Nick Connor

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.

Photopeak

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.

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.

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.

A estrutura geral do espectro de raios gama geralmente possui os seguintes recursos 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 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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

Espectrômetro de Raios Gama – Espectroscópio de Raios Gama

O espectroscópio gama 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 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. Os pulsos são contados e classificados por sua altura, produzindo um gráfico xy do brilho do flash do cintilador x número de flashes, que aproxima o espectro de energia da radiação incidente, com alguns artefatos adicionais. Um raio gama monoenergético produz um fotopico em sua energia. O detector de cintilaçãotambém mostra 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.

Os espectrômetros baseados em cintilação têm a vantagem da disponibilidade em tamanho grande e alta densidade, o que pode resultar em altas probabilidades de interação para raios gama. Por outro lado, seus cintiladores de resolução energética são fracos quando comparados aos detectores de germânio de alta pureza. Os detectores de germânio são a melhor opção para a separação de energias gama estreitamente espaçadas. A resolução energética típica de um bom sistema de germânio é de alguns décimos de por cento em comparação com 5-10% para o iodeto de sódio.

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.

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 detector de semicondutores é um detector de radiação que é baseado em um semicondutor , como silício ou germânio, para medir o efeito de partículas ou fótons carregados incidentes. 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 uma faixa de energia entrebanda de valência e 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.

Os detectores de semicondutores são muito semelhantes em operação aos painéis fotovoltaicos que geram corrente elétrica. De maneira semelhante, uma corrente pode ser induzida por radiação ionizante. Quando a radiação ionizante entra no semicondutor, ela interage com o material semicondutor. Pode excitar um elétron para fora do seu nível de energia e, consequentemente, deixar um buraco. Esse processo é conhecido como geração de pares de elétrons e orifícios . Nos detectores semicondutores, os portadores de informações fundamentais são esses pares elétron-buraco, que são produzidos ao longo do caminho percorrido pela partícula carregada (primária ou secundária) através do detector. Ao coletar pares de elétrons e orifícios, o sinal de detecção é formado e registrado.

Os detectores de semicondutores são amplamente utilizados em proteção contra radiação , ensaio de materiais radioativos e pesquisa em física porque possuem algumas características únicas, podem ser fabricados de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente. Esses detectores são empregados para medir a energia da radiação e para identificação de partículas. Dos materiais semicondutores disponíveis, o silício é usado principalmente para detectores de partículas carregadas (especialmente para rastrear partículas carregadas) e detectores de raios-X moles, enquanto o germânio é amplamente usado para espectroscopia de raios gama . Um semicondutor grande, limpo e quase perfeito é ideal como um contador pararadioatividade . No entanto, é difícil produzir cristais grandes com pureza suficiente. Os detectores de semicondutores têm, portanto, baixa eficiência, mas fornecem uma medida muito precisa da energia. Detectores de semicondutores, especialmente detectores à base de germânio , são mais comumente usados ​​onde é necessária uma resolução de energia muito boa. Para obter a máxima eficiência, os detectores devem operar a temperaturas muito baixas de nitrogênio líquido (-196 ° C) . Portanto, a desvantagem é que os detectores de semicondutores são muito mais caros que outros detectores e requerem um resfriamento sofisticado para reduzir as correntes de fuga (ruído).

Princípio de operação de detectores de semicondutores  

A operação dos detectores de semicondutores é resumida nos seguintes pontos:

• A radiação ionizante entra no volume sensível do detector e interage com o material semicondutor.
• As partículas que passam pelo detector ionizam os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco . O número de pares elétron-buraco é proporcional à energia da radiação para o semicondutor. Como resultado, um número de elétrons é transferido da banda de valência para a banda de condução e um número igual de orifícios é criado na banda de valência.
• Sob a influência de um campo elétrico, elétrons e buracos viajam para os eletrodos, onde resultam em um pulso que pode ser medido em um circuito externo,
• 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.

A energia necessária para produzir pares de elétrons-buraco é muito baixa em comparação com a energia necessária para produzir íons emparelhados em um detector de ionização gasosa . Nos detectores de semicondutores, a variação estatística da altura do pulso é menor e a resolução da energia é maior. Como os elétrons viajam rápido, a resolução do tempo também é muito boa. Comparado aos detectores de ionização gasosa, a densidade de um detector de semicondutor é muito alta e partículas carregadas de alta energia podem liberar sua energia em um semicondutor de dimensões relativamente pequenas.

Detectores de semicondutores à base de silicone

Os detectores de semicondutores à base de silício são usados ​​principalmente para detectores de partículas carregadas (especialmente para rastrear partículas carregadas ) e detectores de raios-X moles, enquanto o germânio é amplamente usado para espectroscopia de raios gama. Um semicondutor grande, limpo e quase perfeito é ideal como um contador para a radioatividade . No entanto, é difícil produzir cristais grandes com pureza suficiente. Os detectores de semicondutores têm, portanto, baixa eficiência, mas fornecem uma medida muito precisa da energia. Os detectores baseados em silício têm ruído suficientemente baixo, mesmo em temperatura ambiente. Isso é causado pelo gap de banda largade silício (Egap = 1,12 eV), o que nos permite operar o detector à temperatura ambiente, mas é preferível o resfriamento para reduzir o ruído. A desvantagem é que os detectores de silício são muito mais caros que as câmaras de nuvem ou de arame e requerem um arrefecimento sofisticado para reduzir as correntes de fuga (ruído). Eles também sofrem degradação ao longo do tempo devido à radiação, no entanto, isso pode ser bastante reduzido graças ao efeito Lázaro.

