Nick Connor

Os átomos  são os menores constituintes da matéria comum, que podem ser divididos sem a liberação de partículas eletricamente carregadas. Os átomos consistem em duas partes. Um núcleo atômico  e  uma  nuvem de elétrons . Átomos radioativos são átomos que contêm núcleo instável e que podem sofrer decaimento radioativo. O termo átomo radioativo é um termo enganador, já que geralmente apenas núcleos podem sofrer decaimento e alterações na configuração eletrônica são apenas o resultado de alterações na configuração do núcleo. Deve-se notar, isso não é uma regra. No caso de captura de elétrons, também a nuvem de elétrons desempenha um papel fundamental, uma vez que um núcleo pai deve capturar um de seus elétrons orbitais.

Radionuclídeos

Existem nuclídeos instáveis ​​e radioativos. Esses nuclídeos são conhecidos como radionuclídeos (nuclídeos radioativos) ou radioisótopos (isótopos radioativos). Esses  isótopos instáveis  decaem através de várias vias de decaimento radioativo, mais comumente decaimento alfa, decaimento beta, decaimento gama ou captura de elétrons. Muitos outros tipos raros de deterioração, como fissão espontânea ou emissão de nêutrons, são conhecidos.

Como foi escrito, o decaimento radioativo dos radionuclídeos é um processo aleatório no nível de átomos únicos, pois, segundo a teoria quântica, é impossível prever quando um átomo em particular decairá. Em outras palavras, um núcleo de um radionuclídeo não tem “memória”. Um núcleo não “envelhece” com o passar do tempo. Assim, a probabilidade de quebra não aumenta com o tempo, mas permanece constante, não importa quanto tempo o núcleo exista.

Portanto, a taxa de decaimento nuclear também pode ser medida em termos de meia-vida . Cada radionuclídeo tem sua meia-vida particular que nunca muda, independentemente da quantidade ou forma do material (isto é, sólido, líquido, gás, elemento ou composto) ou seu histórico passado. Se um radioisótopo tiver meia-vida de 14 dias, metade de seus átomos decairá dentro de 14 dias. Em mais 14 dias, metade dessa metade restante se deteriorará e assim por diante.

A radiação está à nossa volta . Dentro, ao redor e acima do mundo em que vivemos. É uma força de energia natural que nos rodeia. É uma parte do nosso mundo natural que está aqui desde o nascimento do nosso planeta. Todas as criaturas vivas, desde o início dos tempos, foram e ainda estão sendo expostas a radiação ionizante . A radiação ionizante é gerada por reações nucleares , decaimento nuclear , por temperaturas muito altas ou por aceleração de partículas carregadas em campos eletromagnéticos. Essa radiação é conhecida como radiação de fundo . A radiação de fundo é a radiação ionizante presente no ambiente, que se origina de uma variedade de fontes naturais e artificiais.

Existem duas grandes categorias de fontes de radiação :

• Radiação de fundo natural . A radiação natural de fundo inclui radiação produzida pelo Sol, raios, radioisótopos primordiais ou explosões de supernovas etc.
• Fontes artificiais de radiação . Fontes artificiais incluem usos médicos de radiação, resíduos de testes nucleares, usos industriais de radiação etc.

Referência especial: Fontes e efeitos da radiação ionizante, Anexo B. UNSCEAR. Nova York, 2010. ISBN: 978-92-1-142274-0.

Radiação de fundo natural

A radiação natural de fundo é a radiação ionizante, originária de uma variedade de fontes naturais. Todas as criaturas vivas, desde o início dos tempos, foram e ainda estão sendo expostas a radiação ionizante . Esta radiação não está associada a nenhuma atividade humana. Existem isótopos radioativos em nossos corpos, casas, ar, água e no solo. Todos nós também estamos expostos à radiação do espaço sideral.

