Nick Connor

Cintiladores são tipos de materiais que fornecem fótons detectáveis ​​na parte visível do espectro da luz, após a passagem de uma partícula carregada ou de um fóton. 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 curto período de decaimento. O cintilador também deve ser protegido contra toda a luz ambiente, para que os fótons externos não inundem os eventos de ionização causados ​​pela radiação incidente. Para conseguir isso, uma película fina e opaca, como o mylar aluminizado, é frequentemente usada, embora deva ter uma massa baixa o suficiente para minimizar a atenuação indevida da radiação incidente sendo medida.

Existem basicamente dois tipos de cintiladores em uso comum na física nuclear e de partículas: cintiladores orgânicos ou plásticos e cintiladores inorgânicos ou cristalinos.

Cintiladores Inorgânicos

Cintiladores inorgânicos 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). Estes cintiladores cristalinos são caracterizados por alta densidade, elevado número atómico, e tempos de decaimento do pulso de cerca de 1 microssegundo ( ~ 10 ^-6 seg) 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 . Os cintiladores inorgânicos são melhores na detecção de raios gama e raios X do que os cintiladores orgânicos. 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 sejam alojados em um recipiente hermético para protegê-los da umidade.

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. 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.

Cintiladores de Iodeto de Césio e CsI (Tl) dopados com tálio

O iodeto de césio (CsI) na forma cristalina é usado como cintilador para a detecção de prótons e partículas alfa . 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.

O iodeto de césio dopado com tálio possui um número atômico efetivo de 54 e uma densidade de 4,51 g / cm ³ . O CsI (TI) também é higroscópico e não deve ser submetido a alta umidade ou água. O CsI (TI) possui tempos de decaimento diferentes para diferentes partículas (680ns e 3340ns) e pode ser usado para determinar entre diferentes tipos de radiação. O espectro de emissão tem o pico de 540-560 nm.

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.

Contador de Cintilações – Princípio de Operação

A operação dos contadores de cintilação 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, os semicondutores são materiais, inorgânicos ou orgânicos, que têm a capacidade de controlar sua condução, dependendo da estrutura química, temperatura, iluminação e presença de dopantes. O nome semicondutor vem do fato de que esses materiais têm uma condutividade elétrica entre a de um metal, como cobre, ouro, etc. e um isolador, como o vidro. Eles têm um gap de energia menor que 4eV (cerca de 1eV). Na física do estado sólido, esse gap de energia ou gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de condução, onde os estados de elétrons são proibidos. Ao contrário dos condutores, os elétrons em um semicondutor devem obter energia (por exemplo, a partir de radiação ionizante) para atravessar a folga da banda e alcançar a banda de condução. As propriedades dos semicondutores são determinadas pela diferença de energia entre as bandas de valência e de condução. Para entender o que é semicondutor, precisamos definir esses termos.

Propriedades dos semicondutores

Para entender a diferença entre metais , semicondutores e isoladores elétricos , precisamos definir os seguintes termos da física do estado sólido:

