Instrumentação Nuclear 2003Instrumentação Nuclear 2003Interação de partículas carregadas e da
radiação eletromagnética com a matériaDetectoresEletrônica NIMAquisição de Dados
AvaliaçãoAvaliação
Trabalho escrito sobre a instrumentação a ser utilizada na tese/dissertação (capítulo da tese)
Trabalho escrito sobre instrumentação a ser definida.
Interação de Íons com a MatériaInteração de Íons com a Matéria
A perda de energia de uma partícula carregada pesada em grande velocidade, i.é.: v >> v
o; v
o=c/137 é a velocidade de Bohr se dá
principalmente por transferência de energia a elétrons atômicos do meio freador.
(freamento eletrônico)Para velocidades abaixo de vo, as colisões
elásticas íon-átomo começam a dominar (freamento nuclear)
Freamento EletrônicoFreamento Eletrônico
Região de altas velocidades: O íon em recuo está completamente ionizado. Esta é a região Bethe-Block, onde dE/dx ~ 1/E (região melhor conhecida)
Região intermediária: A carga do íon varia rapidamente, num processo dinâmico de captura e perda de elétrons. À medida que sua velocidade diminui, a carga iônica média vai diminuindo. Esta é a região onde a força freadora atinge seu valor máximo, também conhecido como pico de Bragg.
Região de baixas velocidades (LSS): Nesta região, a força freadora é aproximadamente proporcional à velocidade do íon.
Programa stopxPrograma stopxproj 16oen 10 70 2en 25.4 35.2absb
– 27al 1.5 (Al, mg/cm2)– Al2O3 2.3 (composto)– c1h4 GAS 500 -30. (composto, gás, 30 cm)– .1*(C 1H4)+.9*40AR GAS 500. -30. (mistura)
Absorção de FótonsAbsorção de Fótons
Distribuição Angular ComptonDistribuição Angular Compton
Detectores a gás - Propriedades Gerais Detectores a gás - Propriedades Gerais
Modo corrente (monitoração e dosimetria)– um fluxo grande de radiação incide sobre o
detector. O resultado da medida é o número médio de partículas/s incidindo no detector.
Modo pulso– Coleta-se a carga depositada individualmente
por cada partícula incidente no detector. Este é o modo empregado nos detectores empregado na espectroscopia nuclear.
Coleção de carga e formação do Coleção de carga e formação do pulsopulso
a) Detector ideal (RC=0)
b)
c)
ctRC
ctRC
ctRC
Caracterização de um detectorCaracterização de um detector
Resolução em energia:– N=número de portadores de
carga coletados (resolução limite):
N
FR 35.235.2
F=Fator de Fano (0<F<1)
(A resolução final depende de muitos outros fatores…)
EficiênciaEficiência
emitido
registradoabs n
nAbsoluta
:
Intrinseca:
2
2
int
44
a
dabsabsn
n
incidente
registrado
Relativa:
padrão.detregistrado
registradoel n
n
2
2
d
a
Produção de pares e-íonProdução de pares e-íon
Ao atravessar o gás, uma partícula carregada produz uma coluna de íons positivos e elétrons.
Embora a energia média de ionização de gases seja por volta de 10-20 eV, a energia média (W) para produção de um par elétron-íon positivo é de cerca de 30-35 eV.
1MeV = 30.000 pares
Coleção da carga livreColeção da carga livre
A tendência natural das cargas produzidas é a recombinação.
Aplicando-se um campo elétrico nas extremidades do volume de gás, pode-se separar os elétrons dos íons positivos, evitando-se a recombinação. Para campos suficientemente fortes, atinge-se a corrente de saturação, quando não há mais recombinação.
A Corrente de IonizaçãoA Corrente de Ionização
Na região de saturação, produz-se uma quantidade de carga proporcional à energia do íon. O número de elétrons coletados no anodo é:
onde W é a energia média necessária para a formação de um par e E a energia da partícula.
WEn /0
Mobilidade das CargasMobilidade das Cargas
Íons têm massa grande e mobilidade baixa:
onde E é o campo elétrico aplicado, p a pressão e a mobilidade.
p
Ev
Velocidade de arrasto de elétrons
scmvv ione /1103
Multiplicação da CargaMultiplicação da Carga
Aumentando-se a tensão, além da região de satu-ração, faz com que os elétrons adquiram energia suficiente para produzir outras ionizações, num processo chamado Avalanche de Townsend.