Aplicação de detectores de silício

Como os detectores à base de silício são muito bons para rastrear partículas carregadas, eles constituem uma parte substancial do sistema de detecção no LHC no CERN. A maioria dos detectores de partículas de silício trabalha, em princípio, dopando tiras estreitas (geralmente com cerca de 100 micrômetros de largura) de silício para transformá-las em diodos, que são então polarizados inversamente. À medida que as partículas carregadas passam por essas tiras, elas causam pequenas correntes de ionização que podem ser detectadas e medidas. Organizar milhares desses detectores em torno de um ponto de colisão em um acelerador de partículas pode fornecer uma imagem precisa de quais caminhos as partículas seguem. Por exemplo, o Sistema de rastreamento interno (ITS) de uma experiência de colisor de íons grandes (ALICE) contém três camadas de detectores baseados em silício:

• Detector de pixels de silicone (SPD)
• Detector de deriva de silício (SDD)
• Detector de tira de silicone (SSD)

Detectores de tira de silicone

Os detectores à base de silício são muito bons para rastrear partículas carregadas. Um detector de tira de silício é um arranjo de implantes em forma de tira que atuam como eletrodos coletores de carga.

Os detectores de fita de silicone com área de 5 x 5 cm ² são bastante comuns e são usados ​​em série (assim como os aviões de MWPCs)) para determinar as trajetórias de partículas carregadas com precisão de posição da ordem de vários μm na direção transversal. Colocados em uma bolacha de silício com baixa dopagem e totalmente empobrecida, esses implantes formam uma matriz unidimensional de diodos. Ao conectar cada uma das tiras metalizadas a um amplificador sensível à carga, é construído um detector sensível à posição. É possível obter medições de posição bidimensionais aplicando uma faixa adicional como doping na parte traseira da bolacha, usando uma tecnologia de dupla face. Esses dispositivos podem ser usados ​​para medir pequenos parâmetros de impacto e, assim, determinar se alguma partícula carregada se originou de uma colisão primária ou foi o produto de decomposição de uma partícula primária que percorreu uma pequena distância da interação original e depois se deteriorou.

Os detectores de fita de silício constituem uma parte substancial do sistema de detecção no LHC no CERN. A maioria dos detectores de partículas de silício trabalha, em princípio, dopando tiras estreitas (geralmente com cerca de 100 micrômetros de largura) de silício para transformá-las em diodos, que são então polarizados inversamente. À medida que as partículas carregadas passam por essas tiras, elas causam pequenas correntes de ionização que podem ser detectadas e medidas. Organizar milhares desses detectores em torno de um ponto de colisão em um acelerador de partículas pode fornecer uma imagem precisa de quais caminhos as partículas seguem.

Por exemplo, o Sistema de rastreamento interno (ITS) de uma experiência de colisor de íons grandes (ALICE) contém três camadas de detectores baseados em silício:

• Detector de pixels de silicone (SPD)
• Detector de deriva de silício (SDD)
• Detector de tira de silicone (SSD)

Delta E – E Detector – Telescópio

Na física experimental, os detectores ΔE-E , conhecidos como telescópios , são dispositivos poderosos para identificação de partículas carregadas . Para fornecer identificação de partículas carregadas, telescópios que consistem em pares de detectores de barreira de superfície finos e espessos podem ser usados. Esses detectores devem ser posicionados em série. A velocidade é deduzida da potência de parada medida nos detectores finos ( detectores ΔE ). Existe uma forte correlação entre a energia depositada em cada detector. Essa correlação depende da massa (A), da carga (Z) e da energia cinética (E) de cada partícula. A massa é deduzida da faixa ou da perda de energia cinética total no detector mais espesso (Detector E ).

Os telescópios podem ser compostos por vários detectores ( câmaras de ionização , detectores de silício e cintiladores, por exemplo) empilhados para desacelerar as partículas carregadas, o primeiro sendo o mais fino e o último o mais espesso. Os contadores de cintilação CsI podem ser, por exemplo, usados ​​como contadores E finais. Como um exemplo de telescópio, um conjunto baseado em dois detectores de silício ΔE dianteiros (10 ou 30 µm) e um contador de silício E com 1500 µm de espessura pode ser usado para a detecção de partículas carregadas de alta energia.

Detectores de semicondutores à base de germânio

Os detectores de semicondutores baseados em 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. Um semicondutor de germânio grande, limpo e quase perfeito é ideal como um contador para a radioatividade. No entanto, é difícil e caro produzir cristais grandes com pureza suficiente. Enquanto os detectores à base de silício não podem ser mais grossos que alguns milímetros, o germânio pode ter uma espessura sensível e esgotada de centímetros e, portanto, pode ser usado como um detector de absorção total para raios gama de até poucos MeV.

Por outro lado, para obter a máxima eficiência, os detectores devem operar a temperaturas muito baixas de nitrogênio líquido (-196 ° C), porque, à temperatura ambiente, o ruído causado pela excitação térmica é muito alto.

Como os detectores de germânio produzem a mais alta resolução atualmente disponível atualmente, eles são usados ​​para medir radiação em uma variedade de aplicações, incluindo monitoramento pessoal e ambiental de contaminação radioativa, aplicações médicas, ensaio radiométrico, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares.

Aplicação de detectores de germânio – espectroscopia 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.