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Curso de Verão - IF 2011 Instrumentação Nuclear CURSO DE VERÃO – IF 2011 CURSO DE VERÃO – IF 2011 PARTE I – DETECTORES DE RADIAÇÃO PARTE I – DETECTORES.

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

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

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

4 Curso de Verão - IF 2011 Interação de Íons com a Matéria A perda de energia de uma partícula carregada pesada em grande velocidade, i.é.: v >> v o ; v o =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 v o, as colisões elásticas íon-átomo começam a dominar (freamento nuclear). Danos nos detectores!

5 Curso de Verão - IF 2011 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 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 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. Região de baixas velocidades (LSS): Nesta região, a força freadora é aproximadamente proporcional à velocidade do íon.

6 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) STOPX (Upak – simples, fácil de usar, muito útil na preparação de experimentos de física nuclear) - progs-1_i586.tgz - progs-1_i586.tgz SRIM (Trata com bem mais detalhes as interações, danos, distribuições de alcance, etc.) SRIM (Trata com bem mais detalhes as interações, danos, distribuições de alcance, etc.) GEANT – CERN Detector Description and Simulation Tool. GEANT – CERN Detector Description and Simulation Tool.

9 Curso de Verão - IF 2011 Interação de Fótons com a matéria Efeito fotoelétrico: Toda a energia do fóton é absorvida por um único elétron. 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. 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 E f > 2m e c 2 ) Produção de pares: Criação de um par elétron-pósitron (se E f > 2m e c 2 )

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

11 Curso de Verão - IF 2011 Espalhamento Compton

12 Curso de Verão - IF 2011 Detectores a gás – Propriedades Gerais Modo corrente (monitoração e dosimetria) 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. 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 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. Coleta-se a carga depositada individualmente por cada partícula incidente no detector. Este é o modo empregado nos detectores empregado na espectroscopia nuclear.

13 Curso de Verão - IF 2011 Detector a gás

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

15 Curso de Verão - IF 2011 Caracterização de um detector Resolução em energia: Resolução em energia: N=número de portadores de carga coletados resolução limite (%): F=Fator de Fano (0

16 Curso de Verão - IF 2011 Eficiência Intrínseca : Absolut a: Relativa:

17 Curso de Verão - IF 2011 Produção de pares e-íon Ao atravessar o gás, uma partícula carregada produz uma coluna de íons positivos e elétrons. 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 eV, a energia média (W) para produção de um par elétron- íon positivo é de cerca de eV. Embora a energia média de ionização de gases seja por volta de eV, a energia média (W) para produção de um par elétron- íon positivo é de cerca de eV. 1MeV = pares 1MeV = pares

18 Curso de Verão - IF 2011 Coleção da carga livre A tendência natural das cargas produzidas é a recombinação. 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. 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.

19 Curso de Verão - IF 2011 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: 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 m é dia necess á ria para a forma ç ão de um par e E a energia da part í cula. onde W é a energia m é dia necess á ria para a forma ç ão de um par e E a energia da part í cula.

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

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

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

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

24 Curso de Verão - IF 2011 Grade de Frisch

25 Curso de Verão - IF 2011 Desempenho Boa resolução: Se toda a energia da partícula for convertida em ionização, a variânçia de n o será nula. Se o processo for puramente estatístico, será n o (Poisson). Normalmente ela é algo intermediário: Boa resolução: Se toda a energia da partícula for convertida em ionização, a variânçia de n o será nula. Se o processo for puramente estatístico, será n o (Poisson). Normalmente ela é algo intermediário: V o pequeno: E=1 MeV: V 0 ~ V V o pequeno: E=1 MeV: V 0 ~ V

26 Curso de Verão - IF 2011 Detector Proporcional Com campo elétrico aplicado grande (ma non troppo), a avalanche de Townsend produz uma multiplicação de cargas que é proporcional a n o. Com campo elétrico aplicado grande (ma non troppo), a avalanche de Townsend produz uma multiplicação de cargas que é proporcional a n o.

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

28 Curso de Verão - IF 2011 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. 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. 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!) Adiciona-se uma pequena fração de gás poliatômico ao gás monoatômico usado nesses detectores para evitar estes problemas (Geiger!)

29 Curso de Verão - IF 2011 Desempenho Fator de amplificação médio M~10 2 – 10 4 Fator de amplificação médio M~10 2 – 10 4 Resolução mínima: Resolução mínima: F~0.12 (fator de Fano), b~0.5 ( flutuações em M) 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. 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! Processo de formação do pulso: próximo ao anodo -> não há necessidade de grades!

30 Curso de Verão - IF 2011 Detectores Sensíveis a Posição

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

32 Curso de Verão - IF 2011 Contador Geiger-Mueller Geiger: aluno do Rutherford em Manchester (medidas do espalhamento de ´s em Au). 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 ( pares e-íons). Limite extremo do processo de multipli- cação: A quantidade de carga produzida é independente da ionização inicial ( pares e-íons). Tensão no resistor ~1V. Tensão no resistor ~1V.

33 Curso de Verão - IF 2011 Descarga Geiger

34 Curso de Verão - IF 2011 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. 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. 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.

35 Curso de Verão - IF 2011 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. 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. 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.