Câmara de IonizaçãoCâmara de Ionização
Trabalho efetuado para a coleção das cargas:
)()(2
1 22 tvtveEnVVC oo
Forma do Pulso no resistor RForma do Pulso no resistor R
Vmax depende da posição em que a ionização ocorre!
Grade de FrischGrade de Frisch
Desempenho Desempenho
Boa resolução: Se toda a energia da partícula for convertida em ionização, a variânça de no será nula. Se o processo for puramente estatístico, será no (Poisson). Normalmente ela é algo intermediário:
Vo pequeno: E=1 MeV: V0~5.10-5 V
NF /2
Detector ProporcionalDetector Proporcional
Com campo elétrico aplicado grande (ma non troppo), a avalanche de Townsend produz uma multiplicação de cargas que é proporcional a no.
Geometria para AmplificaçãoGeometria para Amplificação
Cilíndro: Campo pró-ximo ao anodo (raio pequeno) muito intenso.
b=raio externo a=raio do anodo
)/ln()(
abr
VrE
Pulsos EspúriosPulsos Espúrios
Fótons na região visível e UV emitidos na de-excitação de átomos do gás podem provocar a ejeção de um elétron do catodo por efeito fotoelétrico. Este elétron poderá iniciar uma nova avalanche.
Íons positivos, ao se aproximar do catodo, podem arrancar mais de um elétron do mesmo, também produzindo novas avalanches.
Adiciona-se uma pequena fração de gás poliatômico ao gás monoatômico usado nesses detectores para evitar estes problemas (Geiger!)
DesempenhoDesempenho
Fator de amplificação médio M~102 – 104
Resolução mínima:
F~0.12 (fator de Fano), b~0.5 ( flutuações em M) Outros fatores, como uniformidade do anodo,
estabilidade da tensão, etc. limitam a resolução. Processo de formação do pulso: próximo ao anodo ->
não há necessidade de grades!
2/1)(
35.235.2
E
bFW
Q
QFWHM
Detectores Sensíveis a PosiçãoDetectores Sensíveis a Posição
Grandes áreas: Múltiplos AnodosGrandes áreas: Múltiplos Anodos
Contador Geiger-MuellerContador Geiger-Mueller
Geiger: aluno do Rutherford em Manchester (medidas do espalhamento de ´s em Au).
Limite extremo do processo de multipli-cação: A quantidade de carga produzida é independente da ionização inicial (109-1010 pares e-íons).
Tensão no resistor ~1V.
Descarga GeigerDescarga Geiger
Extinção (Quenching)Extinção (Quenching)
Com altos fatores de multiplicação, mesmo com a adição de gás poliatômico, o processo de multiplicação continua, com um grande número de avalanches, atingindo praticamente toda a extensão do anodo.
A um certo momento (dezenas de s) a quantidade de íons positivos (lentos!) nas proximidades do anodo é tão grande, que o campo elétrico efetivo diminui, impedindo novos processos de multiplicação, e a descarga se extingue.
Tempo Morto GrandeTempo Morto Grande
Após a extinção da descarga, devido a baixa mobilidade dos íons positivos, o campo elétrico efetivo na região do anodo permanece baixo, impedindo a formação de novas avalanches.
A função do gás molecular (quenching gas) nestes detectores, é impedir que os íons positivos, ao chegar próximo ao catodo, arranquem mais de 1 elétron, provocando avalanches secundárias.
Vida ÚtilVida Útil
Contadores Geigers são normalmente selados. Ao longo do tempo, a deteriorização das moléculas
do gás poliatômico e contaminação do gás, principalmente com oxigênio liberado das superfícies metálicas do catodo, fazem com que o fator de multiplicação diminua.
Detectores Proporcionais usam fluxo contínuo da mistura gasosa para evitar esses problemas.
CintiladoresCintiladores
Converter a energia depositada em um pulso de luz, com grande eficiência.
Intensidade de luz energia depositada.Meio transparente para a luz produzida.Tempo de emissão curto.Fácil de produzir em grandes dimensões.Índice de refração próximo ao do vidro.
TiposTipos
Orgânicos– Líquidos: NE213, NE216, ...– Plásticos: NE103, NE105, ...