• Valence Band . Na física do estado sólido, a banda de valência e a banda de condução são as bandas mais próximas do nível de Fermi e, assim, determinam a condutividade elétrica do sólido. Nos isoladores e semicondutores elétricos, a banda de valência é a faixa mais alta de energias eletrônicas na qual os elétrons estão normalmente presentes na temperatura zero absoluta. Por exemplo, um átomo de silício possui quatorze elétrons. No estado fundamental, eles são organizados na configuração eletrônica [Ne] 3s ² 3p ² . Destes, quatro são elétrons de valência, ocupando o orbital 3s e dois dos orbitais 3p. A distinção entre as bandas de valência e de condução não tem sentido nos metais, porque a condução ocorre em uma ou mais bandas parcialmente cheias que assumem as propriedades das bandas de valência e de condução.
• Banda de condução . Na física do estado sólido, a banda de valência e a banda de condução são as bandas mais próximas do nível de Fermi e, assim, determinam a condutividade elétrica do sólido. Em isoladores elétricos e semicondutores, a banda de condução é a faixa mais baixa de estados eletrônicos vazios . Em um gráfico da estrutura da banda eletrônica de um material, a banda de valência está localizada abaixo do nível de Fermi, enquanto a banda de condução está localizada acima dela. Nos semicondutores, os elétrons podem atingir a banda de condução quando são excitados , por exemplo, por radiação ionizante (ou seja, devem obter energia maior que o _intervalo E) Por exemplo, o diamante é um semicondutor de banda larga ( _gap  E = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Por outro lado, o germânio possui uma pequena energia de gap de banda ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas. A distinção entre as bandas de valência e de condução não tem sentido nos metais, porque a condução ocorre em uma ou mais bandas parcialmente cheias que assumem as propriedades das bandas de valência e de condução.
• Band Gap . Na física do estado sólido, o gap de energia ou o gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de condução, onde os estados dos elétrons são proibidos. Ao contrário dos condutores, os elétrons em um semicondutor devem obter energia (por exemplo, a partir de radiação ionizante) para atravessar a folga da banda e alcançar a banda de condução. As folgas de banda são naturalmente diferentes para diferentes materiais. Por exemplo, o diamante é um semicondutor de banda larga ( _gap  E = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Por outro lado, o germânio possui uma pequena energia de gap de banda ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas.
• Nível Fermi . O termo “nível de Fermi” vem das estatísticas de Fermi-Dirac , que descrevem uma distribuição de partículas sobre os estados de energia em sistemas que consistem em férmions (elétrons) que obedecem ao princípio de exclusão de Pauli . Como eles não podem existir em estados de energia idênticos, o nível de Fermi é o termo usado para descrever o topo da coleção de níveis de energia eletrônica na temperatura zero absoluta . O nível Fermi é a superfície do mar Fermino zero absoluto, onde nenhum elétron terá energia suficiente para subir acima da superfície. Nos metais, o nível de Fermi está na banda de condução hipotética, dando origem a elétrons de condução livre. Nos semicondutores, a posição do nível de Fermi está dentro do gap, aproximadamente no meio do gap.
• Par de orifício de elétron . No semicondutor, portadores de carga livre são elétrons e buracos de elétrons (pares elétron-buraco). Elétrons e orifícios são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Um buraco de elétron (geralmente chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que um poderia existir em um átomoou estrutura atômica. É um dos dois tipos de portadores de carga responsáveis ​​pela criação de corrente elétrica em materiais semicondutores. Como em um átomo ou treliça de cristal normal, a carga negativa dos elétrons é balanceada pela carga positiva dos núcleos atômicos, a ausência de um elétron deixa uma carga líquida positiva na localização do buraco. Buracos carregados positivamente podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições. Quando um elétron se encontra com um buraco, eles se recombinam e esses transportadores livres desaparecem efetivamente. A recombinação significa que um elétron que foi excitado da banda de valência para a banda de condução volta ao estado vazio na banda de valência, conhecido como orifícios.

A condutividade de um semicondutor pode ser modelada em termos da teoria da banda dos sólidos . O modelo de banda de um semicondutor sugere que, a temperaturas comuns, existe uma possibilidade finita de que os elétrons possam alcançar a banda de condução e contribuir para a condução elétrica. No semicondutor, os portadores de carga livre (pares elétron-buraco) são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Essa excitação deixou um buraco na banda de valência que se comporta como carga positiva e um par elétron-buraco é criado. Às vezes, os buracos podem ser confusos, pois não são partículas físicas da maneira que os elétrons são, mas sim a ausência de um elétron em um átomo. Os furos podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições.

