resposta máxima do fotocátodo.

O resultado líquido desta seqüência de eta-

pas, cada uma com sua eficiência, é a criação de umnúmero relativamente limitado de portadores de car-ga no sensor de luz. Um pulso típico corresponderáno máximo a alguns milhares de portadores de carga.Este resultado é uma pequena parte do número de pares elétron-lacuna que seriam produzidos direta-mente no detector semicondutor pela mesma deposi-ção de energia. Uma conseqüência imediata é que aresolução de energia dos cintiladores é particular-mente pobre devido às flutuações estatísticas no nú-mero de portadores realmente obtidos. Por exemplo,a melhor resolução de energia de um cintilador pararaios gama de 0,662 MeV é em torno de 5 a 6 %. Pa-ra comparação, a resolução de energia para a mesmaradiação num detector de germânio é de 0,2 %. Emmuitas aplicações, a desvantagem da baixa resoluçãode energia é contrabalançado por propriedades im- portantes como, por exemplo, a eficiência em detec-ção de raios gama de alta energia.

60 unidadesde luz

60 keV

25 unidadesde luz

60 keV

35 keVCompton

Cristal deCintilação

Figura 10.11. Interação do fóton com o cristal cin-tilador de duas formas distintas.

As propriedades do material cintilante neces-sárias para bons detectores são transparência, dispo-

nibilidade em grandes tamanhos, grande respostaluminosa proporcional a energia do fóton ou partícu-la incidente, tempo de decaimento curto. Apenas al-


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guns materiais possuem estas propriedades para adetecção. Cristais de iodeto de sódio (NaI) e iodetode césio (CsI) dopados com tálio são comumente uti-lizados, como também uma grande variedade de plás-ticos. Predominantemente utiliza-se o iodeto de sódio(NaI) como o material para a detecção gama porqueele proporciona uma boa resolução, além de ser eco-

nomicamente viável. Contudo, os detectores plásticostêm um decaimento do pulso luminoso muito maisrápido e encontram seu uso nas aplicações de tempocurto, apesar deles apresentarem uma baixa ou ínfimaresolução de energia.

Como podemos verificar, o cristal cintiladorfunciona como um conversor de freqüência ou deenergia. Logo, a medição da radiação X se dá atravésda medição da luz visível emitida que a radiação in-cidente no cristal irá ser transformada.

O fotomultiplicador consiste num fotocátodo,um eletrodo de foco e 10 ou mais dinodos que multi-

plicam várias o número de elétrons que os atingemcada vez. O ânodo e os dinodos são polarizados poruma cadeia de resistores tipicamente localizados nu-ma válvula que lhes serve de base.

Figura 10.12. Esquema do funcionamento de umfotomultiplicador.

10.5.1. Cintilador Inorgânico

Os cintiladores inorgânicos são, na sua maio-ria, cristais simples transparentes, cujas dimensõesvariam de milímetros a alguns centímetros. Algunscompostos inorgânicos, como o sulfureto de zincoativado com prata, são bons cintiladores mas não po-dem ser construídos na forma de grandes cristais comqualidade óptica. Na prática, eles são limitados aouso de finas películas policristalinas conhecidas co-mo telas de fósforo.

Os materiais inorgânicos que produzem amaior resposta em luz infelizmente têm tempos dedecaimento relativamente longos. O cintilador inor-gânico mais comum é o iodeto de sódio ativado com pequenas quantidades de tálio, por isso o cristal énormalmente chamado de NaI (Tl). O alto númeroatômico (Z = 53) do iodo no NaI garante uma boaeficiência na detecção da radiação gama. A melhor

resolução alcançável varia de 7,5% a 8,5% para umfóton gama de 662 keV do 137Cs para um cristal de 3”de diâmetro por 3” de comprimento. Esta resolução

piora para tamanhos menores ou maiores. Normal-mente a eficiência é da ordem de 13%.

