Nick Connor

Para sistemas de detecção de radiação que registram pulsos (eventos discretos) , o tempo morto é o tempo após cada evento durante o qual o sistema não é capaz de registrar outro evento. Esse fenômeno é muito importante, por exemplo, para os contadores Geiger . Devido à grande avalanche induzida por qualquer ionização, um contador Geiger leva muito tempo (cerca de 1 ms) para se recuperar entre pulsos sucessivos. Portanto, os contadores Geiger não são capazes de medir altas taxas de radiação devido ao “tempo morto” do tubo.

Em outras palavras, tempo morto é o período durante o qual o detector está ocupado e não pode aceitar e processar pulsos. No caso de detectores de radiação ionizante, esse fenômeno pode ter sérias conseqüências, uma vez que o tempo morto distorce as saídas com atividades altas ou altas taxas de dose. O tempo total morto de um sistema de detecção geralmente é devido às contribuições do tempo intrínseco do detector, do front end analógico e da aquisição de dados.

Detector Paralizável e Não Paralisável

Devido à natureza aleatória do decaimento radioativo , sempre há alguma probabilidade de que um evento verdadeiro seja perdido, porque outro evento é apenas gravado e o detector não pode aceitar e processar mais de um pulso.

Existem duas características principais de tempo morto de cada sistema de detecção:

• Paralisável . Em um detector paralisável, um evento ocorrendo durante o tempo morto não será apenas perdido, mas reiniciará o tempo morto, de modo que, com o aumento da taxa, o detector alcançará um ponto de saturação onde será incapaz de registrar qualquer evento.
• Não paralisável . Em um detector não paralisável, um evento que ocorre durante o tempo morto é simplesmente perdido, de modo que, com uma taxa de evento crescente, o detector atinge uma taxa de saturação igual à inversa do tempo morto.

Extinguir – Tempo morto – Contadores Geiger

O fenômeno do tempo morto é muito importante também para os contadores Geiger. Normalmente, ele tem um valor de cerca de 100 μs (para contadores proporcionais é muito menor) e, portanto, após cada evento ionizante, um tubo Geiger é basicamente desligado por 100 μs.

Em um contador Geiger, o gás de preenchimento da câmara é um gás inerte que é ionizado pela radiação incidente e um gás de resfriamento de 5 a 10% de um vapor orgânico ou de um gás halogênio para evitar pulsações espúrias, extinguindo as avalanches de elétrons. O contador Geiger não deve fornecer pulsos espúrios e deve se recuperar rapidamente para o estado passivo, pronto para o próximo evento de radiação. Argônio e hélio são os gases de enchimento mais usados ​​e permitem a detecção de radiação alfa, beta e gama. Para a detecção de nêutrons, He-3 e BF ₃ (trifluoreto de boro) são os gases mais empregados.

No entanto, para cada elétron coletado na câmara, resta um íon de gás com carga positiva. Esses íons gasosos são pesados ​​em comparação com um elétron e se movem muito mais lentamente. 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. Eventualmente, os íons positivos se afastam do fio central com carga positiva para a parede com carga negativa e são neutralizados através da obtenção de um elétron. Esses átomos retornam ao seu estado fundamental emitindo fótons que, por sua vez, produzem mais ionização e, portanto, descargas secundárias espúrias. Os elétrons produzidos por essa ionização se movem em direção ao fio central e são multiplicados no caminho. Esse pulso de carga não está relacionado à radiação a ser detectada e pode acionar uma série de pulsos. Na prática, o término da avalanche é melhorado pelo uso deTécnicas de “extinção” .

As moléculas de gás de têmpera têm uma afinidade mais fraca pelos elétrons do que o gás da câmara; portanto, os átomos ionizados do gás da câmara retiram prontamente elétrons das moléculas de gás de extinção. Assim, as moléculas ionizadas do gás de têmpera atingem a parede da câmara em vez do gás da câmara. As moléculas ionizadas do gás de têmpera são neutralizadas pelo ganho de um elétron, e a energia liberada não causa mais ionização, mas causa a dissociação da molécula. Esse tipo de resfriamento é conhecido como resfriamento automático ou interno , pois os tubos interrompem a descarga sem assistência externa.

Para os contadores Geiger, a têmpera externa, às vezes chamada de “ têmpera ativa ” ou “ têmpera eletrônica ”, também é uma possibilidade. A têmpera eletrônica usa eletrônica simplista de controle de alta velocidade para remover e reaplicar rapidamente a alta tensão entre os eletrodos por um tempo fixo após cada pico de descarga, a fim de aumentar a taxa máxima de contagem e a vida útil do tubo.

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.).

Contadores proporcionais são frequentemente usados ​​como dispositivo de detecção de partículas carregadas. Nas usinas nucleares, os contadores proporcionais a gás (BF ₃ ) são normalmente usados ​​como detectores de faixa de fonte. Esses detectores usam o trifluoreto de boro a gás (BF ₃ ) em vez de ar na câmara. Os nêutrons recebidos produzem partículas alfa quando reagem com os átomos de boro no gás detector. 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.

