Nick Connor

A discriminação nos circuitos de detecção de radiação refere-se ao processo de distinguir entre diferentes tipos de radiação com base na altura do pulso. Um circuito discriminador seleciona a altura mínima ou máxima do pulso que deve ser contada. Por exemplo, um circuito discriminador é usado no detector de nêutrons para distinguir os pulsos grandes da ionização alfa (a absorção de nêutrons no detector produz partículas alfa) dos muito menores que seriam causados ​​pelos raios gama.

Referência especial: Departamento de Energia, Instrumantação e Controle dos EUA. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2, de 2 de junho de 1992.

Objetivo dos detectores de radiação

Existem três tipos principais de detectores, que registram diferentes tipos de sinais.

• Contador . A atividade ou intensidade da radiação é medida em contagens por segundo (cps). O contador mais conhecido é o contador Geiger-Müller. Nos contadores de radiação, o sinal gerado a partir da radiação incidente é criado pela contagem do número de interações que ocorrem no volume sensível do detector.
• Espectrômetro de radiação . Espectrômetros são dispositivos projetados para medir a distribuição espectral de energia de uma fonte. A radiação incidente gera um sinal que permite determinar a energia da partícula incidente.
• Dosímetro . Um dosímetro de radiação é um dispositivo que mede a exposição à radiação ionizante. Os dosímetros geralmente registram uma dose, que é a energia de radiação absorvida medida em cinza (Gy) da dose equivalente medida em sieverts (Sv). Um dosímetro pessoal é um dosímetro, usado na superfície do corpo pela pessoa que está sendo monitorada e registra a dose de radiação recebida.

Todos esses tipos de equipamento exigem que as radiações resultem em alterações observáveis ​​em um composto (seja gás, líquido ou sólido). 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, consistindo de 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.

Classificação por material sensível

Nós nos concentramos na primeira parte, que consiste em um material sensível. Os detectores 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
• Emblemas de filme
• TLD

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.

Classificação dos detectores de radiação – Tipo de radiação

Princípios e métodos para detecção de radiação ionizante dependem de muitos fatores. O tipo de radiação medido e detectado é um fator-chave, e diferentes tipos de detectores em diferentes estados físicos (sólido, líquido ou gás) são usados ​​para medir tipos seletivos de radiação ionizante. É importante distinguir entre partículas alfa ou beta , raios X ou raios y e nêutrons. Como cada radiação interage de maneira diferente com a matéria, não podemos usar, por exemplo, detector de nêutrons para detectar radiação beta. Às vezes, os detectores podem detectar vários tipos de radiação, por exemplo, os detectores de nêutrons também são capazes de detectar radiação gama. Geralmente, esse recurso não é desejável e os detectores devem compensar o componente indesejável da radiação.

Para descrever a classificação dos detectores de radiação pelo tipo de radiação, precisamos entender as interações da radiação com a matéria . Cada partícula de tipo interage de uma maneira diferente ; portanto, devemos descrever a interação de partículas (radiação como um fluxo dessas partículas) separadamente. Por exemplo, partículas carregadas com altas energias podem ionizar diretamente átomos. Por outro lado, partículas eletricamente neutras interagem apenas indiretamente, mas também podem transferir parte ou todas as suas energias para o assunto. Essa é a principal característica da categorização de detectores de radiação. Simplesmente, não podemos usar um detector de raios gama para detectar radiação alfa. Os detectores podem ser classificados em dois tipos gerais, como a seguir:

• Detecção de radiação diretamente ionizante
  • Radiação alfa
  • Radiação beta
• Detecção de radiação ionizante indireta
  • Radiação gama
  • Radiação de nêutrons
  • Neutrinos

Princípios básicos de detectores

Existem três tipos principais de detectores, que registram diferentes tipos de sinais.

• Contador . A atividade ou intensidade da radiação é medida em contagens por segundo (cps). O contador mais conhecido é o contador Geiger-Müller. Nos contadores de radiação, o sinal gerado a partir da radiação incidente é criado pela contagem do número de interações que ocorrem no volume sensível do detector.
• Espectrômetro de radiação . Espectrômetros são dispositivos projetados para medir a distribuição espectral de energia de uma fonte. A radiação incidente gera um sinal que permite determinar a energia da partícula incidente.
• Dosímetro . Um dosímetro de radiação é um dispositivo que mede a exposição à radiação ionizante. Os dosímetros geralmente registram uma dose, que é a energia de radiação absorvida medida em cinza (Gy) da dose equivalente medida em sieverts (Sv). Um dosímetro pessoal é um dosímetro, usado na superfície do corpo pela pessoa que está sendo monitorada e registra a dose de radiação recebida.