Fontes de radiação natural de fundo

Dividimos todas essas fontes naturais de radiação em três grupos:

• Radiação Cósmica . A radiação cósmica refere-se a fontes de radiação na forma de raios cósmicos que vêm do sol ou do espaço sideral. No nível do solo, os  múons , com energias principalmente entre 1 e 20 GeV, contribuem com cerca de 75% da taxa de dose absorvida no ar livre. O restante vem de elétrons produzidos pelos múons ou presentes na cascata eletromagnética. A dose anual de raios cósmicos  ao nível do mar é de cerca de  0,27 mSv  (27 mrem). Se você mora em altitudes mais altas ou é passageiro frequente de uma companhia aérea, essa exposição pode ser significativamente maior, pois a atmosfera é mais fina aqui. Os efeitos do  campo magnético da Terra  também determinam a dose da  radiação cósmica .
• Radiação Terrestre . Radiação terrestre refere-se a fontes de radiação que estão no solo, na água e na vegetação. Os principais isótopos preocupantes da radiação terrestre são o urânio e os produtos de decomposição do urânio, como tório, rádio e rádon. A taxa de dose média que se origina dos nuclídeos terrestres (exceto a exposição ao radônio) é de cerca de  0,057 µGy / h.  Os valores máximos foram medidos na areia de monazita em Guarapari, Brasil (até 50 µGy / hora e em Kerala, Índia (cerca de 2 µGy / hora), e em rochas com alta concentração de rádio em Ramsar, Irã (de 1 a 10 µGy / h). A dose média anual de radiação para uma pessoa do  radônio  é de cerca de  2 mSv / ano e pode variar em várias ordens de magnitude de um lugar para outro. O rádon é tão importante que geralmente é tratado separadamente.
• Radiação interna . Além das fontes cósmicas e terrestres, todas as pessoas também têm potássio radioativo-40, carbono-14, chumbo-210 e outros isótopos dentro de seus corpos desde o nascimento. A concentração de potássio-40 é quase  estável  em todas as pessoas a um nível de cerca de  55 Bq / kg  (3850 Bq no total), o que corresponde à dose efetiva anual de  0,2 mSv . A dose anual de carbono-14 é estimada em cerca de  12 μSv / ano .

Fontes artificiais de radiação

Como a radiação ionizante tem muitos usos industriais e médicos, as pessoas também podem ser expostas a fontes de radiação produzidas pelo homem . Fontes artificiais incluem usos médicos de radiação, resíduos de testes nucleares, usos industriais de radiação, televisão e vários outros dispositivos produtores de radiação. Por exemplo, em alguns tipos de detectores de fumaça, você pode conhecer radionuclídeos artificiais, como o  americium-241. Este radionuclídeo sintético é usado para ionizar o ar e detectar fumaça.

Deve-se notar que a maioria dessas exposições é muito baixa em intensidade e na dose total e não apresenta maiores efeitos à saúde. Em cada caso, a utilidade da radiação ionizante deve ser equilibrada com seus riscos. Atualmente, foi encontrado um compromisso e a maioria dos usos de radiação é otimizada. Hoje, é quase inacreditável que os raios-x tenham sido usados ​​ao mesmo tempo para encontrar o par certo de sapatos (por exemplo, fluoroscopia para calçar sapatos). As medidas feitas nos últimos anos indicam que as doses para os pés estavam na faixa de 0,07 a 0,14 Gy para uma exposição de 20 segundos. Esta prática foi interrompida quando os riscos da radiação ionizante foram melhor compreendidos.

Em geral, as seguintes fontes artificiais expõem o público à radiação:

• Exposições médicas (de longe, a fonte artificial mais significativa)
  • Radiografias de diagnóstico
  • Procedimentos de medicina nuclear (iodo-131, césio-137, tecnécio-99m etc.)
• Produtos de consumo
  • Materiais de construção de estradas
  • Fumar cigarros (polônio-210)
  • Combustíveis combustíveis, incluindo gás e carvão
  • Sistemas de segurança radiológica
  • Televisões
  • Detectores de fumaça (amerício)
  • Mantos de lanterna (tório)

Em menor grau, o público também é exposto à radiação do ciclo do combustível nuclear , da mineração e moagem de urânio até o descarte do combustível usado (gasto). Digno de nota, o público também é exposto à radiação das chamadas ” fontes aprimoradas de material radioativo natural “. Isso significa também que indústrias como  mineração de metais ,  mineração de carvão  e produção de energia a partir de carvão criam exposições adicionais devido à densificação de radionuclídeos que ocorrem naturalmente. O público recebe alguma exposição mínima do transporte de materiais radioativos e de precipitação de testes de armas nucleares e acidentes com reatores (como Chernobyl).