36 Curso de Verão - IF 2011 Vida Útil Contadores Geiger são normalmente selados. 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. 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 Proporcionais usam fluxo contínuo da mistura gasosa para evitar esses problemas. Detectores Proporcionais usam fluxo contínuo da mistura gasosa para evitar esses problemas.

37 Curso de Verão - IF 2011 Cintiladores Converter a energia depositada em um pulso de luz, com grande eficiência. Converter a energia depositada em um pulso de luz, com grande eficiência. Intensidade de luz energia depositada. Intensidade de luz energia depositada. Meio transparente para a luz produzida. Meio transparente para a luz produzida. Tempo de emissão curto. Tempo de emissão curto. Fácil de produzir em grandes dimensões. Fácil de produzir em grandes dimensões. Índice de refração próximo ao do vidro. Índice de refração próximo ao do vidro.

38 Curso de Verão - IF 2011

39 Tipos Orgânicos Orgânicos Líquidos: NE213, NE216,... Líquidos: NE213, NE216,... Plásticos: NE103, NE105,... Plásticos: NE103, NE105,... Inorgânicos Inorgânicos Ativados: NaI(Tl), CsI(Na),... Ativados: NaI(Tl), CsI(Na),... Puros: BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ), BaF 2 Puros: BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ), BaF 2

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

41 Curso de Verão - IF 2011 Inorgânicos Ativados

42 Curso de Verão - IF 2011 Emissão de Luz

43 Curso de Verão - IF 2011 Material max (nm) ( s)fotons/MeV NaI(Tl)4150, NE102A4320, BGO5050, BaF2 (S)3100, BaF2 (F)2200,0006 -

44 Curso de Verão - IF 2011

45 Fotomultiplicadora

46 Características Material dos dinodos: Material dos dinodos: NEA: G ~ 55 N NEA: G ~ 55 N Convencional: G ~ 5 N Convencional: G ~ 5 N Ganho (~10 7 ) Ganho (~10 7 ) Características temporais. Características temporais. Sensíveis a campos magnéticos. Sensíveis a campos magnéticos.

47 Curso de Verão - IF 2011 Variações: Microchannel Plate

48 Curso de Verão - IF 2011

49 Fotodiodos (conv./avalanche) Pequenas dimensões. Pequenas dimensões. Não é sensível a campos magnéticos. Não é sensível a campos magnéticos. Baixas tensões, baixa potência. Baixas tensões, baixa potência. Baixo rendimento (convencional) Baixo rendimento (convencional) Alto ruído (avalanche) Alto ruído (avalanche)

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

51 Curso de Verão - IF 2011

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55 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. 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) Essa corrente elétrica pode ser bloqueada pela elaboração de uma junção retificadora (junção pn)

56 Curso de Verão - IF 2011

57 Junção pn difusa O processo de difusão térmica produz a junção a cerca de 1-2 m da superfície. O processo de difusão térmica produz a junção a cerca de 1-2 m da superfície. A junção é difusa, com extensão de alguns microns. 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. Esses fatos implicam numa zona morta relativamente espessa, na parte frontal do detector, por onde entram as partículas a serem detectadas.

58 Curso de Verão - IF 2011 Barreira de Superfície (culinária!) Peque um disco fino de Si tipo n. Peque um disco fino de Si tipo n. Limpe bem a superfície do Si com ataque químico (etching). Limpe bem a superfície do Si com ataque químico (etching). Deixe a superfície oxidar ligeiramente. Deixe a superfície oxidar ligeiramente. Evapore uma fino filme de Au. Evapore uma fino filme de Au.

59 Curso de Verão - IF 2011

60 O detector Científico

61 Curso de Verão - IF 2011 Zona de Depleção (exaustão)

62 Curso de Verão - IF 2011 Detectores de Ge Para radiação, necessário volume grande e elementos pesados (Z grande). Para radiação, 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. 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. Por ter gap pequeno (~0.66 eV) a corrente à temperatura ambiente é muito grande: devem ser resfriados.

63 Curso de Verão - IF 2011 Refinamento por zona de fusão O material bruto, já de altíssima pureza (grau eletrônico) é preparado na forma de um lingote de ~8x4x60 cm) 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. 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) 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)

64 Curso de Verão - IF 2011 Germânio Hiper-Puro O material resultante contém impurezas em quantidades menores que 10 9 átomos/cm 3. O material resultante contém impurezas em quantidades menores que 10 9 átomos/cm 3. 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) 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$) Alto custo (20 – 100K US$)

65 Curso de Verão - IF 2011

66 Características Resolução: ~1.5 – 2.2 keV (FWHM) para a linha de 1.33 MeV do 60 Co Resolução: ~1.5 – 2.2 keV (FWHM) para a linha de 1.33 MeV do 60 Co 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) 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. Resolução temporal: Ruim em coaxiais, boa em planares.

67 Curso de Verão - IF 2011 Tipo-n Cristais hiper-puros tipo p são mais fáceis de se fabricar. 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) Cristais tipo n são mais resistentes a nêutrons e podem ser reciclados por processo de recozimento (anealing)

68 Curso de Verão - IF 2011

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71 Filtros Anti-Compton

72 Curso de Verão - IF 2011 Grandes Detectores

73 Curso de Verão - IF 2011 Detectores Segmentados

74 Curso de Verão - IF 2011 AGATA/GRETA

75 FIM DA PRIMEIRA PARTE


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