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Instrumentação Nuclear

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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. Bibliografia. Instrumentação Nuclear (Notas de Aulas)

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instrumenta o nuclear
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

bibliografia
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

detectores de radia o
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

intera o de ons com a mat ria
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

freamento eletr nico
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

programas
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

intera o de f tons com a mat ria
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

intera o de f tons com a mat ria1
Interação de Fótons com a matéria

Curso de Verão - IF 2011

espalhamento compton
Espalhamento Compton

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detectores a g s 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.

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detector a g s
Detector a gás

Curso de Verão - IF 2011

cole o de carga e forma o do pulso
Coleção de carga e formação do pulso
  • Detector ideal (C=0)
  • b)
  • c)

Curso de Verão - IF 2011

caracteriza o de um detector
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

efici ncia
Eficiência

Intrínseca:

Absoluta:

Relativa:

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produ o de pares e on
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

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cole o da carga livre
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.

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a corrente de ioniza o
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.

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mobilidade das cargas
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

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multiplica o da carga
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

c mara de ioniza o
Câmara de Ionização
  • Trabalho efetuado para a coleção das cargas:

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forma do pulso no resistor r
Forma do Pulso no resistor R

Vmax depende da posição em que a ionização ocorre!

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grade de frisch
Grade de Frisch

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desempenho
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

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detector proporcional
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

geometria para amplifica o
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

pulsos esp rios
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

desempenho1
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!

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detectores sens veis a posi o
Detectores Sensíveis a Posição

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grandes reas m ltiplos anodos
Grandes áreas: Múltiplos Anodos

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contador geiger mueller
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

descarga geiger
Descarga Geiger

Curso de Verão - IF 2011

extin o 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.

Curso de Verão - IF 2011

tempo morto grande
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

vida til
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

cintiladores
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

tipos
Tipos
  • Orgânicos
    • Líquidos: NE213, NE216, ...
    • Plásticos: NE103, NE105, ...
  • Inorgânicos
    • Ativados: NaI(Tl), CsI(Na), ...
    • Puros: BGO (Bi4Ge3O12), BaF2

Curso de Verão - IF 2011

inorg nicos ativados
Inorgânicos Ativados

Curso de Verão - IF 2011

emiss o de luz
Emissão de Luz

Curso de Verão - IF 2011

slide43

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

fotomultiplicadora
Fotomultiplicadora

Curso de Verão - IF 2011

caracter sticas
Características
  • Material dos dinodos:
    • NEA: G ~ 55N
    • Convencional: G ~ 5N
  • Ganho (~107)
  • Características temporais.
  • Sensíveis a campos magnéticos.

Curso de Verão - IF 2011

varia es microchannel plate
Variações: Microchannel Plate

Curso de Verão - IF 2011

fotodiodos conv avalanche
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

detectores semicondutores
Detectores Semicondutores
  • Pequenas dimensões
  • Portátil
  • Boa resolução em energia
  • Boa resolução temporal.

Curso de Verão - IF 2011

contato hmico
Contato Ôhmico
  • 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)

Curso de Verão - IF 2011

jun o pn difusa
Junção pn difusa
  • O processo de difusão térmica produz a junção a cerca de 1-2 mm 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.

Curso de Verão - IF 2011

barreira de superf cie culin ria
Barreira de Superfície(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.

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o detector cient fico
O detector “Científico”

Curso de Verão - IF 2011

zona de deple o exaust o
Zona de Depleção (exaustão)

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detectores de ge
Detectores de Ge
  • Para radiação g, 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.

Curso de Verão - IF 2011

refinamento por zona de fus o
Refinamento 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)

Curso de Verão - IF 2011

germ nio hiper puro
Germânio 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$)

Curso de Verão - IF 2011

caracter sticas1
Características
  • 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.

Curso de Verão - IF 2011

tipo n
Tipo-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)

Curso de Verão - IF 2011

filtros anti compton
Filtros Anti-Compton

Curso de Verão - IF 2011

grandes detectores
Grandes Detectores

Curso de Verão - IF 2011

detectores segmentados
Detectores Segmentados

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agata greta
AGATA/GRETA

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fim da primeira parte
FIM DA PRIMEIRA PARTE

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