A saída proporcional do contador está na forma de um pulso para cada evento ionizante; portanto, há uma série de pulsos aleatórios variando em magnitude, representando eventos ionizadores de nêutrons e gama. A altura do pulso pode ser de apenas alguns milivolts, o que é muito baixo para ser usado diretamente sem amplificação. O discriminador exclui a passagem de pulsos inferiores a um nível predeterminado. A função do discriminador é excluir pulsos de ruído e gama com magnitude menor que os pulsos de nêutrons.

Em geral, a espectroscopia é a ciência do estudo da interação entre matéria e energia irradiada, enquanto a espectrometria é o método usado para adquirir uma medida quantitativa do espectro. A espectroscopia (scopy significa observação ) não gera nenhum resultado. É a abordagem teórica da ciência. A espectrometria ( medição de meios de medição ) é a aplicação prática em que os resultados são gerados. É a medida da intensidade da radiação usando um dispositivo eletrônico. Frequentemente, esses termos são usados ​​de forma intercambiável, mas toda espectrometria não é espectroscopia (por exemplo, espectrometria de massa vs.espectroscopia de massa)

Espectroscopia gama

Em geral, a espectroscopia gama é o estudo dos espectros de energia de fontes de raios gama, como na indústria nuclear, investigação geoquímica e astrofísica. Espectroscópios, ou espectrômetros, são dispositivos sofisticados projetados para medir a distribuição espectral de potência de uma fonte. A radiação incidente gera um sinal que permite determinar a energia da partícula incidente.

A maioria das fontes radioativas produz raios gama , que são de várias energias e intensidades. Os raios gama frequentemente  acompanham a emissão  de  radiação alfa  e  beta . Quando essas emissões são detectadas e analisadas com um sistema de espectroscopia, um espectro de energia de raios gama pode ser produzido. Raios gama de decaimento radioativoestão na faixa de energia de alguns keV a ~ 8 MeV, correspondendo aos níveis típicos de energia nos núcleos com vida útil razoavelmente longa. Como foi escrito, eles são produzidos pela decomposição dos núcleos à medida que passam de um estado de alta energia para um estado inferior. Uma análise detalhada desse espectro é normalmente usada para determinar a identidade e a quantidade de emissores gama presentes em uma amostra e é uma ferramenta vital no ensaio radiométrico. O espectro gama é característico dos nuclídeos emissores gama contidos na fonte.

Espectroscopia de Raios-X

A espectroscopia de raios-X é um termo geral para várias técnicas espectroscópicas para caracterização de materiais usando excitação de raios-x. Quando um elétron da camada interna de um átomo é excitado pela energia de um fóton, ele se move para um nível de energia mais alto. Como o processo deixa uma  lacuna  no nível de energia eletrônica de onde o elétron veio, os elétrons externos do átomo  caem em cascata  para preencher os níveis atômicos mais baixos e um ou mais  raios-X característicos geralmente são emitidos. Como resultado, picos de intensidade acentuados aparecem no espectro em comprimentos de onda que são uma característica do material a partir do qual o alvo do ânodo é feito. As frequências dos raios X característicos podem ser previstas a partir do modelo de Bohr. A análise do espectro de emissão de raios-X produz resultados qualitativos sobre a composição elementar da amostra.

Espectrômetro de Raios Gama – Espectroscópio de Raios Gama

Como foi escrito, o estudo e a análise de espectros de raios gama para uso científico e técnico são chamados espectroscopia gama, e os espectrômetros de raios gama são os instrumentos que observam e coletam esses dados. Um espectrômetro de raios gama (GRS) é um dispositivo sofisticado para medir a distribuição de energia da radiação gama. Para a medição de raios gama acima de várias centenas de keV, existem duas categorias de detectores de grande importância: cintiladores inorgânicos como NaI (Tl) e detectores semicondutores. Nos artigos anteriores, descrevemos a espectroscopia gama usando um detector de cintilação, que consiste em um cristal cintilador adequado, um tubo fotomultiplicador e um circuito para medir a altura dos pulsos produzidos pelo fotomultiplicador. As vantagens de um contador de cintilação são sua eficiência (tamanho grande e alta densidade) e as altas taxas de precisão e contagem possíveis. Devido ao alto número atômico de iodo, um grande número de todas as interações resultará na absorção completa da energia dos raios gama, de modo que a fração fotográfica será alta.

Mas, se for necessária uma resolução perfeita de energia , precisamos usar um detector à base de germânio , como o detector HPGe . Os detectores de semicondutores à base de germânio são mais comumente usados ​​onde é necessária uma resolução de energia muito boa, especialmente para espectroscopia gama , bem como espectroscopia de raios-x. Na espectroscopia gama, o germânio é preferido devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e aumentar a probabilidade de interação com raios gama. Além disso, o germânio possui menor energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios, que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio. Isso também fornece ao último uma melhor resolução em energia. O FWHM (largura total na metade do máximo) para detectores de germânio é uma função da energia. Para um fóton de 1,3 MeV, o FWHM é de 2,1 keV, o que é muito baixo.