Para entender a diferença entre metais , semicondutores e isoladores elétricos , precisamos definir os seguintes termos da física do estado sólido:

Valence Band

Na física do estado sólido, a banda de valência e a banda de condução são as bandas mais próximas do nível de Fermi e, assim, determinam a condutividade elétrica do sólido. Nos isoladores e semicondutores elétricos, a banda de valência é a faixa mais alta de energias eletrônicas na qual os elétrons estão normalmente presentes na temperatura zero absoluta. Por exemplo, um átomo de silício possui quatorze elétrons. No estado fundamental, eles são organizados na configuração eletrônica [Ne] 3s ² 3p ² . Destes, quatro são elétrons de valência, ocupando o orbital 3s e dois dos orbitais 3p. A distinção entre as bandas de valência e condução é sem sentido nos metais, porque a condução ocorre em uma ou mais bandas parcialmente cheias que assumem as propriedades das bandas de valência e condução.

Banda de condução

Na física do estado sólido, a banda de valência e a banda de condução são as bandas mais próximas do nível de Fermi e, assim, determinam a condutividade elétrica do sólido. Em isoladores elétricos e semicondutores, a banda de condução é a faixa mais baixa de estados eletrônicos vazios . Em um gráfico da estrutura da banda eletrônica de um material, a banda de valência está localizada abaixo do nível de Fermi, enquanto a banda de condução está localizada acima dela. Nos semicondutores, os elétrons podem atingir a banda de condução quando são excitados , por exemplo, por radiação ionizante (ou seja, devem obter energia maior que o _intervalo E) Por exemplo, o diamante é um semicondutor de banda larga ( _gap  E = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Por outro lado, o germânio possui uma pequena energia de gap de banda ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas. A distinção entre as bandas de valência e de condução não tem sentido nos metais, porque a condução ocorre em uma ou mais bandas parcialmente cheias que assumem as propriedades das bandas de valência e de condução.

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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.

Em geral, os semicondutores são materiais, inorgânicos ou orgânicos, que têm a capacidade de controlar sua condução, dependendo da estrutura química, temperatura, iluminação e presença de dopantes. O nome semicondutor vem do fato de que esses materiais têm uma condutividade elétrica entre a de um metal, como cobre, ouro, etc. e um isolador, como o vidro. Eles têm um gap de energia menor que 4eV (cerca de 1eV). Na física do estado sólido, esse gap de energia ou gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de condução, onde os estados de elétrons são proibidos. Ao contrário dos condutores, os elétrons em um semicondutor devem obter energia (por exemplo, a partir de radiação ionizante) para atravessar a folga da banda e alcançar a banda de condução. As propriedades dos semicondutores são determinadas pela diferença de energia entre as bandas de valência e de condução. Para entender o que é semicondutor, precisamos definir esses termos.

Propriedades dos semicondutores

Para entender a diferença entre metais , semicondutores e isoladores elétricos , precisamos definir os seguintes termos da física do estado sólido:

