DETECTORES DE RADIAÇÃO

Transcrição

1 DETECTORES DE RADIAÇÃO PARTE 1 PAULO R. COSTA

2 Detectores de radiação Transdutores Produção de sinal elétrico Aumento da temperatura Mudança de cor Surgimento de danos nos cromossomos Identificar Presença de radiação Quantificar

3 Tipos de detectores

4 Características dos detectores Eficiência Exatidão Quanto a resposta se aproxima do valor verdadeiro Comparação com um padrão

5 Características dos detectores Sensibilidade Limite de detecção Depende do material e do volume sensível Baixa sensibilidade maior incerteza Faixa dinâmica Intervalo de valores da grandeza medida que produz uma resposta Valor mínimo saturação

6 Características dos detectores Repetibilidade Determina sua precisão Grau de concordância entre valores medidos da mesma quantidade de radiação Repetições em intervalos de tempo curtos Obs: diferente de reprodutibilidade Variação dos resultados quando o processo envolve mudanças (operador, detector tempo, etc.)

7 Características dos detectores Resposta do detector Imediata A posteriori Tempo de resposta Capacidade de identificar como independentes dois sinais não simultâneos separados por um intervalo de tempo curto Depende do circuito eletrônico

8 Características dos detectores Resolução Espacial Em detectores sensíveis à posição Energética Em detectores espectroscópicos Linearidade de resposta Característica desejável mas não necessária

9 Transdução do sinal Coleta de cargas Detectores a gás Semicondutores Subprodutos de reações nucleares Detecção de nêutrons 36 Li + n 13 H + 24 He (Q = 4,78 MeV) 10 5 B + n 37 Li + 24 He (Q = 2,79 MeV) Escurecimento de filmes

10 Modelo simplificado de detector Detector hipotético Interação com uma única partícula Tempo de freamento de uma partícula carregada Gases nanosegundos Sólidos picosegundos Na maioria dos casos Criação de pares de cargas Coleta das cargas para formar um sinal elétrico Tempo para coletas das cargas depende do detector Mobilidade dos portadores de carga dentro do volume ativo do detector

11 Corrente i(t) Modelo simplificado de detector catodo Radiação ionizante anodo t c i( t) dt Q 0 Tempo - t t c

12 Corrente i(t) Modelo simplificado de detector Supondo taxa de irradiação baixa Os pulsos podem ser identificados individualmente Tempo - t

13 Corrente i(t) Modos de operação Modo corrente 1 I ( t) i( t) dt T Tempo de resposta t p I(t) t tt I T >>t p Tempo - t I média

14 Modos de operação MINIMIZAÇÃO Taxa de ocorrência dos eventos I 0 Carga criada por evento rq r E W RESPOSTA LENTA A VARIAÇÕES NA TAXA DE INTERAÇÕES q Energia média depositada por evento 1,6 x C Energia média necessária para formar um par de íons

15 Modos de operação Corrente I(t) Tempo - t I 0 (t) i t T t i t T t I t d t T dt I t I T t ) ( 1 ) ( 1 ) ( rt n n rt n I t n I 1 ) ( 0

16 Tensão V(t) Corrente i(t) Modos de operação Pré-amplificador Modo pulso C R V(t) t c 0 i( t) dt Q RC << t c V(t) = R i(t) Tempo - t t c Tempo - t

17 Tensão V(t) Corrente i(t) Modos de operação Pré-amplificador C R V(t) t c 0 i( t) dt Q RC >>t c V(t) = R i(t) Tempo - t t c V max = Q/C Tempo - t

18 DETECTORES A GÁS

19 Detectores a gás Capacitor preenchido com Gás Mistura de gases Diferença de potencial Condução dos íons para direções contrárias Paredes Janelas finas para a ou b de baixa energia Espessas para fótons Interação nela ou no volume sensível

20 Detectores a gás Liberação de cargas Interação direta com as moléculas do gás Interação com a radiação secundária Elétron produzido por fóton na parede Partícula alfa resultante da interação nuclear de um nêutron com núcleos do gás ou da parede

21 Detectores a gás Diferença de potencial Alta o suficiente para coletar as cargas antes da recombinação Baixa o suficiente para não romper a rigidez dielétrica do gás Regimes de trabalho Câmara de ionização Detector proporcional Contador Geiger-Müller

22 Altura do pulso Regiões de operação de detectores preenchidos com gás Descarga contínua Recombinação Câmaras de ionização Proporcional Geiger- Mueller Proporcionalidade limitada E 2 E 1 E 2 > E 1 Tensão aplicada

23 Produção de pares elétron-ion Energia média necessária para criar um par de íons W Pouca dependência Tipo de radiação incidente Energia da radiação incidente Tipo de gás 25eV < W < 45eV por par de cargas (ver Tabela) Número de pares formados por uma partícula que deposita DE no volume N DE W