Estrutura do espectro gama – O espectro de cobalto-60

A análise dos espectros gama é muito interessante, uma vez que possui uma estrutura e os trabalhadores devem distinguir entre pulsos verdadeiros a serem analisados ​​e pulsos acompanhantes de diferentes fontes de radiação. Mostraremos a estrutura do espectro gama no exemplo de cobalto-60 medido pelo detector de cintilação NaI (Tl) e pelo detector HPGe. O detector HPGe permite a separação de muitas linhas gama estreitamente espaçadas, o que é muito benéfico para medir fontes radioativas emissoras de várias gamas.

O cobalto-60  é um isótopo radioativo artificial de cobalto com uma meia-vida de 5,2747 anos . É produzido sinteticamente pela ativação de cobalto-59 em nêutrons em reatores nucleares . O cobalto-60 é uma fonte de calibração comum encontrada em muitos laboratórios. O espectro gama tem dois picos significativos , um em 1173,2 keV e outro em 1332,5 keV . Bons detectores de cintilação devem ter resolução adequada para separar os dois picos. Para os detectores HPGe , esses picos são perfeitamente separados.

Como pode ser visto na figura, existem dois fotopicos de raios gama . Ambos os detectores também mostram resposta nas energias mais baixas, causadas pelo espalhamento de Compton , dois picos de escape menores nas energias 0,511 e 1,022 MeV abaixo do fotopico para a criação de pares elétron-pósitron quando um ou ambos os fótons de aniquilação escapam e um pico de retroespalhamento . Energias mais altas podem ser medidas quando dois ou mais fótons atingem o detector quase simultaneamente, aparecendo como picos de soma com energias até o valor de dois ou mais fotopicos adicionados.

A estrutura geral do espectro de raios gama geralmente possui as seguintes características principais :

• Os fotopicos são picos de energia total criados quando o raio γ transfere sua energia total ( _ligação hω-E ) para o material sensível (cristal de cintilação ou cristal de germânio). O espectro de cobalto-60 contém dois fotopicos, um a 1173,2 keV e outro a 1332,5 keV.
• Compton Continuum . No cristal, um raio gama sofre várias interações, mas para energias intermediárias a dispersão de comptons domina. Na dispersão compton, o fóton de raios gama incidente é desviado através de um ângulo Θ em relação à sua direção original. O fóton transfere uma parte de sua energia para o elétron de recuo. A energia transferida para o elétron de recuo pode variar de zero a uma grande fração (E máxima) da energia incidente de raios gama, porque todos os ângulos de dispersão são possíveis. O tamanho do cristal de cintilação altera a proporção entre o fotopico e o continuum de Compton. Para um detector esférico infinitamente grande, centralizado em torno de uma fonte, nenhum fóton seria capaz de escapar e apenas um fotopico seria visto no espectro. Para detectores muito pequenos, a chance de um fóton sair após a dispersão de Compton é alta e o continuum de Compton seria grande em comparação com o fotopico.
• Compton Edge . A borda de Compton é uma característica do espectrógrafo resultante da dispersão de Compton no cintilador ou detector. Esse recurso é devido aos fótons que sofrem dispersão de Compton com um ângulo de dispersão de 180 ° e escapam do detector. Quando um raio gama se espalha pelo detector e escapa, apenas uma fração de sua energia inicial pode ser depositada na camada sensível do detector. Depende do ângulo de dispersão do fóton, quanta energia será depositada no detector. Isso leva a um espectro de energias. A energia da borda de Compton corresponde ao fóton retroespalhado total .  As contagens entre a borda de Compton e os fotopicos são causadas por vários eventos de dispersão de Compton, onde o fóton gama disperso sai do material sensível.

Às vezes, a estrutura do espectro de raios gama possui os seguintes recursos secundários :

• 

  Pico de retroespalhamento . Um pico de retroespalhamento Compton é encontrado quando os raios γ entram no material ao redor do detector e são espalhados de volta no detector. O fóton gama pode interagir pelo mecanismo Compton no escudo ou em materiais adjacentes e é retrodifundido de um material para um volume sensível. A energia máxima de fótons nessa interação é de ~ 200 keV, independentemente da energia inicial de fóton. Isso resulta em um pico secundário em -200 keV.

• Picos de raios-X . Quando os raios gama sofrem efeito fotoelétrico nos materiais circundantes (por exemplo, blindagem de chumbo), o raio X de saída pode ser capturado novamente pelo detector. Isso fornece um pico característico de raios-X com uma energia dependendo do material de origem. No caso de chumbo, as energias características dos raios X estão na faixa de 72 a 84 keV. Absorção fotoelétrica pelo elétron K-shell no chumbo da blindagem, resultando em uma vaga de K-shell. A transição K -> L para chumbo = 72 keV. Se este raio-x característico for absorvido no cristal, é observado um pico secundário a 72 keV.
• Pico da Coincidência . Absorção simultânea de dois fótons gama em cristal, resultando em um pico mais alto em energia do que o fotopico. Os fótons gama podem resultar de transições isoméricas seriais (por exemplo, 2 keV mais 1332,5 keV no caso de cobalto-60) ou decaimentos simultâneos em radionuclídeos separados (por exemplo, 2 x 1173,2 keV no caso de cobalto-60).
• Pico de aniquilação . Para raios gama de alta energia (acima de 1,02 MeV), a produção de pares elétron-pósitron é uma possível interação. Mas um pósitron pode então se aniquilar no detector ou no material circundante. Se ambos os fótons de aniquilação de 0,51 MeV forem absorvidos no cristal, um pico secundário de 1,02 MeV abaixo do pico fotográfico poderá ser encontrado. Se um fóton de aniquilação é absorvido e o segundo sai do cristal, então 0,51 MeV é removido do pico fotográfico, resultando em um pico secundário de 0,51 MeV abaixo do pico fotográfico. A probabilidade é maior de que um fóton de aniquilação seja absorvido.

