Dosimetria de Radiação

O contador Geiger , também conhecido como contador Geiger-Mueller , é um dispositivo elétrico que detecta vários tipos de radiação ionizante . Este dispositivo recebeu o nome dos dois físicos que inventaram o contador em 1928. Mueller era aluno de Hans Geiger.  O contador Geiger é amplamente utilizado em aplicações como dosimetria de radiação, proteção radiológica , física experimental e indústria nuclear. Um contador Geiger consiste em um tubo Geiger-Müller (o elemento sensor que detecta a radiação) e a eletrônica de processamento, que exibe o resultado.

O contador Geiger pode detectar radiação ionizante, como partículas alfa  e  beta ,  nêutrons e  raios gama,  usando o efeito de ionização produzido em um tubo Geiger-Müller, que dá nome ao instrumento. A tensão do detector é ajustada para que as condições correspondam à região de Geiger-Mueller .

Nesta região, a voltagem é alta o suficiente para fornecer aos elétrons primários aceleração e energia suficientes para que eles possam ionizar átomos adicionais do meio. Esses íons secundários (amplificação de gás) formados também são acelerados, causando um efeito conhecido como avalanches de Townsend . Essas avalanches podem ser desencadeadas e propagadas por fótons emitidos por átomos excitados na avalanche original. Como esses fótons não são afetados pelo campo elétrico, eles podem interagir longe (por exemplo, lateralmente ao eixo) da avalanche primária, todo o tubo Geiger está participando do processo.

Um sinal forte (o fator de amplificação pode atingir cerca de 10 ¹⁰ ) é produzido por essas avalanches com forma e altura, independentemente da ionização primária e da energia do fóton detectado. O pulso de tensão neste caso seria um grande e facilmente detectável ± 1,6 V. A vantagem técnica de um contador Geiger é sua simplicidade de construção e sua insensibilidade a pequenas flutuações de tensão. É muito útil para medição geral de radiação nuclear, mas tem duas desvantagens importantes.

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  Como a altura do pulso é independente do tipo e energia da radiação, a discriminação não é possível. Não há informações sobre a natureza da ionização que causou o pulso.

• 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 conseguem medir altas taxas de radiação devido ao ” tempo morto ” do tubo.

Há uma diferença sutil, mas importante, entre as câmaras de ionização e os contadores Geiger . Uma câmara de ionização produzirá uma corrente proporcional ao número de elétrons coletados a cada segundo (não ocorre amplificação). Essa corrente é calculada pela média e é usada para conduzir uma leitura de exibição em Bq ou μSv / h. Os contadores proporcionais e Geiger não funcionam dessa maneira. Em vez disso, eles amplificam cada uma das explosões individuais de ionização para que cada evento ionizante seja detectado separadamente. Eles, portanto, medem o número de eventos ionizantes (é por isso que são chamados contadores). Enquanto as câmaras de ionização podem ser operadas no modo atual ou de pulso, os contadores proporcionais ou Geiger são quase sempre usados ​​emmodo de pulso . Ao contrário dos contadores proporcionais, os contadores GM são usados ​​principalmente para instrumentação portátil devido à sua sensibilidade, circuito simples de contagem e capacidade de detectar radiação de baixo nível.

Princípio básico dos contadores Geiger

O contador Geiger possui um cátodo e um ânodo que são mantidos em alta tensão, e o dispositivo é caracterizado por uma capacitância determinada pela geometria dos eletrodos. 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 um gás halogênio para evitar pulsações espúrias, extinguindo as avalanches de elétrons.

À medida que a radiação ionizante entra no gás entre os eletrodos, um número finito de pares de íons é formado. No ar, a energia média necessária para produzir um íon é de cerca de 34 eV; portanto, uma radiação de 1 MeV completamente absorvida no detector produz cerca de 3 x 10 ⁴par de íons. O comportamento dos pares de íons resultantes é afetado pelo gradiente de potencial do campo elétrico dentro do gás e pelo tipo e pressão do gás de enchimento. Sob a influência do campo elétrico, os íons positivos se moverão em direção ao eletrodo carregado negativamente (cilindro externo) e os íons negativos (elétrons) migrarão em direção ao eletrodo positivo (fio central). O campo elétrico nessa região impede que os íons se recombinem com os elétrons. Nas imediações do fio do ânodo, a força do campo se torna grande o suficiente para produzir avalanches de Townsend. Essas avalanches podem ser desencadeadas e propagadas por fótons emitidos por átomos excitados na avalanche original. Como esses fótons não são afetados pelo campo elétrico, eles podem interagir longe (por exemplo, lateralmente ao eixo) da avalanche primária, todo o tubo Geiger está participando do processo. Um sinal forte (o fator de amplificação pode atingir cerca de 10 ¹⁰ ) é produzido por essas avalanches com forma e altura, independentemente da ionização primária e da energia do fóton detectado. O alto fator de amplificação do contador Geiger é a principal vantagem sobre a câmara de ionização. O contador Geiger é, portanto, um dispositivo muito mais sensível do que outras câmaras. É frequentemente usado na detecção de raios gama de baixo nível e partículas beta por esse motivo.