24

25 Produção de pares elétron-ion Se a partícula deposita toda sua energia DE E No caso de deposição parcial N 1 W de dx Dx Número de pares de íons formados por unidade de comprimento Total n t 1 n W de dx Primário - n p

26 CÂMARAS DE IONIZAÇÃO

27 Altura do pulso Câmaras de ionização Descarga descontínua Recombinação Câmaras de ionização Proporcional Geiger- Mueller Proporcionalidade limitada E 2 E 1 E 2 > E 1 Tensão aplicada

28 Câmaras de ionização Um dos primeiros detectores de radiação construídos Processo físico de funcionamento bem conhecido Um dos mais utilizados catodo Radiação ionizante anodo

29 Câmaras de ionização Patamar Variação da tensão não induz a variação do sinal Coleta praticamente total da carga produzida Conveniente eletrônica mais simples Resposta depende do tipo de radiação Diferentes densidades de ionização Aplicações Radioterapia Volumes pequenos 0,6 cm 3 Radiologia Volumes maiores 6 cm 3 radiografia em geral 60 cm 3 fluoroscopia 180 cm 3, 600 cm cm 3 monitoração de área

30 corrente Tensão e corrente características f 3 > f 2 > f 1 f 3 f 2 Região normal de operação para evitar variações de corrente devido a variações na tensão aplicada f 1 Em taxas de produção de pares de íons mais altas, campos elétricos mais altos são necessários para evitar a recombinação Tensão aplicada

31 Design de uma câmara de ionização +V -V E anodo catodo +V -V -V +V anodo catodo -V +V

32 Câmaras de ionização Cilíndrica Placas paralelas Esférica electrodo de polarización; 2-electrodo de medición; 3-anillo de guarda; 4-ventana de entrada; 5-vástago

33 Geometria de placas paralelas Pulso de tensão Perturbação do potencial elétrico Pares de cargas em movimento Redução do campo elétrico efetivo Intensidade do campo varia com o movimento das cargas Tensão efetiva no tempo t: V ( t) V0 V ( t) V 0 potencial estático aplicado ef np V np (t) diferença de potencial no tempo t devido aos elétrons e ions dentro da câmara

34 Geometria de placas paralelas x Radiação incidente V ef V 0 C R v n t d v p t

35 Geometria de placas paralelas Como os elétrons movem-se mais rapidamente que os ions (v n >> v p ) Os elétrons demoram t n =x/v n para chegar ao anodo Os íons demoram t p =(d-x)/v p para atingirem o catodo A máxima tensão é obtida quanto todas as cargas forem coletadas Logo, o pulso se saída fica: p p n p n n p ef t t Cd e N t t t x t v Cd e N t t t v v Cd e N V ) ( 0 ) ( 0 0 0

36 Geometria de placas paralelas V ef N 0 e C V p V n t n t p t

37 Geometria de placas paralelas Pulsos reais diferem da curva teórica devido às seguintes razões O circuito de leitura da tensão possui uma constante de tempo finita Os pares de cargas não são produzidos em áreas altamente localizadas

38 Geometria de placas paralelas Constante de tempo do detector e do circuito eletrônico associado t RC Fonte: Ahmed,S.N. Physics&Engineering of radiation detection, Pulsos curtos facilidade para identificar o próximo pulso t muito pequeno perda de informação e não-linearidade

39 Geometria cilíndrica Vantagens Maior eficiência de coleta de cargas Grande área para coleta de íons (cilindro) Maior eficiência de coleta de elétrons devido à alta concentração de linhas de campo no anodo -V +V anodo +V -V catodo

40 Geometria cilíndrica isolante isolante C anodo R V s Variação infinitesimal da energia potencial du Catodo (cilindro) d( r) Q dr dr ClV0 1 du Q 2 r Carga gerada pela ionização em r dr HT Deslocamento infinitesimal da carga Q PARA UMA CÂMARA CILÍNDRICA ClV r) ln 2 ( 0 capacitância d( r) ClV0 1 dr 2 r r a Permeabilidade do gás dr

41 Geometria cilíndrica V U energia dv 1 2 U lcv l 0 2 Q 1 dr 2l r Q 2l a ar 0 1 dr r eletrostática do campo elétrico PARA UMA CÂMARA CILÍNDRICA DE COMPRIMENTO l VARIAÇÃO TOTAL NO POTENCIAL Q a r ln 2l a V V du lclv0dv ClV0 1 du Q dr 2 r V 0 V Q b ln 2l a Q 2l C l b ar 0 1 dr r 2 lnb a a b ± r 0 Q b ln 2l a r V Q lc l 0 Independente de a e b