Detectores de ionização gasosa
Os detectores de ionização gasosa são amplamente utilizados em usinas nucleares, na maioria das vezes, para medir partículas alfa e beta , nêutrons e raios gama . Os detectores operam nas regiões de ionização, proporcional e Geiger-Mueller, com um arranjo mais sensível ao tipo de radiação que está sendo medido. Os detectores de nêutrons utilizam câmaras de ionização ou contadores proporcionais de design apropriado. Câmaras de íons compensados,contadoresBF 3 , contadores de fissão e contadores de recuo de prótons são exemplos de detectores de nêutrons.
Vantagens e desvantagens dependendo da tensão do detector
A relação entre a tensão aplicada e a altura do pulso em um detector é muito complexa. A altura do pulso e o número de pares de íons coletados estão diretamente relacionados. Como foi escrito, as tensões podem variar amplamente, dependendo da geometria do detector e do tipo e pressão do gás. A figura indica esquematicamente as diferentes regiões de tensão dos raios alfa, beta e gama. Existem seis principais regiões operacionais práticas, onde três (ionização, proporcional e região de Geiger-Mueller) são úteis para detectar radiação ionizante. Essas regiões são mostradas abaixo. A curva alfa é mais alta que a curva beta e gama da região de recombinação para parte da região de proporcionalidade limitada devido ao maior número de pares de íons produzidos pela reação inicial da radiação incidente.
- Região de ionização . Na região de ionização, um aumento na voltagem não causa um aumento substancial no número de pares de íons coletados. O número de pares de íons coletados pelos eletrodos é igual ao número de pares de íons produzidos pela radiação incidente e depende do tipo e energia das partículas ou raios na radiação incidente. Portanto, nesta região a curva é plana. A tensão deve ser maior que o ponto em que pares de íons dissociados podem se recombinar. Por outro lado, a tensão não é alta o suficiente para produzir amplificação de gás (ionização secundária). Os detectores na região de ionização operam com uma força de campo elétrico baixa, selecionada de forma que não ocorra multiplicação de gás . Sua corrente é independente da tensão aplicada e sãopreferidos para altas taxas de dose de radiação porque não possuem “tempo morto”, um fenômeno que afeta a precisão do tubo Geiger-Mueller em altas taxas de dose.
- Região proporcional . Na região proporcional, a carga coletada aumenta com um aumento adicional na tensão do detector, enquanto o número de pares de íons primários permanece inalterado. O aumento da tensão fornece aos elétrons primários aceleração e energia suficientes para que eles possam ionizar átomos adicionais do meio. Esses íons secundários formados também são acelerados, causando um efeito conhecido como avalanches de Townsend , que cria um único pulso elétrico grande. Embora exista um grande número de íons secundários (cerca de 10 3 – 10 5 ) para cada evento primário, a câmara é sempre operada de modo que o número de íons secundários seja proporcionalpara o número de eventos primários. É muito importante, porque a ionização primária depende do tipo e energia das partículas ou raios no campo de radiação interceptado. O número de pares de íons coletados dividido pelo número de pares de íons produzidos pela ionização primária fornece o fator de amplificação do gás (indicado por A). A amplificação de gás que ocorre nessa região pode aumentar a quantidade total de ionização para um valor mensurável. O processo de amplificação de carga melhora muito a relação sinal-ruído do detector e reduz a amplificação eletrônica subsequente necessária. Quando os instrumentos são operados na região proporcional, a tensão deve ser mantida constante.Se uma tensão permanecer constante, o fator de amplificação do gás também não muda. Os instrumentos proporcionais de detecção de contadores são muito sensíveis a baixos níveis de radiação. Além disso, os contadores proporcionais são capazes de identificar partículas e medir energia (espectroscopia). Diferentes energias de radiação e diferentes tipos de radiação podem ser distinguidos através da análise da altura do pulso, uma vez que diferem significativamente na ionização primária.
- Região Geiger-Mueller . Na região de Geiger-Mueller, a tensão e, portanto, o campo elétrico são tão fortes que podem ocorrer avalanches secundárias. Essas avalanches podem ser desencadeadas e propagadas por fótons emitidos por átomos excitados na avalanche original. Como esses fótons não são afetados pelo campo elétrico, eles podem interagir longe (por exemplo, lateralmente ao eixo) da avalanche primária, todo o tubo Geiger está participando do processo. Um sinal forte (o fator de amplificação pode atingir cerca de 10 10) é produzido por essas avalanches com forma e altura, independentemente da ionização primária e da energia do fóton detectado. Os detectores, que são operados na região de Geiger-Mueller, são capazes de detectar raios gama e também de todos os tipos de partículas carregadas que podem entrar no detector. Esses detectores são conhecidos como contadores Geiger . A principal vantagem desses instrumentos é que eles geralmente não requerem nenhum amplificador de sinal. Como os íons positivos não se afastam da região da avalanche, uma nuvem de íons carregada positivamente perturba o campo elétrico e encerra o processo da avalanche. Na prática, o término da avalanche é melhorado pelo uso de “ extinção”Técnicas. Ao contrário dos contadores proporcionais, a energia ou mesmo as partículas de radiação incidente não podem ser distinguidas pelos contadores Geiger, pois o sinal de saída é independente da quantidade e do tipo de ionização original.