Um contador de cintilação NaI (Tl)  é um detector de radiação que utiliza o efeito conhecido como cintilação . A cintilação, que ocorre no  cristal NaI (Tl), é um flash de luz produzido em um material transparente pela passagem de uma partícula (um elétron, uma partícula alfa, um íon ou um fóton de alta energia). A cintilação ocorre no cintilador, que é uma parte essencial de um detector de cintilação. Em geral, um detector de cintilação consiste em:

• Cintilador . Um cintilador gera fótons em resposta à radiação incidente.
• Fotodetector . Um fotodetector sensível (geralmente um tubo fotomultiplicador (PMT), uma câmera de dispositivo acoplado a carga (CCD) ou um fotodiodo), que converte a luz em um sinal elétrico e eletrônico para processar esse sinal.

O princípio básico de operação envolve a reação da radiação com um cintilador, que produz uma série de flashes de intensidade variável. A intensidade dos flashes é proporcional à energia da radiação. Esse recurso é muito importante. Esses contadores são adequados para medir a energia da radiação gama ( espectroscopia gama ) e, portanto, podem ser usados ​​para identificar isótopos emissores gama.

Os contadores de cintilação são amplamente utilizados em proteção contra radiação , ensaio de materiais radioativos e pesquisa em física porque podem ser feitos de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente. Hospitais em todo o mundo possuem câmeras gama baseadas no efeito de cintilação e, portanto, também são chamadas de câmeras de cintilação.

As vantagens de um contador de cintilação são sua eficiência e as altas taxas de precisão e contagem possíveis. Esses últimos atributos são uma conseqüência da duração extremamente curta dos flashes de luz, de cerca de 10 a ⁹  (cintiladores orgânicos) a 10 a ⁶ (cintiladores inorgânicos) segundos. A intensidade dos flashes e a amplitude do pulso da tensão de saída são proporcionais à energia da radiação . Portanto, os contadores de cintilação podem ser usados ​​para determinar a energia, bem como o número, das partículas excitantes (ou fótons gama). Para espectrometria gama, os detectores mais comuns incluem contadores de cintilação de iodeto de sódio (NaI) e detectores de germânio de alta pureza.

Cintiladores de iodeto de sódio dopado com tálio – NaI (Tl)

O material de cintilação mais utilizado é o NaI (Tl) (iodeto de sódio dopado com tálio) . NaI (Tl) como cintilador é usado em detectores de cintilação, tradicionalmente em medicina nuclear, geofísica, física nuclear e medições ambientais. O iodo fornece a maior parte do poder de parada do iodeto de sódio (já que possui um alto Z = 53). Esses cintiladores cristalinos são caracterizados por tempos de alta densidade, alto número atômico e decaimento de pulso de aproximadamente 1 microssegundo (~ 10 a ⁶ segundos). O comprimento de onda da emissão máxima é de 415 nm. A cintilação em cristais inorgânicos é tipicamente mais lenta que nos orgânicos. Eles exibem alta eficiência na detecção de raios gama e são capazes de lidar com altas taxas de contagem. Os cristais inorgânicos podem ser cortados em tamanhos pequenos e dispostos em uma configuração de matriz para fornecer sensibilidade à posição. Esse recurso é amplamente utilizado em imagens médicas para detectar raios-X ou raios gama. Cintiladores inorgânicos são melhores na detecção de raios gama e raios-X. O cintilador NaI (Tl) tem uma resolução de energia mais alta que um contador proporcional, permitindo determinações de energia mais precisas. Isto é devido à sua alta densidade e número atômico, o que fornece uma alta densidade de elétrons. Uma desvantagem de alguns cristais inorgânicos, por exemplo, NaI, é a higroscopicidade, uma propriedade que exige que eles sejam alojados em um recipiente hermético para protegê-los da umidade. Os cristais são geralmente acoplados a um tubo fotomultiplicador, em um conjunto hermeticamente fechado.

Tubo fotomultiplicador

Os tubos fotomultiplicadores (PMTs) são um dispositivo de detecção de fótons que usa o efeito fotoelétrico combinado com a emissão secundária para converter luz em um sinal elétrico. Um fotomultiplicador absorve a luz emitida pelo cintilador e a reemite na forma de elétrons pelo efeito fotoelétrico . O PMT tem sido a principal escolha para detecção de fótons desde então, devido ao fato de terem alta eficiência quântica e alta amplificação.

Componentes do tubo fotomultiplicador

O dispositivo consiste em vários componentes e esses componentes são mostrados na figura.

