Detectores de radiação

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1 Detectores de radiação Para quê? Para medir as propriedades de partículas (carregadas ou neutras) originadas num determinado processo Energia, momento, posição, trajectoria, tempo, velocidade, massa, carga... Como? Através da interacção dessas partículas com o próprio detector Deposição total ou parcial da sua energia partícula região de interacção Sinal (luz, carga) Sensor Sinal eléctrico Sistema de aquisição

2 Princípios de detecção A detecção de partículas faz-se sempre através da sua interacção com a matéria. Ao atravessar um meio material, as partículas carregadas deixam atrás de si átomos excitados, pares electrão-ião (em gases) ou pares electrão-lacuna (em sólidos). Os fotões interagem com a matéria produzindo partículas carregadas, que por sua vez vão interagir com o meio. Excitação: Os fotões emitidos pelos átomos excitados num material transparente podem ser registados com detectores de luz. Ionização: As partículas carregadas criam pares electrão-ião (gases) e electrão-lacuna (sóildos). Aplicando um campo ao volume de detecção, estas cargas são recolhidas e lidas por electrónica adequada. Detectores de cintilação Detectores de ionização

3 Detectores de ionização (I) Detectores gasosos: As partículas carregadas deixam um rasto de pares electrão-ião em gases ou líquidos. I) A ionização pode induzir reacções que permitem a visualizar a trajectória da partícula Câmara de nevoeiro: a carga cria gotículas Câmara de bolhas: a carga cria bolhas Emulsão fotográfica: a carga impressiona o filme II) Aplicando um campo ao volume de detecção, estas cargas podem ser recolhidas e lidas por electrónica adequada. As cargas podem ser internamente amplificadas para produzirem um sinal mensurável. Os vários tipos de detectores são basicamente um só dispositivo que pode trabalhar em diversos regimes e configurações, explorando diferentes fenómenos: Câmaras de ionização Contador proprocional Contador Geiger-Müller Detectores de estado sólido: As partículas carregadas deixam um rasto de pares electrão-lacuna.as cargas em movimento podem ser recolhidas e lidas por electrónica adequada. Neste detectores o sinal induzido pela carga inicial é suficiente, não sendo necessária amplificação.

4 Câmara de nevoeiro Wilson Cloud Chamber 1911 X-rays, Wilson 1912 Alphas, Philipp 1926

5 Positrão Um positrão de 63 MeV entra numa placa de chumbo de 6 mm de espessura, saindo com 23 MeV. Campo magnético: Gauss Diâmetro da câmara: 15 cm Chumbo: g/cm 3, Z=82, A=125 Descoberta do positrão, Carl Andersen 1933 A ionização da partícula e o seu comportamento ao atravessar a placa de chumbo são idênticos aos do electrão. Curvatura: partícula de carga positiva, viajando de baixo para cima de/dx: Μuito menor que o esperado para protão. Compatível com electrão positivo!

6 Câmara de nevoeiro Um electrão com uma energia inicial de 16.9 MeV move-se em espiral num campo magnético, sendo visíveis 36 voltas. O percurso total é de 1030 cm, e a energia final 12.4 MeV. No entanto, a perda de energia prevista por ionização é de 2.8MeV. A perda de energia observada (4.5MeV) é pois parcialmente devida a Bremsstrahlung. Electrão energético movendo-se num Campo magnético (Bevatron, 1940) 6

7 Emulsões fotográficas Em emulsões fotográficas a ionização induz reacções químicas que permitem visualizar a trajectória da partícula Entre 1923 e 1938 Marietta Blau foi pioneira nesta técnica. As emulsões eram expostas aos raios cósmicos a altitudes elevadas durante longos períodos e depois analisadas ao microscópio A alta densidade das emulsões comparada com a das câmaras de nevoeiro tornava mais visíveis as trajectórias de particulas resultantes de desintegrações

8 Detectores de ionização (II) Os diferentes detectores de ionização são basicamente um só dispositivo que pode trabalhar em diversos regimes de tensão aplicada e com diversas configurações geométricas, explorando diferentes aspectos dos fenómenos envolvidos Cátodo: cilindro de paredes condutoras cheio de um gás nobre Ânodo: fio condutor ao longo do eixo do cilindro (+V o ) Campo eléctrico: radial E(r) = 1/r.V o /ln(r ext /r int ) Quando a radiação atravessa o cilindro são criados pares electrão-ião em número proporcional à quantidade de energia depositada Devido ao campo eléctrico, os iões são acelerados para o cátodo e os electrões para o ânodo, onde se convertem num impulso de corrente, que por integração dá a carga recolhida. Esta depende pois de V o

