O que é detecção de radiação gama – Detector de raios gama – Definição

A detecção de radiação gama é muito específica, porque os raios gama interagem de maneira diferente com a matéria. Os raios gama podem viajar milhares de pés no ar e podem facilmente passar por vários materiais. Além disso, os raios gama podem ionizar átomos indireta e diretamente (apesar de serem eletricamente neutros) através do efeito fotoelétrico e do efeito Compton . Mas a ionização secundária (indireta) é muito mais significativa.

Para descrever os princípios de detecção da radiação gama, precisamos entender a interação da radiação com a matéria . Cada partícula de tipo interage de uma maneira diferente; portanto, devemos descrever as interações dos raios gama (radiação como um fluxo desses raios) separadamente.

Interação da radiação gama com a matéria

Os raios gama consistem em fótons de alta energia . Esses fótons são partículas / ondas (Dualidade de Partículas de Onda) sem massa de repouso ou carga elétrica. Eles podem viajar 10 metros ou mais no ar. Esta é uma longa distância em comparação com partículas alfa ou beta. No entanto, os raios gama depositam menos energia ao longo de seus caminhos. Chumbo, água e concreto impedem a radiação gama. Os fótons (raios gama e raios X) podem ionizar átomos diretamente através do efeito Fotoelétrico e do efeito Compton, onde é produzido o elétron relativamente energético. O elétron secundário continuará produzindo múltiplos eventos de ionização ; portanto, a ionização secundária (indireta) é muito mais significativa.

Embora seja conhecido um grande número de possíveis interações, existem três mecanismos principais de interação com a matéria.

• Efeito fotoelétrico
• Efeito Compton
• Produção em pares

O fóton é completamente absorvido no efeito fotoelétrico e na produção de pares, enquanto apenas energia parcial é depositada em qualquer espalhamento de Compton. A probabilidade de absorção fotoelétrica (domina em energias de raios gama mais baixas) por unidade de massa é aproximadamente proporcional a:

τ (fotoelétrico) = constante x Z ^N / E ^3.5

onde Z é o número atômico, o expoente n varia entre 4 e 5. E é a energia do fóton incidente. A probabilidade de espalhamento de Compton por interação com um átomo aumenta linearmente com o número atômico Z, porque depende do número de elétrons disponíveis para espalhamento no átomo alvo. A probabilidade de produção de pares (domina com energias de raios gama mais altas), caracterizada pela seção transversal, é uma função muito complicada baseada na mecânica quântica . Em geral, a seção transversal aumenta aproximadamente com o quadrado do número atômico (σ p ~ Z ² ) e aumenta com a energia do fóton, mas essa dependência é muito mais complexa.

Como resultado, o material sensível eficaz para detecção de radiação gama é, na maioria dos casos, baseado no uso de materiais com duas propriedades de materiais a seguir:

• alta densidade de material.
• alto número atômico de material  ( materiais com alto Z)

Detectores de radiação gama

Os detectores também podem ser classificados de acordo com materiais e métodos sensíveis que podem ser utilizados para fazer uma medição:

• Detectores de ionização gasosa
• Detectores de cintilação
• Detectores de semicondutores

Detecção de radiação gama usando câmara de ionização

Os raios gama  têm muito pouco problema em penetrar nas paredes metálicas da câmara. Portanto, câmaras de ionização podem ser usadas para detectar radiação gama e raios-X conhecidos coletivamente como fótons, e para isso o tubo sem janelas é usado. As câmaras de ionização têm uma boa resposta uniforme à radiação em uma ampla gama de energias e são os meios preferidos para medir altos níveis de radiação gama. Alguns problemas são causados ​​pelo fato de que as partículas alfa são mais ionizantes que as partículas beta e os raios gama; portanto, mais corrente é produzida na região da câmara de ionização por alfa do que beta e gama. Os raios gama depositam uma quantidade significativamente menor de energia no detector do que outras partículas.