• Photocathode . Logo após uma fina janela de entrada, existe um fotocátodo, feito de material no qual os elétrons de valência estão fracamente ligados e têm uma seção transversal alta para converter fótons em elétrons pelo efeito fotoelétrico. Por exemplo, Cs ₃ Sb (césio-antimônio) pode ser usado. Como resultado, a luz criada no cintilador atinge o fotocatodo de um tubo fotomultiplicador, liberando no máximo um fotoelétron por fóton.
• Dínodos . Usando um potencial de voltagem, esse grupo de elétrons primários é eletrostaticamente acelerado e focado para atingir o primeiro dínodo com energia suficiente para liberar elétrons adicionais. Há uma série (“estágios”) de dínodos feitos de material com função de trabalho relativamente baixa. Esses eletrodos são operados com potencial cada vez maior (por exemplo, ~ 100-200 V entre dínodos). No dínodo, os elétrons são multiplicados por emissão secundária. O próximo dínodo tem uma voltagem mais alta, o que faz com que os elétrons liberados do primeiro acelerem em sua direção. Em cada dínodo 3-4 electrões são introduzidas em cada electrões incidente, e com 6 a 14 dínodos o ganho total, ou do factor de amplificação de electrões, será na gama de ~ 10 ⁴ -10⁷ quando atingem o ânodo. As tensões operacionais típicas estão na faixa de 500 a 3000 V. No dínodo final, elétrons suficientes estão disponíveis para produzir um pulso de magnitude suficiente para amplificação adicional. Esse pulso carrega informações sobre a energia da radiação incidente original. O número desses pulsos por unidade de tempo também fornece informações sobre a intensidade da radiação.

Em geral, a espectroscopia é a ciência do estudo da interação entre matéria e energia irradiada, enquanto a espectrometria é o método usado para adquirir uma medida quantitativa do espectro. A espectroscopia (scopy significa observação ) não gera nenhum resultado. É a abordagem teórica da ciência. A espectrometria ( medição de meios de medição ) é a aplicação prática em que os resultados são gerados. É a medida da intensidade da radiação usando um dispositivo eletrônico. Frequentemente, esses termos são usados ​​de forma intercambiável, mas toda espectrometria não é espectroscopia (por exemplo, espectrometria de massa vs.espectroscopia de massa)

Espectroscopia gama

Em geral, a espectroscopia gama é o estudo dos espectros de energia de fontes de raios gama, como na indústria nuclear, investigação geoquímica e astrofísica. Espectroscópios, ou espectrômetros, são dispositivos sofisticados projetados para medir a distribuição espectral de potência de uma fonte. A radiação incidente gera um sinal que permite determinar a energia da partícula incidente.

A maioria das fontes radioativas produz raios gama , que são de várias energias e intensidades. Os raios gama frequentemente  acompanham a emissão  de  radiação alfa  e  beta . Quando essas emissões são detectadas e analisadas com um sistema de espectroscopia, um espectro de energia de raios gama pode ser produzido. Raios gama de decaimento radioativoestão na faixa de energia de alguns keV a ~ 8 MeV, correspondendo aos níveis típicos de energia nos núcleos com vida útil razoavelmente longa. Como foi escrito, eles são produzidos pela decomposição dos núcleos à medida que passam de um estado de alta energia para um estado inferior. Uma análise detalhada desse espectro é normalmente usada para determinar a identidade e a quantidade de emissores gama presentes em uma amostra e é uma ferramenta vital no ensaio radiométrico. O espectro gama é característico dos nuclídeos emissores gama contidos na fonte.

Veja também: Espectroscopia gama

Espectroscopia de Raios-X

A espectroscopia de raios-X é um termo geral para várias técnicas espectroscópicas para caracterização de materiais usando excitação de raios-x. Quando um elétron da camada interna de um átomo é excitado pela energia de um fóton, ele se move para um nível de energia mais alto. Como o processo deixa uma  lacuna  no nível de energia eletrônica de onde o elétron veio, os elétrons externos do átomo  caem em cascata  para preencher os níveis atômicos mais baixos e um ou mais  raios-X característicos geralmente são emitidos. Como resultado, picos de intensidade acentuados aparecem no espectro em comprimentos de onda que são uma característica do material a partir do qual o alvo do ânodo é feito. As frequências dos raios X característicos podem ser previstas a partir do modelo de Bohr. A análise do espectro de emissão de raios-X produz resultados qualitativos sobre a composição elementar da amostra.

Espectrômetro de Raios Gama – Espectroscópio de Raios Gama

Como foi escrito, o estudo e a análise de espectros de raios gama para uso científico e técnico são chamados espectroscopia gama, e os espectrômetros de raios gama são os instrumentos que observam e coletam esses dados. Um espectrômetro de raios gama (GRS) é um dispositivo sofisticado para medir a distribuição de energia da radiação gama. Para a medição de raios gama acima de várias centenas de keV, existem duas categorias de detectores de grande importância: cintiladores inorgânicos como NaI (Tl) e detectores semicondutores. Nos artigos anteriores, descrevemos a espectroscopia gama usando um detector de cintilação, que consiste em um cristal cintilador adequado, um tubo fotomultiplicador e um circuito para medir a altura dos pulsos produzidos pelo fotomultiplicador. As vantagens de um contador de cintilação são sua eficiência (tamanho grande e alta densidade) e as altas taxas de precisão e contagem possíveis. Devido ao alto número atômico de iodo, um grande número de todas as interações resultará na absorção completa da energia dos raios gama, de modo que a fração fotográfica será alta.