Detectores de semicondutores
Um detector de semicondutores é um detector de radiação que se baseia em um semicondutor , como silício ou germânio, para medir o efeito de partículas ou fótons carregados incidentes. Os detectores de semicondutores são amplamente utilizados em proteção contra radiação , ensaio de materiais radioativos e pesquisa em física porque possuem algumas características únicas, podem ser fabricados de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente. Esses detectores são empregados para medir a energia da radiação e para identificação de partículas. Dos materiais semicondutores disponíveis, o silício é usado principalmente para detectores de partículas carregadas (especialmente para rastrear partículas carregadas) e detectores de raios-X moles, enquanto o germânio é amplamente usado para espectroscopia de raios gama . Um semicondutor grande, limpo e quase perfeito é ideal como um contador para a radioatividade . No entanto, é difícil produzir cristais grandes com pureza suficiente. Os detectores de semicondutores têm, portanto, baixa eficiência, mas fornecem uma medida muito precisa da energia. Detectores de semicondutores, especialmente detectores à base de germânio , são mais comumente usados onde é necessária uma resolução de energia muito boa. Para alcançar a máxima eficiência, os detectores devem operar a temperaturas muito baixas de nitrogênio líquido (-196 ° C). Portanto, a desvantagem é que os detectores de semicondutores são muito mais caros que outros detectores e requerem um resfriamento sofisticado para reduzir as correntes de fuga (ruído).
Vantagens dos detectores HPGe
- Maior número atômico. O germânio é preferido devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e aumentar a probabilidade de interação com raios gama.
- O germânio possui uma energia média mais baixa necessária para criar um par de elétrons-orifícios, que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio.
- Muito boa resolução de energia . O FWHM 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.
- Grandes cristais . Enquanto os detectores à base de silício não podem ser mais grossos que alguns milímetros, o germânio pode ter uma espessura sensível e esgotada de centímetros e, portanto, pode ser usado como um detector de absorção total para raios gama de até poucos MeV.
Desvantagens dos detectores HPGe
- Arrefecimento . A principal desvantagem dos detectores HPGe é que eles devem ser resfriados a temperaturas de nitrogênio líquido. Como o germânio possui um intervalo de banda relativamente baixo , esses detectores devem ser resfriados para reduzir a geração térmica de portadores de carga para um nível aceitável. Caso contrário, o ruído induzido pela corrente de fuga destrói a resolução de energia do detector. Lembre-se, a diferença de banda (uma distância entre a valência e a banda de condução ) é muito baixa para o germânio (Egap = 0,67 eV). O resfriamento até a temperatura do nitrogênio líquido (-195,8 ° C; -320 ° F) reduz as excitações térmicas dos elétrons de valência, de modo que apenas uma interação de raios gama pode fornecer ao elétron a energia necessária para atravessar a folga da banda e alcançar a banda de condução.
- Preço . A desvantagem é que os detectores de germânio são muito mais caros que as câmaras de ionização ou contadores de cintilação .
Vantagens dos detectores de silício
- Comparado aos detectores de ionização gasosa, a densidade de um detector de semicondutor é muito alta e partículas carregadas de alta energia podem liberar sua energia em um semicondutor de dimensões relativamente pequenas.
- O silício tem uma alta densidade de 2.329 g / cm 3 e, portanto, a perda média de energia por unidade de comprimento permite a construção de detectores finos (por exemplo, 300 µm) que ainda produzem sinais mensuráveis. Por exemplo, no caso de partículas ionizantes mínimas (MIP), a perda de energia é de 390 eV / µm. Os detectores de silício são mecanicamente rígidos e, portanto, nenhuma estrutura de suporte especial é necessária.
- Os detectores baseados em silício são muito bons para rastrear partículas carregadas, eles constituem uma parte substancial do sistema de detecção no LHC no CERN.
- Os detectores de silício podem ser usados em campos magnéticos fortes.
Desvantagens dos detectores de silício
- Preço . A desvantagem é que os detectores de silício são muito mais caros do que as câmaras de nuvem ou de arame.
- Degradação . Eles também sofrem degradação ao longo do tempo devido à radiação, no entanto, isso pode ser bastante reduzido graças ao efeito Lázaro.
- FWHM alto . 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.
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