Radiação de fundo e riscos à saúde

Você não pode passar a vida sem radiação. O perigo de radiação ionizante reside no fato de que a radiação é invisível e não diretamente detectável pelos sentidos humanos. As pessoas não podem ver nem sentir radiação, mas ela deposita energia nas moléculas do corpo.

Mas não se preocupe , as doses da radiação de fundo geralmente são  muito pequenas (exceto a exposição ao radônio). Dose baixa aqui significa doses pequenas adicionais comparáveis ​​à radiação normal de  fundo  ( 10 µSv  = dose diária média recebida de fundo natural). O problema é que, em doses muito baixas, é praticamente impossível correlacionar qualquer irradiação com certos efeitos biológicos. Isso ocorre porque a taxa de câncer de linha de base já é muito alta e o risco de desenvolver câncer flutua 40% devido ao estilo de vida individual e aos efeitos ambientais, obscurecendo os efeitos sutis da radiação de baixo nível.

Em segundo lugar, e isso é crucial, a verdade sobre os efeitos na saúde de baixa dose de radiação ainda precisa ser encontrada. Não se sabe exatamente se essas baixas doses de radiação são prejudiciais ou benéficas (e onde está o limiar). Os órgãos governamentais e reguladores assumem um modelo LNT em vez de um limiar ou hormesis, não porque é o mais convincente cientificamente, mas porque é a estimativa mais conservadora . O problema desse modelo é que ele negligencia uma série de processos biológicos de  defesa  que podem ser cruciais  em baixas doses . A pesquisa nas últimas duas décadas é muito interessante e mostra que pequenas doses de radiação administradas a uma taxa de dose baixa  estimulam os mecanismos de defesa. Portanto, o modelo LNT não é universalmente aceito, com alguns propondo uma relação dose-resposta adaptativa, em que baixas doses são protetoras e altas são prejudiciais. Muitos estudos contradizem o modelo LNT e muitos deles mostraram resposta adaptativa a baixas doses de radiação, resultando em mutações e cânceres reduzidos. Este fenômeno é conhecido como  hormesis de radiação .

De acordo com a hipótese da radiação hormonal , a exposição à radiação comparável e logo acima do nível natural de radiação de fundo não é prejudicial, mas benéfica, embora se aceite que níveis muito mais altos de radiação são perigosos. Os argumentos para a hormesis estão centrados em alguns estudos epidemiológicos em larga escala e nas evidências de experimentos de irradiação animal, mas principalmente nos recentes avanços no conhecimento da resposta adaptativa. Os proponentes da hormesis de radiação geralmente afirmam que as respostas de proteção radiofotográfica nas células e no sistema imunológico não apenas combatem os efeitos nocivos da radiação, mas também agem para inibir o câncer espontâneo não relacionado à exposição à radiação.

Veja também: Modelo LNT

A radiação está à nossa volta . Dentro, ao redor e acima do mundo em que vivemos. É uma força de energia natural que nos rodeia. É uma parte do nosso mundo natural que está aqui desde o nascimento do nosso planeta. Todas as criaturas vivas, desde o início dos tempos, foram e ainda estão sendo expostas a  radiação ionizante . A radiação ionizante é gerada por  reações nucleares ,  decaimento nuclear , por temperaturas muito altas ou por aceleração de partículas carregadas em campos eletromagnéticos.