A constante de decaimento luminoso do NaIé de aproximadamente 0,25 microsegundos e pré-amplificadores típicos sensíveis a carga transformamisto num tempo de subida do pulso de saída de apro-ximadamente 0,5 microsegundos. Por esta razão, de-

tectores de NaI não são bem adaptados como osdetectores plásticos para medidas rápidas, quandotempos muito curtos de recuperação são necessários.O espectro emitido pelo NaI (Tl) possui um máximono comprimento de onda referente ao azul e é bemcasado com a resposta espectral do tubo fotomultipli-cador.

O iodeto de césio ativado com tálio também produz excelente espectro de luz mas tem dois com- ponentes de decaimento relativamente longos: 0,68 e3,3 microsegundos. Seu espectro de emissão é deslo-cado no espectro de luz visível para o lado dos gran-

des comprimentos de onda e tem um casamento deespectro mais adequado ao dos fotodiodos.

10.5.2. Cintilador Orgânico

Algumas moléculas orgânicas, com elétronno orbital π (pi), possuem uma fluorescência imedia-ta após a excitação causada pela energia depositada por partículas ionizantes. O mecanismo básico daemissão de luz não depende do estado físico da mo-lécula, conseqüentemente, os cintiladores orgânicos

podem ter várias formas diferentes. Os primeiros de-tectores eram cristais puros de antraceno ou stilbene(usado na indústria de tintas). Mais recentemente,compostos orgânicos são utilizados inicialmente naforma de soluções líquidas de um flúor orgânico(molécula fluorescente) num solvente como o tolue-no, ou como plástico, no qual o flúor é dissolvido emum monômero que é subseqüentemente polimeriza-do. Freqüentemente um terceiro componente é adi-cionado ao detector líquido ou plástico para agircomo um deslocador de onda. Este elemento absor-verá a luz primária do flúor orgânico e re-emitirá a

energia num comprimento de onda maior e mais ade-quado para a interação com a resposta de tubos foto-multiplicadores ou fotodiodos. Cintiladores plásticossão disponibilizados comercialmente em folhas oucilindros com dimensões da ordem de alguns centí-metros ou então na forma de fibras cintilantes de pe-queno diâmetro.

Uma das melhores características dos cintila-dores orgânicos é seu tempo de decaimento curto.Muitos dos líquidos ou plásticos comercialmente dis- poníveis possuem tempos de decaimento de 2 ou 3nanosegundos, permitindo seu uso em medidas de

tempo precisas. Os detectores orgânicos têm a ten-dência de apresentar alguma não-linearidade na pro-


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dução de luz quando a deposição de energia aumenta.A produção de luz por unidade de energia depositadaé significativamente maior para partícula de baixo

x E

∂∂ , tais como os elétrons, do que para partículas

pesadas carregadas de alto x

E ∂

∂ . Mesmo para os elé-

trons, a produção de luz é de duas a três vezes menor

que para o melhor material inorgânico.Muitos tipos de cintiladores plásticos estãocomercialmente disponíveis em várias formas e ta-manhos devido a flexibilidade dos líquidos e plásti-cos, e encontram aplicações em medidas rápidas,detecção de neutros e partículas carregadas, tantoquanto os casos onde a natureza áspera do plástico(se comparado ao NaI) é apropriada. Dificilmenteeles são utilizados para detectar a radiação gama porcausa do número atômico baixo, na média, destesmateriais que inibe a absorção total da energianecessária para espectroscopia.

Tempos de subida abaixo de nanosegundossão obtidos com detectores plásticos acoplados a tubos fotomultiplicadores rápidos, e com isso podemser utilizados em medições de tempo crítico.

Saídas separadas são normalmente utilizadas para medições de tempo com a saída do dinodo posi-tivo ligado a um pré-amplificador e um amplificador para análise de energia, e a saída negativa do ânodoligada num discriminador rápido, conforme a figura10.13.

cintiladorplástico

e fototubo

basedo

tubo

gerador dealta tensão

préamplif. amplif.

discriminadorfração

constante

ânodo

dinodo

analisadorde alturade pulso

circuito decoincidência

Figura 10.13. Circuito em bloco de um detectorplástico de cintilação.