• Valence Band . Na física do estado sólido, a banda de valência e a banda de condução são as bandas mais próximas do nível de Fermi e, assim, determinam a condutividade elétrica do sólido. Nos isoladores e semicondutores elétricos, a banda de valência é a faixa mais alta de energias eletrônicas na qual os elétrons estão normalmente presentes na temperatura zero absoluta. Por exemplo, um átomo de silício possui quatorze elétrons. No estado fundamental, eles são organizados na configuração eletrônica [Ne] 3s ² 3p ² . Destes, quatro são elétrons de valência, ocupando o orbital 3s e dois dos orbitais 3p. A distinção entre as bandas de valência e de condução não tem sentido nos metais, porque a condução ocorre em uma ou mais bandas parcialmente cheias que assumem as propriedades das bandas de valência e de condução.
• Banda de condução . Na física do estado sólido, a banda de valência e a banda de condução são as bandas mais próximas do nível de Fermi e, assim, determinam a condutividade elétrica do sólido. Em isoladores elétricos e semicondutores, a banda de condução é a faixa mais baixa de estados eletrônicos vazios . Em um gráfico da estrutura da banda eletrônica de um material, a banda de valência está localizada abaixo do nível de Fermi, enquanto a banda de condução está localizada acima dela. Nos semicondutores, os elétrons podem atingir a banda de condução quando são excitados , por exemplo, por radiação ionizante (ou seja, devem obter energia maior que o _intervalo E) Por exemplo, o diamante é um semicondutor de banda larga ( _gap  E = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Por outro lado, o germânio possui uma pequena energia de gap de banda ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas. A distinção entre as bandas de valência e de condução não tem sentido nos metais, porque a condução ocorre em uma ou mais bandas parcialmente cheias que assumem as propriedades das bandas de valência e de condução.
• Band Gap . Na física do estado sólido, o gap de energia ou o gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de condução, onde os estados dos elétrons são proibidos. Ao contrário dos condutores, os elétrons em um semicondutor devem obter energia (por exemplo, a partir de radiação ionizante) para atravessar a folga da banda e alcançar a banda de condução. As folgas de banda são naturalmente diferentes para diferentes materiais. Por exemplo, o diamante é um semicondutor de banda larga ( _gap  E = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Por outro lado, o germânio possui uma pequena energia de gap de banda ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas.
• Nível Fermi . O termo “nível de Fermi” vem das estatísticas de Fermi-Dirac , que descrevem uma distribuição de partículas sobre os estados de energia em sistemas que consistem em férmions (elétrons) que obedecem ao princípio de exclusão de Pauli . Como eles não podem existir em estados de energia idênticos, o nível de Fermi é o termo usado para descrever o topo da coleção de níveis de energia eletrônica na temperatura zero absoluta . O nível Fermi é a superfície do mar Fermino zero absoluto, onde nenhum elétron terá energia suficiente para subir acima da superfície. Nos metais, o nível de Fermi está na banda de condução hipotética, dando origem a elétrons de condução livre. Nos semicondutores, a posição do nível de Fermi está dentro do gap, aproximadamente no meio do gap.
• Par de orifício de elétron . No semicondutor, portadores de carga livre são elétrons e buracos de elétrons (pares elétron-buraco). Elétrons e orifícios são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Um buraco de elétron (geralmente chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que um poderia existir em um átomoou estrutura atômica. É um dos dois tipos de portadores de carga responsáveis ​​pela criação de corrente elétrica em materiais semicondutores. Como em um átomo ou treliça de cristal normal, a carga negativa dos elétrons é balanceada pela carga positiva dos núcleos atômicos, a ausência de um elétron deixa uma carga líquida positiva na localização do buraco. Buracos carregados positivamente podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições. Quando um elétron se encontra com um buraco, eles se recombinam e esses transportadores livres desaparecem efetivamente. A recombinação significa que um elétron que foi excitado da banda de valência para a banda de condução volta ao estado vazio na banda de valência, conhecido como orifícios.

A condutividade de um semicondutor pode ser modelada em termos da teoria da banda dos sólidos . O modelo de banda de um semicondutor sugere que, a temperaturas comuns, existe uma possibilidade finita de que os elétrons possam alcançar a banda de condução e contribuir para a condução elétrica. No semicondutor, portadores de carga livre (pares elétron-buraco) são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Essa excitação deixou um buraco na banda de valência que se comporta como carga positiva e um par elétron-buraco é criado. Às vezes, os buracos podem ser confusos, pois não são partículas físicas da maneira que os elétrons são, mas sim a ausência de um elétron em um átomo. Os furos podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições.

Excitação Eletrônica em Semicondutores

A energia para a excitação pode ser obtida de diferentes maneiras.

Excitação Térmica

Pares de elétron-buraco também são constantemente gerados a partir de energia térmica, na ausência de qualquer fonte de energia externa. A excitação térmica não requer nenhuma outra forma de impulso inicial. Este fenômeno ocorre também à temperatura ambiente. É causada por impurezas, irregularidade na estrutura ou dopante. Depende fortemente do _intervalo E (uma distância entre a valência e a banda de condução), de modo que, no _intervalo E mais baixoum número de portadores de carga excitados termicamente aumenta. Como a excitação térmica resulta no ruído do detector, é necessário um resfriamento ativo para alguns tipos de semicondutores (por exemplo, germânio). Os detectores baseados em silício têm ruído suficientemente baixo, mesmo em temperatura ambiente. Isso é causado pelo grande intervalo de banda de silício (Egap = 1,12 eV), que nos permite operar o detector à temperatura ambiente, mas o resfriamento é preferido para reduzir o ruído.