Exposições de radiação do ciclo de combustível nuclear

O ciclo do combustível nuclear é uma cadeia de processo que consiste em uma série de estágios diferentes. Em geral, o ciclo do combustível nuclear consiste em etapas no front-end (a preparação do combustível), etapas no período de serviço (queima de combustível) e etapas no back-end (reprocessamento ou descarte do combustível nuclear usado). As exposições à radiação do ciclo do combustível nuclear são, de acordo com a UNSCEAR, avaliadas a partir de todo o ciclo de vida do combustível nuclear e isso inclui:

• mineração de urânio, moagem e rejeitos de moinhos,
• fabricação de conjuntos de combustível
• operação da usina (exceto acidentes),
• armazenamento ou reprocessamento de combustível usado,
• eliminação de resíduos radioativos,
• atividades de descomissionamento.

A dose coletiva resultante do ciclo do combustível nuclear é:

• 130 man Sv para o ciclo do combustível nuclear,

Quase metade da contribuição para as exposições públicas do ciclo do combustível nuclear vem de descargas de radionuclídeos naturais durante as atividades de mineração e moagem de urânio.

A dose coletiva normalizada (por gigawatt e ano) é:

• 0,43 homem Sv / GW.a (homem sievert por gigawatt ano) por ciclo de combustível nuclear

Referência especial: Fontes e efeitos da radiação ionizante, UNSCEAR 2016 – Anexo B. Nova York, 2017. ISBN: 978-92-1-142316-7.

Nos pontos a seguir, tentamos expressar faixas de exposição à radiação da geração de eletricidade, juntamente com doses de, que podem ser obtidas de várias fontes.

• 05 µSv – Dormindo ao lado de alguém
• 09 µSv – Morando a 30 milhas de uma usina nuclear por um ano
• 1 µSv – Comendo uma banana
• 3 µSv – Morando a 80 quilômetros de uma usina a carvão por um ano
• 10 µSv – Dose média diária recebida do fundo natural

As doses acima estão relacionadas à exposição pública. Se considerarmos a exposição ocupacional , em relação à mineração de urânio, trabalhadores de usinas, etc., a dose coletiva é mais alta, especialmente os mineradores de urânio. Os mineiros estão cercados por rochas e atravessam as águas subterrâneas que exalam radônio.

Observe que a dose efetiva coletiva é frequentemente usada para estimar os efeitos totais na saúde, mas, de acordo com o ICRP, isso deve ser evitado.

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 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.

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 (região de 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.

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 Recombinação

Em baixa tensão, o campo elétrico não é grande o suficiente para acelerar elétrons e íons. Os elétrons e íons podem se recombinar logo após serem produzidos, e apenas uma pequena fração dos elétrons e íons produzidos atinge seus respectivos eletrodos. À medida que a tensão do detector aumenta, uma fração cada vez maior dos íons produzidos atinge os eletrodos. Este aumento continua até que a tensão de “saturação” seja atingida. A faixa de tensão operacional em que isso ocorre é chamada de região de recombinação . Os detectores não são operados nesta região, porque nem o número de recombinações nem o número de pares de íons produzidos inicialmente podem ser determinados com precisão.

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

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. A avalanche de Townsend ou a descarga de Townsend aumentam significativamente o número de pares de íons coletados em detectores de ionização gasosa. A avalanche de Townsend é um processo de ionização de gás em que elétrons livres são acelerados por um campo elétrico, colidem com moléculas de gás e, consequentemente, liberam elétrons secundários. O resultado é uma multiplicação de avalanches que permite a condução elétrica através do gás.

Townsend Avalanche – 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.

Townsend Avalanche – Região de Geiger-Mueller

Nesta região, a voltagem é alta o suficiente para fornecer aos elétrons primários aceleração e energia suficientes para que eles possam ionizar átomos adicionais do meio. Esses íons secundários (amplificação de gás) formados também são acelerados, causando um efeito conhecido como avalanches de Townsend. 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. O pulso de tensão neste caso seria um grande e facilmente detectável ± 1,6 V.

