Instrumentação Nuclear

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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) 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) - progs-1_i586.tgz SRIM (Trata com bem mais detalhes as interações, danos, distribuições de alcance, etc.) GEANT – CERN Detector Description and Simulation Tool. 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
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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 eV, a energia média (W) para produção de um par elétron-íon positivo é de cerca de eV. 1MeV = 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 chamado Avalanche de Townsend. Curso de Verão - IF 2011

22 Câmara de Ionização Trabalho efetuado para a coleção das cargas:
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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 Vo pequeno: E=1 MeV: V0~5.10-5 V
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~ 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
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31 Grandes áreas: Múltiplos Anodos
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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 ( 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 Proporcionais usam 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

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39 Tipos Orgânicos Inorgânicos 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)
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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 , BGO , BaF2 (S) , BaF2 (F) , Curso de Verão - IF 2011

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45 Fotomultiplicadora Curso de Verão - IF 2011

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

47 Variações: Microchannel Plate
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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

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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. Essa corrente elétrica pode ser bloqueada pela elaboração de uma junção retificadora (junção pn) Curso de Verão - IF 2011

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57 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

58 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. Curso de Verão - IF 2011

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60 O detector “Científico”
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61 Zona de Depleção (exaustão)
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62 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

63 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

64 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

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66 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

67 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

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69 Curso de Verão - IF 2011

70 Curso de Verão - IF 2011

71 Filtros Anti-Compton Curso de Verão - IF 2011

72 Grandes Detectores Curso de Verão - IF 2011

73 Detectores Segmentados
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74 AGATA/GRETA Curso de Verão - IF 2011

75 FIM DA PRIMEIRA PARTE Curso de Verão - IF 2011