10.6 DETECTOR S EMICONDUTOR

O semicondutor é um material que pode atu-ar como elemento isolante tanto quanto como ele-mento condutor. Em eletrônica, a palavra “estadosólido” muitas vezes é utilizada no lugar de semicon-dutor, mas na área de detecção o termo pode obvia-mente ser aplicado aos cintiladores sólidos. Oselementos do grupo IV da Tabela Periódica, silício e

germânio, são de longe os semicondutores mais utili-zados, embora alguns novos materiais semiconduto-res compostos estejam encontrando utilização àmedida que são estudados seus comportamentos fren-te a radiação.

Quando uma partícula carregada ou um fóton perde sua energia num meio sólido ao invés de um

gás, um processo semelhante de ionização e excita-ção do material também acontece. Em muitos sólidose líquidos, contudo, as cargas elétricas resultantesnão podem ser transportadas através de distânciasconsideráveis e com isto não servem como fonte paraum sinal elétrico. Há no entanto, os materiais semi-condutores, descritos anteriormente, onde cargas elé-tricas criadas pela radiação podem ser coletadaseficientemente mesmo a distâncias superiores a al-guns centímetros.

A estrutura eletrônica dos semicondutores éde tal forma construída que, na temperatura ambien-

te, quase todos os elétrons estão presos em locais es- pecíficos da rede cristalina e possuem uma energiarelativa a banda de valência. Os detectores semicon-dutores possuem uma estrutura de diodo tipo P-I-N,onde a região intrínseca é criada pela depleção de portadores de cargas quando uma tensão reversa fixaé aplicada sobre o diodo. Num dado momento, al-guns elétrons ganharão energia térmica suficiente para soltar-se dos locais específicos e passar a seremchamados de elétrons livres, pertencentes a banda decondução. Como há a necessidade de se gastar algu-ma energia para libertar os elétrons de sua posiçãonormal, existe uma banda intermediária que repre-senta justamente a diferença de energia entre a bandade valência e a banda de condução. No cristal puronenhum elétron pode ter energia nesta faixa interme-diária.

A passagem de uma partícula energética car-regada através de um semicondutor transfere energia para os elétrons, a grande maioria dos quais são elé-trons presos a banda de valência. Energia suficientedeve ser transferida para promover um elétron de va-lência para a banda de condução, resultando então

num par elétron-lacuna. Nos detectores semiconduto-res, um campo elétrico é aplicado sobre todo o mate-rial semicondutor. Assim, haverá um movimento doselétrons e íons positivos em direção dos eletrodoscolocados na superfície do semicondutor criando,então, uma corrente elétrica da mesma maneira queocorre numa câmara de gás. A carga resultante é in-tegrada (somada) por um pré-amplificador sensível econvertido num pulso de tensão com uma amplitude proporcional a energia original do fóton.

A transferência de energia mínima necessária para a criação de um par elétron-lacuna é em torno de

1 eV. Medidas experimentais mostram que, na mé-dia, é necessário três vezes a energia mínima paraque se forme o par elétron-lacuna. Assim, para uma


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partícula carregada ou um fóton de 1 MeV que perdetoda sua energia no semicondutor, há a possibilidadede criação de mais de 300.000 pares elétron-lacuna.Isto é 10 vezes maior que o número de pares iônicosque seriam criados pela mesma partícula ou fóton seinteragisse com um gás. Como conseqüência, a quan-tidade de carga gerada pela perda de energia, se

comparado ao gás, também é 10 vezes maior. Istoresultará num pulso elétrico também muito maior.Outra vantagem obtida é a melhor resolução de ener-gia, pois as flutuações estatísticas no número de por-tadores de carga por pulso tornam-se uma pequenafração à medida que o número total de portadoresaumenta. Uma vez que a largura da depleção é inver-samente proporcional a concentração de impurezasna rede cristalina e a eficiência de contagem é tam- bém dependente da pureza do material, grandes vo-lumes de material muito puro são necessários paragarantir a alta eficiência de contagem em fótons de

alta energia. Assim, os detectores semicondutoresoferecem a melhor resolução de energia de todos osdetectores comuns de radiação, chegando a resolu-ções da ordem de 0,1 %.