Todos esses tipos de equipamento exigem que as radiações resultem em alterações observáveis ​​em um composto (seja gás, líquido ou sólido). 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, consistindo de 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.

Nesta seção, descrevemos vários tipos diferentes de instrumentos de medição de radiação. Nós nos concentramos na primeira parte, que consiste em um material sensível. Os detectores 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
• Emblemas de filme
• TLD

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.

O que é ionização

A ionização é o processo no qual um átomo ou molécula ganha ou perde elétrons para formar íons carregados. A ionização pode resultar da perda de um elétron após colisões com partículas subatômicas energéticas, colisões com outros átomos, moléculas e íons ou através da interação com radiação eletromagnética. Em geral, radiação ionizante é qualquer radiação (partículas ou ondas eletromagnéticas) que transporta energia suficiente para derrubar elétrons de átomos ou moléculas, ionizando-os. Para radiação ionizante, a energia cinética das partículas ( fótons, elétrons, etc. ) é suficiente e a partícula pode ionizar (formar íons pela perda de elétrons) atingir átomos para formar íons.

O limite entre a radiação ionizante e a não ionizante não é claramente definido, uma vez que diferentes moléculas e átomos ionizam em energias diferentes. Raios gama , raios X e a parte ultravioleta mais alta do espectro são ionizantes, enquanto os raios ultravioleta mais baixos, luz visível (incluindo luz laser), infravermelho, microondas e ondas de rádio são considerados radiação não ionizante.

Energia de ionização

Energia de ionização , também chamada  potencial de ionização , é a energia necessária para  remover um elétron  do átomo neutro.

X + energia → X ⁺  + e ^–

onde X é qualquer átomo ou molécula capaz de ser ionizada, X ⁺  é aquele átomo ou molécula com um elétron removido (íon positivo) e e ^–  é o elétron removido.

Um átomo de nitrogênio, por exemplo, requer a seguinte energia de ionização para remover o elétron mais externo.

N + IE → N ⁺  + e ^–         IE = 14,5 eV

A energia de ionização associada à remoção do primeiro elétron é mais comumente usada. O  n de energia de ionização th refere-se à quantidade de energia necessária para remover um electrão a partir das espécies com uma taxa de ( n -1).

1a energia de ionização

X → X ⁺  + e ^–

2a energia de ionização

X ⁺  → X ²⁺  + e ^–

3a energia de ionização

X ²⁺  → X ³⁺  + e ^–

Energia de ionização para diferentes elementos

Existe uma energia de ionização para cada elétron sucessivo removido. Os elétrons que circundam o núcleo se movem em órbitas bastante bem definidas. Alguns desses elétrons estão mais fortemente ligados ao átomo do que outros. Por exemplo, apenas 7,38 eV são necessários para remover o elétron mais externo de um átomo de chumbo, enquanto 88.000 eV são necessários para remover o elétron mais interno. Ajuda a entender a reatividade de elementos (especialmente metais, que perdem elétrons).

Em geral, a energia de ionização aumenta subindo um grupo e movendo da esquerda para a direita ao longo de um período. Além disso:

• A energia de ionização  é mais baixa para os metais alcalinos que possuem um único elétron fora de uma concha fechada.
• A energia de ionização  aumenta em uma linha no máximo periódico para os gases nobres que fecharam as conchas

Por exemplo, o sódio requer apenas 496 kJ / mol ou 5,14 eV / átomo para ionizá-lo. Por outro lado, o neon, o gás nobre, imediatamente anterior à tabela periódica, requer 2081 kJ / mol ou 21,56 eV / átomo.

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 a radiação, mas ela deposita energia nas moléculas do material. A energia é transferida em pequenas quantidades para cada interação entre a radiação e uma molécula e geralmente existem muitos tipos de interações . Portanto, a única maneira de detectar e medir a radiação é usar instrumentos ( detectores de radiação ionizante ).