Inorgânicos – Ativados: NaI(Tl), CsI(Na), ...
– Puros: BGO (Bi4Ge3O12), BaF2
Mecanismo de Cintilação (orgânicos)Mecanismo de Cintilação (orgânicos)
Inorgânicos AtivadosInorgânicos Ativados
Emissão de LuzEmissão de Luz
Material max(nm) (s) fotons/MeV
NaI(Tl) 415 0,23 38000
NE102A 432 0,002 10000
BGO 505 0,30 8200
BaF2 (S) 310 0,62 10000
BaF2 (F) 220 0,0006 -
FotomultiplicadoraFotomultiplicadora
CaracterísticasCaracterísticas
Material dos dinodos:– NEA: G ~ 55N
– Convencional: G ~ 5N
Ganho (~107)Características temporais.Sensíveis a campos magnéticos.
Variações: Variações: Microchannel PlateMicrochannel Plate
Fotodiodos (conv./avalanche)Fotodiodos (conv./avalanche)
Pequenas dimensões.Não é sensível a campos magnéticos.Baixas tensões, baixa potência.Baixo rendimento (convencional)Alto ruído (avalanche)
Detectores SemicondutoresDetectores Semicondutores
Pequenas dimensõesPortátilBoa resolução em energiaBoa resolução temporal.
Contato OhmicoContato Ohmico
Se pegarmos um cristal semicontutor e nas extremidades aplicarmos uma diferença de potencial, o efeito será (à temperatura ambiente) como num resistor comum.
Essa corrente elétrica pode ser bloqueada pela elaboração de uma junção retificadora (junção pn)
Junção pn difusaJunção pn difusa
O processo de difusão térmica produz a junção a cerca de 1-2 m da superfície.
A junção é difusa, com extensão de alguns microns.
Esses fatos implicam numa zona morta relativamente espessa, na parte frontal do detector, por onde entram as partículas a serem detectadas.
Barreira de SuperfícieBarreira de Superfície(culinária!)(culinária!)
Peque um disco fino de Si tipo n.Limpe bem a superfície do Si com ataque
químico (etching).Deixe a superfície oxidar ligeiramente.Evapore uma fino filme de Au.
O detector O detector “Científico”“Científico”
Zona de Depleção (exaustão)Zona de Depleção (exaustão)
Detectores de GeDetectores de Ge
Para radiação , necessário volume grande e elementos pesados (Z grande).
Ge: (Z=32>>Z=14 do Si) – é possível a produção de amostras extremamente puras e em grandes quantidades.
Por ter gap pequeno (~0.66 eV) a corrente à temperatura ambiente é muito grande: devem ser resfriados.
Refinamento por zona de fusãoRefinamento por zona de fusão
O material “bruto”, já de altíssima pureza (grau eletrônico) é preparado na forma de um lingote de ~8x4x60 cm)
Num tubo de quartzo inclinado o material é localmente aquecido (indução) até a fusão.
Deslocando-se o aquecedor da parte inferior à superior, desloca-se a zona fundida, e com ela as impurezas (que são mais solúveis na fase líquida)
Germânio Hiper-PuroGermânio Hiper-Puro
O material resultante contém impurezas em quantidades menores que 109 átomos/cm3.
À partir de uma semente, cresce-se um mono cristal cilíndrico de dimensões de até ~12 cm de diâmetro por ~ 20 de comprimento. (zona de depleção de até ~3cm)
Alto custo (20 – 100K US$)
CaracterísticasCaracterísticas
Resolução: ~1.5 – 2.2 keV (FWHM) para a linha de 1.33 MeV do 60Co
Eficiência relativa: 10 a 110% da eficiência (fotoelétrico) de um cintilador NaI de 7.5 cm de diâmetro por 7.5 cm de comprimento (3x3 polegadas)
Resolução temporal: Ruim em coaxiais, boa em planares.
Tipo-nTipo-n
Cristais hiper-puros tipo p são mais fáceis de se fabricar.
Cristais tipo n são mais resistentes a nêutrons e podem ser reciclados por processo de recozimento (anealing)
Filtros Anti-ComptonFiltros Anti-Compton
Grandes DetectoresGrandes Detectores
Detectores SegmentadosDetectores Segmentados
AGATA/GRETAAGATA/GRETA
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