O uso de semicondutores trás o benefício dese trabalhar com meio sólido ao invés de meio gaso-so. Nos sólidos, a penetrabilidade de partículas car-regadas pesadas como a alfa é de apenas algumasdezenas de micrometros, bem menor que os centíme-tros em gases na pressão atmosférica. Isto faz comque toda a energia da partícula seja absorvida numa pequena espessura do material. Esta característicatambém ajuda na absorção total de elétrons rápidos,como as partículas beta. Esta interação seria quaseimpossível num detector de gás, pois necessitaria quea câmara tivesse alguns metros de comprimento.

No uso prático dos detectores de Ge e Si, háa necessidade de serem refrigerados para reduzir ageração térmica dos portadores de carga (ruído) aníveis aceitáveis. Este requisito é quase aparte do problema da precipitação do lítio que faz com que oGe(Li) velho, e, em algum grau, os detectores de Si(Li), sejam deterioráveis a temperatura ambiente.

A forma mais comum para refrigeração dosdetectores é o uso do nitrogênio líquido, contudo,avanços recentes em sistemas eletrônicos de refrige-ração têm feito criostatos refrigerados eletricamenteuma alternativa viável para muitas aplicações.

10.6.1. Desempenho do detector

Os detectores semicondutores apresentamuma resolução de energia muito melhorada em rela-ção a outros tipos de detectores de radiação por vá-rios motivos. Fundamentalmente, a vantagem de

resolução pode ser atribuída a pequena quantidade deenergia necessária para produzir o portador de cargae o conseqüente sinal de saída alto, se comparado aoutros detectores para o mesmo fóton energético in-cidente.

Para baixas energias, a eficiência do detectoré uma função da área da seção transversal da espes-

sura da janela, enquanto que para altas energias ovolume ativo do detector é mais ou menos determi-nante da eficiência de contagem.

10.7 E XERCÍCIOS

1) Quais são os principais tipos de detectoresativos de radiação?

2) Qual o princípio básico de funcionamentoda câmara de gás?

3) Por que existe vários tipos de câmaras degás?

4) Como funciona o detector de cintilação?

5) Qual as características do detector semi-condutor?


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11. ÍNDICE R EMISSIVO

alfa: emissão, 34; interação, 41 beta: emissão de elétron, 33; emissão de

pósitron, 33; interação, 41 campo elétrico: câmara de ionização, 60; campo

gravitacional, 11; campo magnético, 19;caneta dosimétrica, 54; capacitor, 10; corrente,19; ddp, 12; definição, 9; detector a gás, 60;detector semicondutor, 66; equação, 10, 11;força eletrostática, 11; Geiger-Müller, 63;gerado por uma carga, 9; gerado por várias

cargas, 10; oscilante, 19; uniforme, 10; vetor,10 comprimento de onda: definição, 20 espectro: definição, 20 gama: emissão, 33; interação, 41 onda eletromagnética: definição, 20; radiação,

21 raios X: características, 25; característico, 39;

comportamento, 21; detectores ativos, 57;detectores passivos, 50; feixes, 28; filtração,41; fótons, 21; histórico, 25; interação, 37


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12. BIBLIOGRAFIA

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EISENBERG, Ronald L. Radiology: an illustrated history. Mosby-Year Book, Inc. St. Louis 1992, 606 pp.

HUDA, Walter & SLONE, Richard. Review of radiologic physics. Williams & Wilkins, Inc. Media1994, 286 pp.

TAUHATA, Luiz et al. Radioproteção e Dosimetria. Instituto de Radioproteção e Dosimetria. Rio de Ja-neiro 1999, 186 pp.

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