O conhecimento detalhado sobre a detecção de radiação é muito importante em muitos ramos da engenharia, incluindo a proteção contra radiação. A maioria dos experimentos nucleares ou de partículas modernos usa uma variedade de detectores sofisticados para medir e detectar partículas subatômicas . Para ser detectada, uma partícula deve deixar algum vestígio de sua presença em um detector. As partículas depositam principalmente energia ao longo de seu caminho. O conhecimento dessa interação, como diferentes partículas depositam energia na matéria e quanta energia deposita, é fundamental para a compreensão de muitos problemas. Este capítulo fornecerá um entendimento básico de como esses detectores funcionam e algumas de suas limitações.

O que é ionização

A ionização é o processo no qual um átomo ou molécula ganha ou perde elétrons para formar íons carregados. A ionização pode resultar da perda de um elétron após colisões com partículas subatômicas energéticas, colisões com outros átomos, moléculas e íons ou através da interação com radiação eletromagnética. Em geral, radiação ionizante é qualquer radiação (partículas ou ondas eletromagnéticas) que transporta energia suficiente para derrubar elétrons de átomos ou moléculas, ionizando-os. Para radiação ionizante, a energia cinética das partículas ( fótons, elétrons, etc. ) é suficiente e a partícula pode ionizar (formar íons pela perda de elétrons) atingir átomos para formar íons.

O limite entre a radiação ionizante e a não ionizante não é claramente definido, uma vez que diferentes moléculas e átomos ionizam em energias diferentes. Raios gama , raios X e a parte ultravioleta mais alta do espectro são ionizantes, enquanto os raios ultravioleta mais baixos, luz visível (incluindo luz laser), infravermelho, microondas e ondas de rádio são considerados radiação não ionizante.

Princípios básicos de detectores

Existem três tipos principais de detectores, que registram diferentes tipos de sinais.

• Contador . A atividade ou intensidade da radiação é medida em contagens por segundo (cps). O contador mais conhecido é o contador Geiger-Müller. Nos contadores de radiação, o sinal gerado a partir da radiação incidente é criado pela contagem do número de interações que ocorrem no volume sensível do detector.
• Espectrômetro de radiação . Espectrômetros são dispositivos projetados para medir a distribuição espectral de energia de uma fonte. A radiação incidente gera um sinal que permite determinar a energia da partícula incidente.
• Dosímetro . Um dosímetro de radiação é um dispositivo que mede a exposição à radiação ionizante. Os dosímetros geralmente registram uma dose, que é a energia de radiação absorvida medida em cinza (Gy) da dose equivalente medida em sieverts (Sv). Um dosímetro pessoal é um dosímetro, usado na superfície do corpo pela pessoa que está sendo monitorada e registra a dose de radiação recebida.

Todos esses tipos de equipamento exigem que as radiações resultem em alterações observáveis ​​em um composto (seja gás, líquido ou sólido). 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, consistindo de 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.

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 câmara de ionização , também conhecida como câmara de íons , é um dispositivo elétrico que detecta vários tipos de radiação ionizante . A tensão do detector é ajustada para que as condições correspondam à região de ionização . 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. A carga coletada (sinal de saída) é independente da tensão aplicada e as partículas ionizantes mínimas tendem a ser muito pequenas e geralmente requerem amplificadores especiais de baixo ruído para obter desempenho operacional eficiente. Câmaras de ionização são preferidaspara altas taxas de dose de radiação porque elas não têm “tempo morto”, um fenômeno que afeta a precisão do tubo Geiger-Mueller em altas taxas de dose. Isso se deve ao fato de não haver amplificação de sinal inerente no meio operacional e, portanto, esses tipos de contadores não requerem muito tempo para se recuperar de grandes correntes. Além disso, como não há amplificação, eles oferecem excelente resolução de energia, limitada principalmente pelo ruído eletrônico.

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.

Princípio básico das câmaras de ionização

A câmara possui um cátodo e um ânodo que são mantidos em alguma tensão (talvez 100 – 200 V), e o dispositivo é caracterizado por uma capacitância determinada pela geometria dos eletrodos. Placas planas ou cilindros concêntricos podem ser utilizados na construção de uma câmara de ionização. O design da placa plana é preferido porque possui um volume ativo bem definido e garante que os íons não se acumulem nos isoladores e causem uma distorção do campo elétrico. À medida que a radiação ionizante entra no gás entre os eletrodos, um número finito de pares de íonssão formados. 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 ou placa externa) e os íons negativos (elétrons) migrarão em direção ao eletrodo positivo (fio ou placa 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 10 ⁴ pares de íons.. No entanto, é um sinal pequeno, este sinal pode ser consideravelmente amplificado usando a eletrônica padrão. Uma corrente de 1 micro-ampère consiste em cerca de 10 ¹² elétrons por segundo.