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 Recombinação. Em baixa tensão, o campo elétrico não é grande o suficiente para acelerar elétrons e íons. Os elétrons e os íons podem se recombinar logo após serem produzidos, e apenas uma pequena fração dos elétrons e dos íons produzidos atinge seus respectivos eletrodos. À medida que a tensão do detector aumenta, no entanto, uma fração cada vez maior dos íons produzidos atinge os eletrodos. Este aumento continua até que a tensão de “saturação” seja atingida. A faixa de tensão operacional em que isso ocorre é chamada de região de recombinação . Os detectores não são operados nesta região, porque nem o número de recombinações nem o número de pares de íons produzidos inicialmente podem ser determinados com precisão.
• 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.

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  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 proporcional limitada . Na região proporcional limitada, o fator de amplificação do gás não continua aumentando proporcionalmente à tensão. Ionizações adicionais e efeitos não lineares causam que não haja proporcionalidade do sinal de saída para a energia depositada em uma dada tensão aplicada. O campo elétrico na câmara está distorcido devido à alta concentração de íons positivos. Os elétrons livres são muito mais leves que os íons positivos; portanto, eles são atraídos para o eletrodo central positivo muito mais rapidamente do que os íons positivos são atraídos para a parede da câmara. A nuvem resultante de íons positivos próximos ao eletrodo leva a distorções na multiplicação de gases. Esta região é geralmente evitada como uma região de detecção.

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  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.

• Região de descarga . Finalmente, em tensões ainda mais altas (acima da região de Geiger-Mueller), o campo elétrico gera uma descarga contínua do meio, com a câmara não sendo mais sensível a qualquer ionização incidente. Esta região não é usada para detecção ou medição de radiação ionizante. Se a tensão do tubo Geiger for aumentada acima do final do platô, a taxa de contagem começará a aumentar rapidamente novamente, até o início da descarga contínua, onde o tubo não pode detectar radiação e pode ser danificado.

Tipos de detectores de radiação ionizante

Como resultado, existem três tipos básicos de detectores de ionização gasosa , que são classificados de acordo com a voltagem aplicada ao detector:

• câmaras de ionização,
• contadores proporcionais,
• Tubos Geiger-Müller.

Como em outros detectores, as câmaras de ionização podem ser operadas no modo atual ou de pulso. Por outro lado, contadores proporcionais ou Geiger são quase sempre usados ​​no modo de pulso. Detectores de radiação ionizante podem ser usados ​​tanto para medições de atividade quanto para medições de dose. Com o conhecimento sobre a energia necessária para formar um par de íons – a dose pode ser obtida.

Princípios dos detectores

Em seus princípios básicos de operação, a maioria dos  detectores  de radiação ionizante segue características semelhantes. Os detectores de radiação ionizante consistem em  duas partes  que geralmente estão conectadas. A primeira parte consiste em um  material sensível , constituído por um composto que sofre alterações quando exposto à radiação. O outro componente é um dispositivo que converte essas alterações em sinais mensuráveis . Todos os detectores exigem que a radiação deposite parte de sua energia em materiais sensíveis que fazem parte do instrumento. A radiação entra no detector, interage com os átomos do material do detector e deposita alguma energia no material sensível. Cada evento pode gerar um sinal, que pode ser um pulso, furo, sinal de luz, pares de íons em um gás e muitos outros. A principal tarefa é gerar sinal suficiente, amplificá-lo e gravá-lo.

Descrição dos detectores de ionização gasosa

A câmarapossui um cátodo e um ânodo que são mantidos em alguma tensão relativa grande e o dispositivo é caracterizado por uma capacitância determinada pela geometria dos eletrodos. À medida que a radiação ionizante entra no gás entre os eletrodos, um número finito de pares de íons é formado. O comportamento dos pares de íons resultantes é afetado pelo gradiente de potencial do campo elétrico dentro do gás e pelo tipo e pressão do gás de enchimento. Sob a influência do campo elétrico, os íons positivos se moverão em direção ao eletrodo carregado negativamente (cilindro externo) e os íons negativos (elétrons) migrarão em direção ao eletrodo positivo (fio central). O campo elétrico nessa região impede que os íons se recombinem com os elétrons. A coleta desses íons produzirá uma carga nos eletrodos e um pulso elétrico no circuito de detecção. No ar, a energia média necessária para produzir um íon é de cerca de 34 eV; portanto, uma radiação de 1 MeV completamente absorvida no detector produz cerca de 3 x 10⁴ pares de íons. No entanto, é um sinal pequeno, este sinal pode ser consideravelmente amplificado usando a eletrônica padrão.