A eficiência da câmara pode ser aumentada ainda mais pelo uso de um gás de alta pressão. Tipicamente, uma pressão de 8 a 10 atmosferas pode ser usada e vários gases nobres são empregados. Por exemplo, as  câmaras de ionização de xenônio de alta pressão (HPXe)  são ideais para uso em ambientes não controlados, pois a resposta de um detector demonstrou ser uniforme em grandes faixas de temperatura (20–170 ° C). A pressão mais alta resulta em uma maior densidade de gás e, portanto, em uma maior chance de colisão com o gás de preenchimento e a criação de pares de íons por radiação gama incidente. Devido ao aumento da espessura da parede necessária para suportar essa alta pressão, apenas a radiação gama pode ser detectada. Esses detectores são usados ​​em  medidores de medição  e para monitoramento ambiental.

Detecção de radiação gama usando o contador Geiger

O contador Geiger  pode detectar radiação ionizante, como  partículas alfa  e  beta ,  nêutrons e  raios gama,  usando o efeito de ionização produzido em um tubo Geiger-Müller, que dá nome ao instrumento. A tensão do detector é ajustada para que as condições correspondam à região de  Geiger-Mueller .

O  alto fator de amplificação  do contador Geiger é a principal vantagem sobre a câmara de ionização. O contador Geiger é, portanto, um dispositivo muito mais sensível do que outras câmaras. É frequentemente usado na detecção de raios gama de baixo nível e partículas beta por esse motivo.

Detecção de radiação gama usando contador de cintilação

Os contadores de cintilação  são usados ​​para medir a radiação em uma variedade de aplicações, incluindo medidores portáteis de pesquisa de radiação, monitoramento pessoal e ambiental de  contaminação radioativa , imagens médicas, ensaios radiométricos, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares. Eles são amplamente utilizados porque podem ser fabricados de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente.

Os contadores de cintilação podem ser usados ​​para detectar  radiação alfa ,  beta e  gama . Eles podem ser usados ​​também para a  detecção de nêutrons . Para esses fins, diferentes cintiladores são usados.

• Raios gama . Os materiais com alto teor de Z  são mais adequados como cintiladores para a detecção de raios gama. O material de cintilação mais utilizado é o  NaI (Tl)  (iodeto de sódio dopado com tálio). O iodo fornece a maior parte do poder de parada do iodeto de sódio (já que possui um alto Z = 53). Esses cintiladores cristalinos são caracterizados por tempos de alta densidade, alto número atômico e decaimento de pulso de aproximadamente 1 microssegundo (~ 10 ^-6 sec). A cintilação em cristais inorgânicos é tipicamente mais lenta que nos orgânicos. Eles exibem alta eficiência na detecção de raios gama e são capazes de lidar com altas taxas de contagem. Os cristais inorgânicos podem ser cortados em tamanhos pequenos e dispostos em uma configuração de matriz para fornecer sensibilidade à posição. Esse recurso é amplamente utilizado em imagens médicas para detectar raios-X ou raios gama. Cintiladores inorgânicos são melhores na detecção de raios gama e raios-X. Isto é devido à sua alta densidade e número atômico, o que fornece uma alta densidade de elétrons.

Detecção de radiação gama usando semicondutores – HPGe Detectors

Detectores de germânio de alta pureza  ( detectores HPGe ) são a melhor solução para espectroscopia precisa de  raios gama e raios-x .

Como foi escrito, o estudo e a análise de espectros de raios gama para uso científico e técnico são chamados espectroscopia gama, e os espectrômetros de raios gama são os instrumentos que observam e coletam esses dados. Um espectrômetro de raios gama (GRS) é um dispositivo sofisticado para medir a distribuição de energia da radiação gama. Para a medição de raios gama acima de várias centenas de keV, existem duas categorias de detectores de grande importância:  cintiladores inorgânicos como NaI (Tl)  e  detectores de semicondutores . Se uma  resolução de energia perfeita  for necessária, precisamos usar  um detector à base de germânio , como o  detector HPGe. Os detectores de semicondutores à base de germânio são mais comumente usados ​​onde é necessária uma resolução muito boa de energia, especialmente para  espectroscopia gama , bem como  espectroscopia de raios-x . Na espectroscopia gama, o germânio é preferido devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e aumentar a probabilidade de interação com raios gama. Além disso, o germânio possui menor energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios, que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio. Isso também fornece ao último uma melhor resolução em energia. O FWHM (largura total até a metade do máximo) para detectores de germânio é uma função da energia. Para um fóton de 1,3 MeV, o FWHM é de 2,1 keV, o que é muito baixo.