A detecção de raios-X é muito específica, porque os fótons de alta energia interagem de maneira diferente com a matéria. Fótons de alta energia podem viajar milhares de pés no ar e podem facilmente passar por vários materiais. Além disso, fótons de alta energia 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 de fótons de alta energia, precisamos entender a interação da radiação com a matéria . Cada tipo de partícula interage de maneira diferente, portanto, devemos descrever as interações dos fótons de alta energia (radiação como fluxo desses raios) separadamente.
Veja também: Raios X
Interação de raios-X com a matéria
Embora seja conhecido um grande número de possíveis interações, existem três mecanismos principais de interação com a matéria. A força dessas interações depende da energia dos raios X e da composição elementar do material, mas não muito das propriedades químicas, uma vez que a energia dos fótons dos raios X é muito maior que as energias químicas de ligação. A absorção fotoelétrica domina com baixas energias dos raios X, enquanto a dispersão de Compton domina com energias mais altas.
O fóton é completamente absorvido no efeito fotoelétrico, enquanto apenas energia parcial é depositada em qualquer espalhamento de Compton. A probabilidade de absorção fotoelétrica (domina em energias mais baixas dos raios X) 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.
Detectores de raios X
Os detectores também podem ser classificados de acordo com materiais e métodos sensíveis que podem ser utilizados para fazer uma medição:
Detecção de raios X 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.
Detecção de raios X usando o contador Geiger
O contador Geiger pode detectar radiação ionizante, como partículas alfa e beta , nêutrons , raios X 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.
Tipo sem janelas
Os raios gama têm muito pouco problema em penetrar nas paredes metálicas da câmara. Portanto, os contadores Geiger podem ser usados para detectar radiação gama e raios-X (tubos de paredes finas) conhecidos coletivamente como fótons, e para isso o tubo sem janelas é usado.
- Um tubo de parede espessa é usado para detecção de radiação gama acima de energias de cerca de 25 KeV, esse tipo geralmente tem uma espessura total de parede de cerca de 1-2 mm de aço cromado.
- Um tubo de parede fina é usado para fótons de baixa energia (raios X ou raios gama) e partículas beta de alta energia. A transição do projeto de paredes finas para paredes espessas ocorre nos níveis de energia de 300 a 400 keV. Acima desses níveis, são utilizados projetos de paredes espessas e, abaixo desses níveis, o efeito de ionização direta por gás é predominante.
Detecção de raios-X usando o 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 , raios-X e gama . Eles podem ser usados também para a detecção de nêutrons . Para esses fins, diferentes cintiladores são usados.
- Raios-X . 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 no iodeto de sódio (uma vez 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 raios X 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.
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