9 Detectores de ionização (III) Região I V o ~ 0. Os pares e ião recombinam-se. Não há carga recolhida. À medida que V o aumenta, cada vez mais pares são recolhidos. Região II Câmara de ionização A partir de certo valor todos os pares são recolhidos e um aumento de Vo não tem efeito estamos no primeiro patamar. Região III Contador proporcional Continuando a aumentar V o, os electrões libertados têm energia suficiente para produzir ionizações secundárias Ionização em avalanche (junto ao ânodo) Proporcionalidade: todas as avalanches são aproximadamente iguais e independentes V o (Volt) Região IV Contador Geiger-Müller Tornando a subir V o ocorre uma descarga no gás: fotões de desexcitação moleculares vão iniciar muitas avalanches. O sinal em corrente satura - patamar

10 Contador Geiger-Müller Região IV Contador Geiger-Müller Devido ao campo eléctrico elevado, as avalanches vão ser aumentadas, e induzir avalanches secundárias. Os fotões produzidos na desexcitação de moléculas do gás vão migrar, produzindo novas avalanches deslocalizadas. Têm um papel importante na propagação espacial do fenómeno V o (Volt) O processo de terminação da reacção tem a ver com a acumulação de iões positivos (de baixa mobilidade) à volta do ânodo O campo eléctrico fica abaixo do limiar do GM A terminação do fenómeno dá-se depois do desenvolvimento de um conjunto de avalanches que corresponde sempre à mesma carga total Os impulsos de saída são todos iguais.

11 Contador Geiger-Müller Não há medida da energia funciona em descarga, todos os sinais são de igual amplitude, independentemente da energia depositada (nº de pares e-ião inicial) Só pode ser usado como contador de eventos Um impulso típico tem pares e-ião - sinais da ordem dos Volts Comportamento temporal: Impulso dos electrões no ânodo: carga gerada e recolhida em ~ poucos μs tempo de trânsito dos iões ~ centenas de μs Sinais de amplitude muito elevada Tempo de recuperação relativamente alto

12 Contador Geiger-Müller Para uma dada tensão aplicada, todos os sinais são de igual amplitude, independentemente da energia depositada (nº de pares e-ião inicial) Não há medida da energia, apenas contagem de eventos À medida que se aumenta a tensão, aumenta a dimensão da descarga, aumentando a amplitude do sinal. Apenas aumenta o sinal correspondente a um evento. Não o número de eventos detectados! Patamar de GM Na realidade, o patamar tem uma certa inclinação (extremidades do tubo, impulsos na fase de recuperação...) Acima de uma certa tensão, o sistema entra em descarga contínua

13 Contador Geiger-Müller Eficiência de detecção para partículas carregadas ~ 100% 1 par e-ião é suficiente janela fina Fotões: baixa probabilidade de conversão baixa eficiência Conversão nas paredes do tubo.

14 Contador Geiger-Müller Produz sinais muito elevados, devida à grande carga colectada (~ Volts) É um sistema simples (electrónica), fácil de operar e económico

15 Cintiladores A energia perdida pelas partículas incidentes vai excitar os átomos do material. Há emissão de luz na gama do visível ou ultravioleta (UV). Fluorescência: reemissão rápida de luz Fosforecência: reemissão lenta de luz (podendo ter uma componente mais rápida e outra mais lenta) Caracterização: Eficiência de conversão da energia depositada em luz (Light yield) Tempo de emissão (componente rápida) Espectro de emissão Transparência Variedade / versatilidade inúmeras aplicações

16 Cintiladores Cintiladores Orgânicos Cintiladores Inorgânicos Materiais de baixo Z: plásticos (e.g. poliestireno) dopados com moléculas fluorescentes Cintilação de natureza molecular Grande densidade e Z: cristais NaI, CsI, BGO, dopados com impurezas activadoras: NaI(Tl) Cintilação devida à estrutura de bandas electrónicas dos cristais Baixo Light Yield Emissão de luz rápida (1-3 ns) Bons para electrões Elevado Light Yield Emissão de luz lenta (~100 ns) Bons para fotões Usados em medicina nuclear Outros tipos: gases (nobres!), vidros,...