Excitação óptica

Observe que a energia de um único fóton de espectro de luz visível é comparável com essas lacunas de banda. Fótons de comprimento de onda 700 nm – 400 nm têm energias de 1,77 eV 3,10 eV. Como resultado, também a luz visível é capaz de excitar elétrons na banda de condução. Na verdade, esse é o princípio dos painéis fotovoltaicos que geram corrente elétrica.

Excitação por radiação ionizante

Os elétrons podem alcançar a banda de condução quando são excitados por radiação ionizante (ou seja, devem obter energia maior que o Egap). Em geral, partículas carregadas pesadas transferem energia principalmente por:

• Excitação. A partícula carregada pode transferir energia para o átomo, elevando os elétrons para níveis mais altos de energia.
• Ionizacao. A ionização pode ocorrer quando a partícula carregada possui energia suficiente para remover um elétron. Isso resulta na criação de pares de íons na matéria circundante.

Uma variável conveniente que descreve as propriedades de ionização do meio circundante é o poder de parada . A expressão clássica que descreve a perda de energia específica é conhecida como fórmula de Bethe . Para partículas alfa e partículas mais pesadas, o poder de parada da maioria dos materiais é muito alto para partículas carregadas pesadas e essas partículas têm faixas muito curtas.

Além dessas interações, as partículas beta também perdem energia pelo processo radiativo conhecido como bremsstrahlung . Da teoria clássica, quando uma partícula carregada é acelerada ou desacelerada, ela deve irradiar energia e a radiação de desaceleração é conhecida como bremsstrahlung (“radiação de frenagem”) .

Fótons (raios gama e raios X) podem ionizar átomos diretamente (apesar de serem eletricamente neutros) através do efeito Fotoelétrico e do efeito Compton, mas a ionização secundária (indireta) é muito mais significativa. Embora seja conhecido um grande número de possíveis interações, existem três mecanismos principais de interação com a matéria.

• Efeito fotoelétrico
• Efeito Compton
• Produção de pares

Em todos os casos, uma partícula de radiação ionizante deposita uma parte de sua energia ao longo de seu caminho. As partículas que passam pelo detector ionizam os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco . Por exemplo, a espessura típica do detector de silício é de cerca de 300 µm, de modo que o número de pares de elétrons-buraco gerados pela partícula ionizante mínima (MIP) que passa perpendicularmente ao detector é de cerca de 3,2 x 10 ⁴ . Este valor é menor em comparação com o número total de portadores livres no semicondutor intrínseco de uma superfície de 1 cm ² e a mesma espessura. Observe que uma amostra de germânio puro a 20 ° C contém cerca de 1,26 × 10 ²¹ átomos, mas também contém 7,5 x 10 ¹¹elétrons livres e 7,5 x 10 ¹¹ buracos gerados constantemente a partir de energia térmica . Como pode ser visto, a relação sinal / ruído (S / N) seria mínima. A adição de 0,001% de arsénio (uma impureza) doa um extra de 10 ¹⁵ electrões livres no mesmo volume e a condutividade eléctrica é aumentada por um factor de 10.000. No material dopado, a relação sinal / ruído (S / N) seria ainda menor. O resfriamento do semicondutor é uma maneira de diminuir essa proporção.

A melhoria pode ser alcançada com o uso de uma tensão de polarização reversa na junção PN para esgotar o detector de portadores livres, que é o princípio dos detectores de radiação com mais silício. Nesse caso, a tensão negativa é aplicada no lado p e positiva no segundo. Os furos na região p são atraídos da junção em direção ao contato p e da mesma forma para os elétrons e o contato n.

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 associados 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.

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.

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 associados 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.

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 angle 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.

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 associados 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.

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).

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

A 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 associados 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.

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 fotopico 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.

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 associados 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.

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 vizinhos 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.