Mas, se for necessária uma resolução perfeita de energia , precisamos usar um detector à base de germânio , como o detector HPGe . Os detectores de semicondutores à base de germânio são mais comumente usados ​​onde é necessária uma resolução de energia muito boa, especialmente para espectroscopia gama , bem como espectroscopia de raios-x. Na espectroscopia gama, o germânio é preferido devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e aumentar a probabilidade de interação com raios gama. Além disso, o germânio possui menor energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios, que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio. Isso também fornece ao último uma melhor resolução em energia. O FWHM (largura total na metade do máximo) para detectores de germânio é uma função da energia. Para um fóton de 1,3 MeV, o FWHM é de 2,1 keV, o que é muito baixo.

A operação de contadores de cintilação e tubos fotomultiplicadores é resumida nos seguintes pontos:

• 

  A radiação ionizante entra no cintilador e interage com o material do cintilador. Isso faz com que os elétrons sejam elevados a um estado excitado .

  • Para partículas carregadas, a trilha é o caminho da própria partícula.
  • Para raios gama (sem carga), sua energia é convertida em um elétron energético via efeito fotoelétrico , espalhamento de Compton ou produção de pares .
• Os átomos excitados do material cintilador de-excite e rapidamente emitir um fotão na visível (ou próximo do visível) gama de luz. A quantidade é proporcional à energia depositada pela partícula ionizante. Diz-se que o material fluorescente.
• Três classes de fósforo são usadas:
  • cristais inorgânicos,
  • cristais orgânicos,
  • fósforos de plástico.
• A luz criada no cintilador atinge o fotocatodo de um tubo fotomultiplicador , liberando no máximo um fotoelétron por fóton.
• Usando um potencial de voltagem, esse grupo de elétrons primários é eletrostaticamente acelerado e focado para atingir o primeiro dínodo com energia suficiente para liberar elétrons adicionais.
• Esses elétrons secundários são atraídos e atingem um segundo dínodo liberando mais elétrons. Esse processo ocorre no tubo fotomultiplicador.
• Cada impacto subsequente do dínodo libera mais elétrons e, portanto, há um efeito de amplificação de corrente em cada estágio do dínodo. Cada estágio tem um potencial maior que o anterior para fornecer o campo de aceleração.
• O sinal primário é multiplicado e essa amplificação continua por 10 a 12 estágios.
• No dínodo final , elétrons suficientes estão disponíveis para produzir um pulso de magnitude suficiente para amplificação adicional. Esse pulso carrega informações sobre a energia da radiação incidente original. O número desses pulsos por unidade de tempo também fornece informações sobre a intensidade da radiação.

Em geral, um fósforo é uma substância que exibe o fenômeno da luminescência. Esses materiais também são utilizados em detectores de cintilação de várias formas. O cintilador consiste em um cristal transparente, geralmente um fósforo, plástico ou líquido orgânico que fluorescente quando atingido por radiação ionizante. O cintilador também deve ser transparente às suas próprias emissões de luz e deve ter um tempo de decaimento curto, porque a transparência é importante para que uma boa transmissão de luz alcance o eletrodo, e o tempo de decaimento curto permite uma resposta rápida.

Fósforos de cintilação inorgânica

Os fósforos de cintilação inorgânica são geralmente cristais cultivados em fornos de alta temperatura. Eles incluem iodeto de lítio (LiI), iodeto de sódio (NaI), iodeto de césio (CsI) e sulfeto de zinco (ZnS). O material de cintilação mais utilizado é o NaI (Tl) (iodeto de sódio dopado com tálio). O iodo fornece a maior parte do poder de parada do iodeto de sódio (já que possui um alto Z = 53). Esses cintiladores cristalinos são caracterizados por tempos de alta densidade, alto número atômico e decaimento de pulso de aproximadamente 1 microssegundo (~ 10 ^-6sec). A cintilação em cristais inorgânicos é tipicamente mais lenta que nos orgânicos. Eles exibem alta eficiência na detecção de raios gama e são capazes de lidar com altas taxas de contagem. Os cristais inorgânicos podem ser cortados em tamanhos pequenos e dispostos em uma configuração de matriz para fornecer sensibilidade à posição. Esse recurso é amplamente utilizado em imagens médicas para detectar raios-X ou raios gama. Cintiladores inorgânicos são melhores na detecção de raios gama e raios-X . Isto é devido à sua alta densidade e número atômico, o que fornece uma alta densidade de elétrons. Uma desvantagem de alguns cristais inorgânicos, por exemplo, NaI, é a higroscopicidade, uma propriedade que exige que eles sejam alojados em um recipiente hermético para protegê-los da umidade.

