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