Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ1 Detectores de partículas: alguns modelos Prof. Marcelo Sant’Anna Sala A-310

Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

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Detectores de partículas: alguns modelos

Prof. Marcelo Sant’AnnaSala A-310 (LaCAM) e-mail: [email protected]


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Lembrando....Uma descrição (muito) esquemática

A partícula deposita sua energia, ou parte dela, no detector. Assim, gera cargas livres que são coletadas de alguma forma. Meço d.d.p. ou corrente (um pulso ou uma medida contínua).

partícula

detectord.d.p.

oucorrente


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Detectores de Ionização


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foram os primeiros aparelhos elétricos desenvolvidos para a detecção de radiação.

Durante a primeira metade do século XX, três tipos básicos de detectores foram desenvolvidos: a câmara de ionização, o contador proporcional e contador Geiger-Müller. Exceto para aplicações especificas como monitoração do nível de radiação, estes aparelhos não são mais utilizados em experimentos modernos.

Detectores de ionização são aparelhos projetados para medir a ionização produzida quando uma partícula incidente atravessa algum meio. O número de elétrons e de íons positivos detectados é uma medida da energia depositada no material, então deve-se evitar que qualquer par elétron-íon seja recombinado. Isto pode ser realizado aplicando-se um campo elétrico suficientemente alto no meio. Este campo irá separar as cargas, e empurrá-las para os seus respectivos eletrodos (coletores), prevenindo assim que recombinem.

+ + + + +- - - - -

R sinal

A+ + + + +- - - - -

R sinal

A


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Há uma câmara preenchida com gás próprio que pode ser devidamente ionizado.

A câmara possui um catodo e um anodo que são mantidos a uma diferença de potencial alta, caracterizando assim uma capacitância (C) que é determinada pela geometria dos eletrodos.

O gás deve ser quimicamente estável (inerte) de modo que os elétrons não sejam facilmente capturados pelas moléculas do meio. O meio deve também não ser sensível a danos por radiação de modo que sua resposta às partículas incidentes não deteriore com o tempo.

Outro fator importe é o baixo potencial de ionização (Ip) de modo a maximizar a número de eventos de ionização por energia depositada por uma partícula incidente.

+ + + + +- - - - -

R sinal

A+ + + + +- - - - -

R sinal

A


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Como mencionado anteriormente, quando uma partícula carregada atravessa uma região sensível do detetor, ela ioniza o meio e produz pares elétron-íon. Devido ao campo elétrico, os elétrons migram para o anodo e os íons para o catodo, produzindo assim um sinal, que dá origem a uma corrente pequena que flui através de um resistor R.

O resistor produz uma diferença de tensão que é sentida por um amplificador A.

O sinal do amplificador pode ser analisado de modo a obter uma altura de pulso que pode estar relacionada com a quantidade de ionização produzida, que por sua vez, depende da densidade e estrutura atômica do meio ionizável, da energia e da carga da partícula incidente.

+ + + + +- - - - -

R sinal

A+ + + + +- - - - -

R sinal

A


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Diversas regiões características

Comportamento com a voltagem aplicada


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Região de recombinação

Quando a diferença de potencial entre os eletrodos é pequena, os elétrons e íons podem se recombinar logo após a ionização, e somente uma pequena fração dos íons e elétrons chegam aos eletrodos.

Isto produz um sinal que não corresponde na realidade o número de pares criados.

Esta faixa de valores de tensão é chamada de região de recombinação.


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Câmara de ionização

Aumentando-se a tensão além da região de recombinação, obtemos um sinal que reflete a quantidade total de ionização produzida porque o campo é suficientemente alto de modo que todos os portadores de carga são coletados e um pequeno aumento do campo não tem nenhum efeito sobre o sinal.

Esta faixa de operação é chamada região de ionização.

O sinal de corrente nesta região é muito pequeno e deve ser medido com um eletrômetro. Câmaras de ionização são geralmente usadas para medir exposição a raios gama e monitoramento de altos fluxos de radiação.