A construção da câmara de ionização difere do contador proporcional. O design da placa plana é preferido para as câmaras de ionização, ou cilindros concêntricos podem ser utilizados na construção para permitir a integração dos pulsos produzidos pela radiação incidente. Contadores proporcionais e contadores Geiger geralmente utilizam cilindro e eletrodo central. O contador proporcional exigiria um controle exato do campo elétrico entre os eletrodos, o que não seria prático.

Detecção de radiação alfa usando câmara de ionização

Para que as partículas alfa e beta sejam detectadas pelas câmaras de ionização, elas devem ter uma janela fina . Essa “janela final” deve ser fina o suficiente para que as partículas alfa e beta penetrem. No entanto, uma janela de quase qualquer espessura impedirá que uma partícula alfa entre na câmara. A janela é geralmente feita de mica com uma densidade de cerca de 1,5 – 2,0 mg / cm ² . Mas isso não significa que a radiação alfa não possa ser detectada por uma câmara de ionização.

Por exemplo, em alguns tipos de detectores de fumaça, você pode encontrar radionuclídeos artificiais, como o americium-241, que é uma fonte de partículas alfa. O detector de fumaça possui duas câmaras de ionização, uma aberta ao ar e uma câmara de referência que não permite a entrada de partículas. A fonte radioativa emite partículas alfa em ambas as câmaras, que ionizam algumas moléculas de ar. A câmara de ar livre permite a entrada de partículas de fumaça no volume sensível e altera a atenuação das partículas alfa. Se alguma partícula de fumaça entrar na câmara de ar livre, alguns dos íons se fixarão nas partículas e não estarão disponíveis para transportar a corrente nessa câmara. Um circuito eletrônico detecta que uma diferença de corrente se desenvolveu entre as câmaras abertas e seladas e soa o alarme.

Detecção de radiação beta usando câmara de ionização

Para que as partículas alfa e beta sejam detectadas pelas câmaras de ionização, elas devem ter uma janela fina. Essa “janela final” deve ser fina o suficiente para que as partículas alfa e beta penetrem. No entanto, uma janela de quase qualquer espessura impedirá que uma partícula alfa entre na câmara. A janela é geralmente feita de mica com uma densidade de cerca de 1,5 – 2,0 mg / cm ² .

A câmara de ionização pode ser, por exemplo, usada para a medição de trítio no ar. Esses dispositivos são conhecidos como monitores de trítio no ar. O trítio é um isótopo radioativo, mas emite uma forma muito fraca de radiação, uma partícula beta de baixa energia que é semelhante a um elétron. É um emissor beta puro (ou seja, emissor beta sem uma radiação gama que o acompanha ). A energia cinética do elétron varia, com uma média de 5,7 keV, enquanto a energia restante é transportada pelo antineutrino quase indetectável do elétron. Uma energia tão baixa de elétrons causa que o elétron não pode penetrar na pele ou nem mesmo viaja muito longe no ar. As partículas beta do trítio podem penetrar apenas cerca de 6,0 mm de ar. É praticamente impossível projetar um detector cujas paredes essas partículas beta possam penetrar. Em vez disso, o monitor de trítio no ar bombeia o ar contaminado com trítio diretamente através de uma câmara de ionização, de modo que toda a energia das partículas beta possa ser utilmente convertida na produção de pares de íons no interior da câmara.

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 nêutrons usando câmara de ionização

Como os nêutrons são partículas eletricamente neutras, elas estão sujeitas principalmente a fortes forças nucleares, mas não a forças elétricas. Portanto, os nêutrons não são diretamente ionizantes e geralmente precisam ser convertidos em partículas carregadas antes que possam ser detectados. Geralmente, todo tipo de detector de nêutrons deve estar equipado com conversor (para converter a radiação de nêutrons em radiação detectável comum) e um dos detectores de radiação convencionais (detector de cintilação, detector de gases, detector de semicondutores, etc.).

Câmaras de ionização são frequentemente usadas como dispositivo de detecção de partículas carregadas. Por exemplo, se a superfície interna da câmara de ionização for revestida com uma fina camada de boro, a reação (n, alfa) poderá ocorrer. A maioria das reações (n, alfa) dos nêutrons térmicos são reações 10B (n, alfa) 7Li acompanhadas por emissão gama de 0,48 MeV .