17 Cintiladores

18 Fotomultiplicadores Anode Photo Cathode γ Dynodes Window PMT - Photomultiplier tube Janela de entrada transparente (vidro ou quartzo) Fotocátodo: fotões incidentes são convertidos em electrões (fotoelectrões) por efeito fotoeléctrico Eficiência quântica ~20% Npe = Nγ. ε geom. QE Baixo ruído = Corrente negra (emissão espontânea) + ruído estatístico Dínodos: cadeia de amplificação: sujeitos a tensão, emissão de electrões secundários Ganho Muito rápidos 200 ps

19 Fotomultiplicadores

20 Aplicação: NaI + PMT γ O fotão incidente origina partículas carregadas no cristal, que vão produzir luz de cintilação Os fotões de cintilação atingem o fotocátodo do PMT. São produzidos fotoelectrões, que se multiplicam na cadeia de amplificação

21 Aplicação: NaI + PMT

22 Aplicação: NaI + PMT (1) O γ sofre várias difusões de Compton e é absorvido por efeito fotoeléctrico. É detectada toda a energia Contribuição para o pico de abosrção total (fotopico) (2) O γ sofre uma ou várias difusões de Compton e abandona o detector. É detectada apenas a energia dos electrões Contribuição para o patamar de Compton Se o γ sofrer uma retrodifusão (difusão de Compton com transferência máxima de energia para o electrão): Contribuição para o joelho de Compton Ee max = E foto Eγ min ~ E foto MeV N (3) O γ sofre uma retrodifusão e é detectado O electrão também é detectado Contribuição para o fotopico O electrão não é detectado (por a difusão se ter dado fora do detector, ou muito junto à superfície do mesmo) Contribuição para o pico de retrodifusão (backscattering) E E backscattering = Eγ min ~ MeV

23 Aplicação NaI + PMT 3 (4) O γ origina um par electrão-positrão; o positrão aniquilase na matéria, originando dois fotões (back to back) que são absorvidos por efeito fotoeléctrico. Contribuição para o pico de absorção total 2 1 E γ = 2 m e c 2 + T e+ +T e- = 1022 KeV + T e+ +T e- (5) Como no caso anterior: γ e+e-, e+ γγ mas um dos gamas escapa do detector Contribuição para o pico de escape simples E dep = E γ KeV N (6) Como no caso anterior: γ e+e-, e+ γγ mas os dois gamas escapam do detector Contribuição para o pico de escape duplo E dep = E γ KeV E

24 γ Fontes radioactivas

25 Características gerais dos detectores (I) Sensibilidade... a um determinado tipo de partícula e gama de energia. Depende das secções eficazes envolvidas, volume do detector, ruído electrónico,... Exemplo: Detecção de fotões por cintiladores plásticos e cristais Plástico Cristal Resposta/Linearidade Se a radiação incidente for completamente absorvida, o sinal recolhido no detector, convertido em impulso eléctrico e integrado no tempo dá-nos uma carga proporcional à energia incidente. Energia Em muitos casos a resposta do detector é linear: Valor medido = k. Valor inicial k = constante de calibração Canal Eficiência ε total = eventos detectados / eventos emitidos pela fonte ε total = ε intrínseca x ε geométrica ε intrínseca = eventos detectados / eventos incidindo no detector Depende do tipo e energia da radiação e do material e volume do detector ε geométrica = eventos incidindo no detector / eventos emitidos pela fonte Depende da distribuição angular da radiação emitida e da fracção do ângulo sólido coberta pelo detector

26 Características gerais dos detectores (II) Resolução em energia É uma medida da capacidade de o detector distinguir dois valores de energia próximos. Estamos perante fenómenos estatísticos flutuando em torno de um valor médio R = ΔE / E = FWHM / E Exemplo NaI: Variação da resolução com a energia: R varia com 1/ E Poisson => σ 2 = N (ΔN = FWHM = 2.35 σ) R = ΔE / E = ΔN / N = 2.35/ N Tempo morto É o tempo τ necessário ao sistema de detecção para processar um evento. Se o detector se mantiver activo durante esse tempo há empilhamento de eventos. Se o detector bloquear durante esse tempo há perda de eventos. Se o detector regista k contagens durante o tempo T. Qual é a taxa real r? A taxa medida é r = k/t. O tempo morto é kτ. O número real de contagens é rt = k + r k τ Donde r = r / (1-r τ)

27 Lab: Contador Geiger-Müller

28 Lab: Espectroscopia gama (NaI) Energia Canal