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Região proporcional

Aumentando ainda mais a tensão, os elétrons livres começam a ter energia suficiente para produzir novas ionizações.

Os elétrons liberados nestas ionizações secundarias, são também acelerados de modo a produzir mais ionizações.

Como resultado, temos uma avalanche de ionizações. No caso de uma câmara com um fio como anodo (próximo slide), o campo elétrico e mais intenso perto do fio, a avalanche ocorre perto do fio.

Este aumento na ionização é freqüentemente chamado de amplificação de sinal ou multiplicação. O sinal de saída é maior, mas ainda proporcional a quantidade inicial de ionização, e por razões óbvias, esta faixa de operação é chamada região proporcional.


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Região proporcional

+Vo

sinal

br

a

Gás

catodoanodo

Janela fina

Radiação

+Vo

sinal

br

a

Gás

catodoanodo

Janela fina

Radiação

Fig. Construção básica de um detector de ionização com um fio.

rrL

CVE o ˆ

2

)/ln(2

abLC

arCV

VrV oo ln

2)(


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Região Geiger

Aumentando-se ainda mais a tensão chegamos a uma região onde produz-se uma avalanche de pares elétron-íon.

Neste modo, a energia dos elétrons ionizados primários aumenta tanto que eles podem imediatamente excitar ou ionizar outros átomos, produzindo mais elétrons livres.

Um detector Geiger


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Região Geiger

Região de descarga Finalmente, aumentando a tensão alem da região

Geiger, rompe-se a rigidez dielétrica do gás gerando descargas mesmo sem radiação presente e a câmara deixa de ser sensível a qualquer tipo de radiação.


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Detectores Semicondutores


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Propriedades básicas dos semicondutores Estrutura de bandas

Portadores de cargas: elétrons e buracos

isolante

Eg ~ 6 eV

semicondutor metal

Banda de Valência

Banda de valência

Banda de condução

BandaDecondução

Elétrons livres

buracos

isolante

Eg ~ 6 eV

semicondutor metal

Banda de Valência

Banda de valência

Banda de condução

BandaDecondução

Elétrons livres

buracos


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Algumas propriedades físicas do Si e Ge

Si Ge

Numero atômico Z 14 32

Peso atoico A 28.1 72.6

Densidade [g/cm2] 2.33 5.32

Constante dielétrica (relativa) 12 16

Resistividade intrínseca (300k) [cm] 230 000 45

Gap de energia (300K) [eV] 1,1 0,7

Gap de energia (0K) [eV] 1,21 0,785

Mobilidade de elétrons (300K) [cm2/Vs] 1350 3900

Mobilidade dos buracos (300K) [cm2/Vs] 480 1900


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Junção n-p: camada de depleção

Na camada de depleção (depletion layer) há um campo elétrico mesmo sem a aplicação de voltagem ao detector.

Elétron ou buracos criados nesta região (pela partícula incidente) irão ser acelerados.

A variação com o tempo de carga coletada irá resultar em um pulso.


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Resolução em energia

Gap ~ eV (comparar com potenciais de ionização atômicos ~10 eV)

Alta densidade se comparados a gases.

Muitos pares elétron buraco criados por particula incidente boa resolução em energia


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Alguns tipos de detectores de diodo de Si Diffused Junction Diodes

Barreira de superfície (Surface Barrier Detectors)Camada de ouro na superfície em semicondutor tipo-nBarreira Schottky

Ion-implanted diodes


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Detectores Multiplicadores de elétrons


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Fotomultiplicadora

Múltiplos estágios


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Channeltron

Comparação com fotomultiplicadora

fotomultiplicadora

channeltron

x


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Sinais rápidos Resolução em energia

pobre


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Microchannel-plate Placas de microcanais

Sinais rápidos Resolução em energia

pobre


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Fabricação das MCP


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Há MCPs sensíveis a posição em x-y

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