Além disso, o isótopo boro-10 possui uma alta seção transversal da reação (n, alfa) ao longo de todo o espectro de energia de nêutrons . A partícula alfa causa ionização dentro da câmara e elétrons ejetados causam ionizações secundárias adicionais.

Outro método para detectar nêutrons usando uma câmara de ionização é usar o trifluoreto de boro gasoso (BF ₃ ) em vez do ar na câmara. Os nêutrons recebidos produzem partículas alfa quando reagem com os átomos de boro no gás detector. Qualquer um dos métodos pode ser usado para detectar nêutrons no reator nuclear. Deve-se notar que os contadores BF ₃ geralmente são operados na região proporcional.

Os detectores de ionização gasosa são instrumentos de detecção de radiação usados ​​em aplicações de proteção contra radiação para medir radiação ionizante e também na física de partículas para detectar a presença de partículas ionizantes. Esses detectores são projetados para medir a ionização produzida quando uma partícula incidente atravessa algum meio, eles são baseados no efeito ionizante da radiação. Para que ocorra radiação ionizante, a energia cinética das partículas ( fótons, elétrons, etc. ) da radiação ionizante é suficiente e a partícula pode ionizar (formar íons pela perda de elétrons) atingir átomos para formar íons. A radiação simplesmente ionizante pode derrubar elétrons de um átomo.

O detector básico de ionização gasosa consiste em uma câmara que é preenchida com um meio adequado (ar ou gás de preenchimento especial) que pode ser facilmente ionizado. Os tipos mais usados ​​desses detectores são baseados nos efeitos produzidos quando uma partícula carregada passa através de um gás. O meio operacional:

• deve ser quimicamente estável (ou inerte) para que os elétrons de ionização em movimento não sejam facilmente capturados pelas moléculas desse meio
• deve ter um baixo valor de potencial de ionização (I) para maximizar a quantidade de ionização produzida por energia depositada por qualquer partícula incidente.
• não deve ser muito sensível aos danos causados ​​pela radiação, para que sua resposta a partículas incidentes não mude acentuadamente com o uso.

Os gases típicos usados ​​nos detectores são argônio e hélio , embora o trifluoreto de boro  (BF ₃ ) seja utilizado quando o detector for usado para medir nêutrons. 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, BF ₃ contadores, contadores de fissão e contadores de recuo de prótons são exemplos de detectores de nêutrons.

Princípio básico 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.

Regiões de operação dos detectores ionizadores – Voltagem 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 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.
• 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.
• 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.

Vários instrumentos e dispositivos são usados ​​para a detecção de radiação. Geralmente, os detectores de radiação ionizante podem ser classificados de acordo com sua finalidade. Seu objetivo está intimamente relacionado ao sinal gerado no detector. Existem três tipos principais de detectores, que registram diferentes tipos de sinais.

• Contador . A atividade ou intensidade da radiação é medida em contagens por segundo (cps). O contador mais conhecido é o contador Geiger-Müller. Nos contadores de radiação, o sinal gerado a partir da radiação incidente é criado pela contagem do número de interações que ocorrem no volume sensível do detector.
• Espectrômetro de radiação . Espectrômetros são dispositivos projetados para medir a distribuição espectral de energia de uma fonte. A radiação incidente gera um sinal que permite determinar a energia da partícula incidente.
• Dosímetro . Um dosímetro de radiação é um dispositivo que mede a exposição à radiação ionizante. Os dosímetros geralmente registram uma dose, que é a energia de radiação absorvida medida em cinza (Gy) da dose equivalente medida em sieverts (Sv). Um dosímetro pessoal é um dosímetro, usado na superfície do corpo pela pessoa que está sendo monitorada e registra a dose de radiação recebida.

Todos esses tipos de equipamento exigem que as radiações resultem em alterações observáveis ​​em um composto (seja gás, líquido ou sólido). 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, consistindo de 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.

Nesta seção, descrevemos vários tipos diferentes de instrumentos de medição de radiação. Nós nos concentramos na primeira parte, que consiste em um material sensível. Os detectores 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
• Emblemas de filme
• TLD

Princípios básicos de 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.

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.

