Instrumentação Nuclear

1. Instrumentação Nuclear • CURSO DE VERÃO – IF 2011 • PARTE I – DETECTORES DE RADIAÇÃO • PARTE II – ELETRÔNICA E AQUISIÇÃO DE DADOS • PARTE III – PROCESSAMENTO DIGITAL DE PULSOS Curso de Verão - IF 2011

2. Bibliografia • Instrumentação Nuclear (Notas de Aulas) • Fundamentos da Física de Nêutrons – C. Zamboni (Editora) – Livraria da Física, 2007 • Radiation Detection and Measurement – Glenn F. Knoll (John Wiley & Sons, 1989) • Estrutura da Matéria (Notas de Aulas) • www.dfn.if.usp.br/~ribas/download Curso de Verão - IF 2011

3. Detectores de Radiação • Interação de partículas carregadas e da radiação eletromagnética com a matéria • Detectores a gás • Detectores cintiladores • Detectores semicondutores Curso de Verão - IF 2011

4. Interação de Íons com a Matéria A perda de energia de uma partícula carregada pesada em grande velocidade, i.é.: v >> vo; vo=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). Danos nos detectores! Curso de Verão - IF 2011

5. Freamento 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. Curso de Verão - IF 2011

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8. Programas • STOPX (Upak – simples, fácil de usar, muito útil na preparação de experimentos de física nuclear) • http://www.dfn.if.usp.br/~ribas/download.html - progs-1_i586.tgz • SRIM (Trata com bem mais detalhes as interações, danos, distribuições de alcance, etc.) • http://www.srim.org/ • GEANT – CERN Detector Description and Simulation Tool. • http://wwwasd.web.cern.ch/wwwasd/geant/ Curso de Verão - IF 2011

9. Interação de Fótons com a matéria • Efeito fotoelétrico: Toda a energia do fóton é absorvida por um único elétron. • Espalhamento Compton: Um eletron recebe parte da energia do fóton. Um fóton de menor energia é emitido e em geral escapa do detector. • Produção de pares: Criação de um par elétron-pósitron (se Ef > 2mec2) Curso de Verão - IF 2011

10. Interação de Fótons com a matéria Curso de Verão - IF 2011

11. Espalhamento Compton Curso de Verão - IF 2011

12. 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. Curso de Verão - IF 2011

13. Detector a gás Curso de Verão - IF 2011

14. Coleção de carga e formação do pulso • Detector ideal (C=0) • b) • c) Curso de Verão - IF 2011

15. Caracterização de um detector • Resolução em energia: • N=número de portadores de carga coletados resolução limite (%): F=Fator de Fano (0<F<1) (A resolução final depende de muitos outros fatores…) Curso de Verão - IF 2011

16. Eficiência Intrínseca: Absoluta: Relativa: Curso de Verão - IF 2011

17. Produção 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 Curso de Verão - IF 2011

18. Coleção 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. Curso de Verão - IF 2011

19. A 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. Curso de Verão - IF 2011

20. Mobilidade das Cargas • Íons têm massa grande e mobilidade baixa: onde E é o campo elétrico aplicado, p a pressão e  a mobilidade. Velocidade de arrasto de elétrons Curso de Verão - IF 2011

21. Multiplicação da Carga • Aumentando-se a tensão, além da região de saturação, faz com que os elétrons adquiram energia suficiente para produzir outras ionizações, num processo chamadoAvalanche de Townsend. Curso de Verão - IF 2011

22. Câmara de Ionização • Trabalho efetuado para a coleção das cargas: Curso de Verão - IF 2011

23. Forma do Pulso no resistor R Vmax depende da posição em que a ionização ocorre! Curso de Verão - IF 2011

24. Grade de Frisch Curso de Verão - IF 2011

25. Desempenho • Boa resolução:Se toda a energia da partícula for convertida em ionização, a variânçia 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 Curso de Verão - IF 2011

26. Detector Proporcional • Com campo elétrico aplicado grande (ma non troppo), a avalanche de Townsend produz uma multiplicação de cargas que é proporcional a no. Curso de Verão - IF 2011

27. Geometria para Amplificação • Cilíndro:Campo pró-ximo ao anodo (raio pequeno) muito intenso. • b=raio externo • a=raio do anodo Curso de Verão - IF 2011

28. Pulsos 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!) Curso de Verão - IF 2011

29. Desempenho • 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! Curso de Verão - IF 2011

30. Detectores Sensíveis a Posição Curso de Verão - IF 2011

31. Grandes áreas: Múltiplos Anodos Curso de Verão - IF 2011

32. Contador 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. Curso de Verão - IF 2011

33. Descarga Geiger Curso de Verão - IF 2011

34. 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. Curso de Verão - IF 2011

35. Tempo 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. Curso de Verão - IF 2011

36. Vida Útil • Contadores Geiger são normalmente selados. • Ao longo do tempo, a deterioração 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 Proporcionaisusam fluxo contínuo da mistura gasosa para evitar esses problemas. Curso de Verão - IF 2011

37. Cintiladores • 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. Curso de Verão - IF 2011

38. Curso de Verão - IF 2011

39. Tipos • Orgânicos • Líquidos: NE213, NE216, ... • Plásticos: NE103, NE105, ... • Inorgânicos • Ativados: NaI(Tl), CsI(Na), ... • Puros: BGO (Bi4Ge3O12), BaF2 Curso de Verão - IF 2011

40. Mecanismo de Cintilação (orgânicos) Curso de Verão - IF 2011

41. Inorgânicos Ativados Curso de Verão - IF 2011

42. Emissão de Luz Curso de Verão - IF 2011

43. 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 - Curso de Verão - IF 2011

44. Curso de Verão - IF 2011

45. Fotomultiplicadora Curso de Verão - IF 2011

46. Características • Material dos dinodos: • NEA: G ~ 55N • Convencional: G ~ 5N • Ganho (~107) • Características temporais. • Sensíveis a campos magnéticos. Curso de Verão - IF 2011

47. Variações: Microchannel Plate Curso de Verão - IF 2011

48. Curso de Verão - IF 2011

49. Fotodiodos (conv./avalanche) • Pequenas dimensões. • Não é sensível a campos magnéticos. • Baixas tensões, baixa potência. • Baixo rendimento (convencional) • Alto ruído (avalanche) Curso de Verão - IF 2011

50. Detectores Semicondutores • Pequenas dimensões • Portátil • Boa resolução em energia • Boa resolução temporal. Curso de Verão - IF 2011