Tipos de detectores de radiação ionizante

Como resultado, existem três tipos básicos de detectores de ionização gasosa , que são classificados de acordo com a voltagem aplicada ao detector:

• câmaras de ionização,
• contadores proporcionais,
• Tubos Geiger-Müller.

Como em outros detectores, as câmaras de ionização podem ser operadas no modo atual ou de pulso. Por outro lado, contadores proporcionais ou contadores Geiger são quase sempre usados ​​no modo de pulso. Detectores de radiação ionizante podem ser usados ​​tanto para medições de atividade quanto para medições de dose. Com o conhecimento sobre a energia necessária para formar um par de íons – a dose pode ser obtida.

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Vamos assumir detectores de ionização gasosa . O detector básico de ionização gasosa consiste em uma câmaraque é preenchido com um meio adequado (ar ou gás de preenchimento especial) que pode ser facilmente ionizado. Como regra geral, o fio central é o eletrodo positivo (ânodo) e o cilindro externo é o eletrodo negativo (cátodo), de modo que os elétrons (negativos) são atraídos para o fio central e os íons positivos são atraídos para o cilindro externo. O ânodo está em uma tensão positiva em relação à parede do detector. À medida que a radiação ionizante entra no gás entre os eletrodos, um número finito de pares de íons é formado. Sob a influência do campo elétrico, os íons positivos se moverão em direção ao eletrodo carregado negativamente (cilindro externo) e os íons negativos (elétrons) migrarão em direção ao eletrodo positivo (fio central). A coleta desses íons produzirá uma carga nos eletrodos e um pulso elétrico no circuito de detecção.amplificado e depois gravado usando a eletrônica padrão.

A relação sinal-ruído

A relação sinal / ruído, SNR, é uma medida usada na ciência e na engenharia que compara o sinal de saída elétrico com o ruído elétrico gerado na passagem do cabo ou na instrumentação.

Relação sinal / ruído – Detectores de germânio

A absorção total de um fóton de 1 MeV produz cerca de 3 x 10 ⁵ pares de furos de elétrons. Este valor é menor em comparação com o número total de portadores livres em de 1 cm ³ semicondutor intrínseco.

As partículas que passam pelo detector ionizam os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco. Mas em detectores à base de germânio à temperatura ambiente, a excitação térmica é dominante. É causada por impurezas, irregularidades na estrutura ou dopante. Depende fortemente do _intervalo E (uma distância entre a valência e a banda de condução), que é muito baixa para o germânio (Egap = 0,67 eV). Como a excitação térmica resulta no ruído do detector, é necessário um resfriamento ativo para alguns tipos de semicondutores (por exemplo, germânio).

Observe que uma amostra de 1 cm ³ de germânio puro a 20 ° C contém cerca de 4,2 × 10 ²² átomos, mas também contém cerca de 2,5 x 10 ¹³ elétrons livres e 2,5 x 10 ¹³ orifícios. . Como pode ser visto, a relação sinal / ruído (S / N) seria mínima. A adição de 0,001% de arsênico (uma impureza) doa um extra de 10 ¹⁷elétrons livres no mesmo volume e a condutividade elétrica é aumentada em um fator de 10.000. No material dopado, a relação sinal / ruído (S / N) seria ainda menor. Como o germânio possui um intervalo de banda relativamente baixo, esses detectores devem ser resfriados para reduzir a geração térmica de portadores de carga (portanto, reverter a corrente de fuga) para um nível aceitável. Caso contrário, o ruído induzido pela corrente de fuga destrói a resolução de energia do detector.