Discriminador

A discriminação nos circuitos de detecção de radiação refere-se ao processo de distinguir entre diferentes tipos de radiação com base na altura do pulso. Um circuito discriminador seleciona a altura mínima ou máxima do pulso que deve ser contada. Por exemplo, um circuito discriminador é usado no detector de nêutrons para distinguir os pulsos grandes da ionização alfa (a absorção de nêutrons no detector produz partículas alfa) dos muito menores que seriam causados ​​pelos raios gama.

Referência Especial: Departamento de Energia, Instrumantação e Controle dos EUA. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2, de 2 de junho de 1992.

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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.

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 a radiação, mas ela deposita energia nas moléculas do material. A energia é transferida em pequenas quantidades para cada interação entre a radiação e uma molécula e geralmente existem muitos tipos de interações . Portanto, a única maneira de detectar e medir a radiação é usar instrumentos ( detectores de radiação ionizante ).

O conhecimento detalhado sobre a detecção de radiação é muito importante em muitos ramos da engenharia, incluindo a proteção contra radiação. A maioria dos experimentos nucleares ou de partículas modernos usa uma variedade de detectores sofisticados para medir e detectar partículas subatômicas . Para ser detectada, uma partícula deve deixar algum vestígio de sua presença em um detector. As partículas depositam principalmente energia ao longo de seu caminho. O conhecimento dessa interação, como diferentes partículas depositam energia na matéria e quanta energia deposita, é fundamental para a compreensão de muitos problemas. Este capítulo fornecerá um entendimento básico de como esses detectores funcionam e algumas de suas limitações.

Princípios básicos de 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.

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.

Classificação dos detectores de radiação – Finalidade

Geralmente, os detectores de radiação ionizante podem ser classificados de acordo com sua finalidade. Sua finalidade está intimamente relacionada com o sinal gerado no detector. Existem três tipos principais de detectores, que registram diferentes tipos de sinais.

• Contador . A atividade ou intensidade da radiação é medida em contagens por segundo (cps). O contador mais conhecido é o contador Geiger-Müller. Nos contadores de radiação, o sinal gerado a partir da radiação incidente é criado pela contagem do número de interações que ocorrem no volume sensível do detector.
• Espectrômetro de radiação . Espectrômetros são dispositivos projetados para medir a distribuição espectral de energia de uma fonte. A radiação incidente gera um sinal que permite determinar a energia da partícula incidente.
• Dosímetro . Um dosímetro de radiação é um dispositivo que mede a exposição à radiação ionizante. Os dosímetros geralmente registram uma dose, que é a energia de radiação absorvida medida em cinza (Gy) da dose equivalente medida em sieverts (Sv). Um dosímetro pessoal é um dosímetro, usado na superfície do corpo pela pessoa que está sendo monitorada e registra a dose de radiação recebida.

Classificação dos detectores de radiação – Tipo de radiação

Princípios e métodos para detecção de radiação ionizante dependem de muitos fatores. O tipo de radiação medida e detectada é um fator-chave, e diferentes tipos de detectores em diferentes estados físicos (sólido, líquido ou gás) são usados ​​para medir tipos seletivos de radiação ionizante. É importante distinguir entre partículas alfa ou beta , raios X ou raios y e nêutrons. Como cada radiação interage de maneira diferente com a matéria, não podemos usar, por exemplo, detector de nêutrons para detectar radiação beta. Às vezes, os detectores podem detectar vários tipos de radiação, por exemplo, os detectores de nêutrons também são capazes de detectar radiação gama. Geralmente, esse recurso não é desejável e os detectores devem compensar o componente indesejável da radiação.

Para descrever a classificação dos detectores de radiação pelo tipo de radiação, precisamos entender as interações da radiação com a matéria . Cada partícula de tipo interage de uma maneira diferente ; portanto, devemos descrever a interação de partículas (radiação como um fluxo dessas partículas) separadamente. Por exemplo, partículas carregadas com altas energias podem ionizar diretamente átomos. Por outro lado, partículas eletricamente neutras interagem apenas indiretamente, mas também podem transferir parte ou todas as suas energias para o assunto. Essa é a principal característica da categorização de detectores de radiação. Simplesmente, não podemos usar um detector de raios gama para detectar radiação alfa. Os detectores podem ser classificados em dois tipos gerais, como a seguir:

• Detecção de radiação diretamente ionizante
  • Radiação alfa
  • Radiação beta
• Detecção de radiação ionizante indireta
  • Radiação gama
  • Radiação de nêutrons
  • Neutrinos