Um contador de cintilação ou detector de cintilação é um detector de radiação que usa o efeito conhecido como cintilação . A cintilação é um flash de luz produzido em um material transparente pela passagem de uma partícula (um elétron, uma partícula alfa, um íon ou um fóton de alta energia). A cintilação ocorre no cintilador, que é uma parte essencial de um detector de cintilação. Em geral, um detector de cintilação consiste em:

• Cintilador . O cintilador consiste em um cristal transparente, geralmente um fósforo, plástico ou líquido orgânico que fluorescente quando atingido por radiação ionizante.
• Fotodetector . Um fotodetector sensível (geralmente um tubo fotomultiplicador (PMT), uma câmera de dispositivo acoplado a carga (CCD) ou um fotodiodo), que converte a luz em um sinal elétrico e eletrônico para processar esse sinal.

Fósforos – Detectores de Cintilação

Em geral, um fósforo é uma substância que exibe o fenômeno da luminescência. Esses materiais também são utilizados em detectores de cintilação de várias formas. O cintilador consiste em um cristal transparente, geralmente um fósforo, plástico ou líquido orgânico que fluorescente quando atingido por radiação ionizante. O cintilador também deve ser transparente às suas próprias emissões de luz e deve ter um tempo de decaimento curto, porque a transparência é importante para que uma boa transmissão de luz alcance o eletrodo, e o tempo de decaimento curto permite uma resposta rápida.

Fósforos de cintilação inorgânica

Os fósforos de cintilação inorgânica são geralmente cristais cultivados em fornos de alta temperatura. Eles incluem iodeto de lítio (LiI), iodeto de sódio (NaI), iodeto de césio (CsI) e sulfeto de zinco (ZnS). O material de cintilação mais utilizado é o NaI (Tl) (iodeto de sódio dopado com tálio). O iodo fornece a maior parte do poder de parada do iodeto de sódio (já que possui um alto Z = 53). Esses cintiladores cristalinos são caracterizados por tempos de alta densidade, alto número atômico e decaimento de pulso de aproximadamente 1 microssegundo (~ 10 ^-6sec). A cintilação em cristais inorgânicos é tipicamente mais lenta que nos orgânicos. Eles exibem alta eficiência na detecção de raios gama e são capazes de lidar com altas taxas de contagem. Os cristais inorgânicos podem ser cortados em tamanhos pequenos e dispostos em uma configuração de matriz para fornecer sensibilidade à posição. Esse recurso é amplamente utilizado em imagens médicas para detectar raios-X ou raios gama. Cintiladores inorgânicos são melhores na detecção de raios gama e raios-X . Isto é devido à sua alta densidade e número atômico, o que fornece uma alta densidade de elétrons. Uma desvantagem de alguns cristais inorgânicos, por exemplo, NaI, é a higroscopicidade, uma propriedade que exige que eles sejam alojados em um recipiente hermético para protegê-los da umidade.

Um contador de cintilação ou detector de cintilação é um detector de radiação que usa o efeito conhecido como cintilação . A cintilação é um flash de luz produzido em um material transparente pela passagem de uma partícula (um elétron, uma partícula alfa, um íon ou um fóton de alta energia). A cintilação ocorre no cintilador, que é uma parte essencial de um detector de cintilação. Em geral, um detector de cintilação consiste em:

• Cintilador . Um cintilador gera fótons em resposta à radiação incidente.
• Fotodetector . Um fotodetector sensível (geralmente um tubo fotomultiplicador (PMT), uma câmera de dispositivo acoplado a carga (CCD) ou um fotodiodo), que converte a luz em um sinal elétrico e eletrônico para processar esse sinal.

O princípio básico de operação envolve a reação da radiação com um cintilador, que produz uma série de flashes de intensidade variável. A intensidade dos flashes é proporcional à energia da radiação. Esse recurso é muito importante. Esses contadores são adequados para medir a energia da radiação gama ( espectroscopia gama ) e, portanto, podem ser usados ​​para identificar isótopos emissores gama.

Os contadores de cintilação são amplamente utilizados em proteção contra radiação , ensaio de materiais radioativos e pesquisa em física porque podem ser feitos de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente. Hospitais em todo o mundo possuem câmeras gama baseadas no efeito de cintilação e, portanto, também são chamadas de câmeras de cintilação.

As vantagens e desvantagens dos contadores de cintilação são determinadas pelo cintilador. Os seguintes recursos não são gerais para todos os cintiladores.

Vantagens dos contadores de cintilação

• Eficiência . As vantagens de um contador de cintilação são sua eficiência e as altas taxas de precisão e contagem possíveis. Esses últimos atributos são uma conseqüência da duração extremamente curta dos flashes de luz, de cerca de 10 a ⁹  (cintiladores orgânicos) a 10 a ⁶ (cintiladores inorgânicos) segundos.
• Espectroscopia . A intensidade dos flashes e a amplitude do pulso da tensão de saída são proporcionais à energia da radiação . Portanto, os contadores de cintilação podem ser usados ​​para determinar a energia, bem como o número, das partículas excitantes (ou fótons gama). Para espectrometria gama, os detectores mais comuns incluem contadores de cintilação de iodeto de sódio (NaI) e detectores de germânio de alta pureza. O cintilador NaI (Tl) possui uma resolução de energia mais alta que um contador proporcional, permitindo determinações de energia mais precisas. Por outro lado, se for necessária uma resolução perfeita de energia, precisamos usar um detector à base de germânio, como o detector HPGe.

Desvantagens dos contadores de cintilação

• Higroscopicidade . Uma desvantagem de alguns cristais inorgânicos, por exemplo, NaI, é a higroscopicidade , uma propriedade que exige que eles sejam alojados em um recipiente hermético para protegê-los da umidade.
• NaI (Tl) não tem resposta beta ou alfa e baixa resposta gama de baixa energia.
• Cintiladores líquidos são relativamente pesados.

Um contador de cintilação ou detector de cintilação é um detector de radiação que usa o efeito conhecido como cintilação . A cintilação é um flash de luz produzido em um material transparente pela passagem de uma partícula (um elétron, uma partícula alfa, um íon ou um fóton de alta energia). A cintilação ocorre no cintilador, que é uma parte essencial de um detector de cintilação. Em geral, um detector de cintilação consiste em:

• Cintilador . Um cintilador gera fótons em resposta à radiação incidente.
• Fotodetector . Um fotodetector sensível (geralmente um tubo fotomultiplicador (PMT), uma câmera de dispositivo acoplado a carga (CCD) ou um fotodiodo), que converte a luz em um sinal elétrico e eletrônico para processar esse sinal.

Os contadores de cintilação são amplamente utilizados em proteção contra radiação , ensaio de materiais radioativos e pesquisa em física porque podem ser feitos de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente. Hospitais em todo o mundo possuem câmeras gama baseadas no efeito de cintilação e, portanto, também são chamadas de câmeras de cintilação.

As vantagens de um contador de cintilação são sua eficiência e as altas taxas de precisão e contagem possíveis. Esses últimos atributos são uma conseqüência da duração extremamente curta dos flashes de luz, de cerca de 10 a ⁹  (cintiladores orgânicos) a 10 a ⁶ (cintiladores inorgânicos) segundos. A intensidade dos flashes e a amplitude do pulso da tensão de saída são proporcionais à energia da radiação . Portanto, os contadores de cintilação podem ser usados ​​para determinar a energia, bem como o número, das partículas excitantes (ou fótons gama). Para espectrometria gama, os detectores mais comuns incluem contadores de cintilação de iodeto de sódio (NaI) e detectores de germânio de alta pureza.

Aplicações dos contadores de cintilação

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

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

• Partículas Alfa e Íons Pesados . Devido ao alto poder ionizante dos íons pesados, os contadores de cintilação geralmente não são ideais para a detecção de íons pesados. Para energias iguais, um próton produzirá de 1/4 a 1/2 da luz de um elétron, enquanto as partículas alfa produzirão apenas cerca de 1/10 da luz. Onde necessário, cristais inorgânicos, por exemplo, CsI (Tl), ZnS (Ag) (normalmente usados ​​em chapas finas como monitores de partículas α), devem ser preferidos aos materiais orgânicos. O CsI puro é um material cintilante rápido e denso com rendimento de luz relativamente baixo que aumenta significativamente com o resfriamento. As desvantagens de CsI são um gradiente de alta temperatura e uma ligeira higroscopicidade.
• Partículas beta . Para a detecção de partículas beta, cintiladores orgânicos podem ser usados. Cristais orgânicos puros incluem cristais de antraceno, estilbeno e naftaleno. O tempo de decaimento desse tipo de fósforo é de aproximadamente 10 nanossegundos. Este tipo de cristal é freqüentemente usado na detecção de partículas beta. Os cintiladores orgânicos , com um Z menor que os cristais inorgânicos, são mais adequados para a detecção de partículas beta de baixa energia (<10 MeV).
• Raios gama . Os materiais com alto teor de Z são mais adequados como cintiladores para a detecção de raios gama. O material de cintilação mais utilizado é o NaI (Tl) (iodeto de sódio dopado com tálio). O iodo fornece a maior parte do poder de parada no iodeto de sódio (uma vez que possui um alto Z = 53). Esses cintiladores cristalinos são caracterizados por tempos de alta densidade, alto número atômico e decaimento de pulso de aproximadamente 1 microssegundo (~ 10 ^-6sec). A cintilação em cristais inorgânicos é tipicamente mais lenta que nos orgânicos. Eles exibem alta eficiência na detecção de raios gama e são capazes de lidar com altas taxas de contagem. Os cristais inorgânicos podem ser cortados em tamanhos pequenos e dispostos em uma configuração de matriz para fornecer sensibilidade à posição. Esse recurso é amplamente utilizado em imagens médicas para detectar raios-X ou raios gama. Cintiladores inorgânicos são melhores na detecção de raios gama e raios-X. Isto é devido à sua alta densidade e número atômico, o que fornece uma alta densidade de elétrons.
• Nêutrons . 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.).  Os nêutrons rápidos (> 0,5 MeV) dependem principalmente do próton de recuo nas reações (n, p). Materiais ricos em hidrogênio, por exemplo, cintiladores plásticos, portanto, são mais adequados para sua detecção. Os nêutrons térmicos dependem de reações nucleares, como as reações (n, γ) ou (n, α), para produzir ionização. Materiais como LiI (Eu) ou silicatos de vidro são, portanto, particularmente adequados para a detecção de nêutrons térmicos.