Como os íons positivos não se afastam da região da avalanche, uma nuvem de íons carregada positivamente perturba o campo elétrico e encerra o processo da avalanche. Na prática, o término da avalanche é melhorado pelo uso de técnicas de “extinção” .

A coleta de todos esses elétrons produzirá uma carga nos eletrodos e um pulso elétrico no circuito de detecção. Cada pulso corresponde a uma interação de raios gama ou nêutrons. A altura do pulso não é proporcional ao número de elétrons originais produzidos. Portanto, os contadores Geiger não são capazes de identificar partículas e medir energia (espectroscopia). Como o processo de amplificação de carga melhora muito a relação sinal / ruído do detector, a amplificação eletrônica subsequente geralmente não é necessária.

Têmpera – tempo morto – contadores Geiger

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 frequentemente utilizados 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 com o ganho 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 disparar uma série de pulsos. Na prática, o término da avalanche é melhorado pelo uso de Técnicas 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.

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

Detecção de radiação alfa, beta e gama usando o contador Geiger-Mueller

Os contadores Geiger são usados ​​principalmente para instrumentação portátil devido à sua sensibilidade, circuito simples de contagem e capacidade de detectar radiação de baixo nível. Embora o uso principal dos contadores Geiger seja provavelmente na detecção individual de partículas, eles também são encontrados em medidores gama. Eles são capazes de detectar quase todos os tipos de radiação, mas há pequenas diferenças no tubo Geiger-Mueller. No entanto, o tubo Geiger-Müller produz uma saída de pulso que é da mesma magnitude para toda a radiação detectada; portanto, um contador Geiger com um tubo na janela final não consegue distinguir entre partículas alfa e beta.

Existem dois tipos principais de construção de tubos Geiger :

• Tipo de janela final . Para que partículas alfa e beta sejam detectadas pelos contadores Geiger, elas devem ser fornecidas com uma janela fina . Essa ” janela final ” deve ser fina o suficiente para que as partículas alfa e beta penetrem. No entanto, uma janela de quase qualquer espessura impedirá que uma partícula alfa entre na câmara. A janela é geralmente feita de mica com uma densidade de cerca de 1,5 – 2,0 mg / cm ²para permitir que partículas beta de baixa energia (por exemplo, do carbono 14) entrem no detector. A redução de eficiência para alfa é devida ao efeito de atenuação da janela final, embora a distância da superfície verificada também tenha um efeito significativo, e idealmente uma fonte de radiação alfa deve estar a menos de 10 mm do detector devido à atenuação no ar.
• Tipo sem janelas . Os raios gama têm muito pouco problema em penetrar nas paredes metálicas da câmara. Portanto, os contadores Geiger podem ser usados ​​para detectar radiação gama e raios-X (tubos de paredes finas) conhecidos coletivamente como fótons, e para isso o tubo sem janelas é usado.
  • Um tubo de parede espessa é usado para detecção de radiação gama acima de energias de cerca de 25 KeV, esse tipo geralmente tem uma espessura total de parede de cerca de 1-2 mm de aço cromado.
  • Um tubo de paredes finas é usado para fótons de baixa energia (raios X ou raios gama) e partículas beta de alta energia. A transição do projeto de paredes finas para paredes espessas ocorre nos níveis de energia de 300 a 400 keV. Acima desses níveis, são utilizados projetos de paredes espessas e, abaixo desses níveis, o efeito de ionização direta de gás é predominante.

Às vezes, um design de “panqueca” do tubo Geiger-Mueller é preferido. Este detector é um tubo Geiger plano com uma fina janela de mica de uma área maior. Tubos Geiger planos como esse são conhecidos como tubos de “panqueca”. Tais tubos são equipados com uma tela de arame para protegê-los. Esse projeto fornece maior área de detecção e, portanto, maior eficiência para tornar a verificação mais rápida. No entanto, a pressão da atmosfera contra a baixa pressão do gás de enchimento limita o tamanho da janela devido à resistência limitada da membrana da janela.

Detecção de nêutrons usando o contador Geiger

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.).

Não é comum, mas os contadores Geiger também podem ser usados ​​para a detecção de nêutrons. Nesse caso, o tubo Geiger-Mueller deve ter o interior do tubo revestido com boro ou o tubo deve conter trifluoreto de boro (BF ₃ ) ou hélio-3 como gás de enchimento.

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.

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 de estado sólido, esse gap de energia ou gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de conduçãoonde 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.

Tipos de semicondutores

Materiais semicondutores

Existem muitos tipos de semicondutores na natureza e outros sintetizados em laboratórios; no entanto, os mais conhecidos são silício (Si) e germânio (Ge).

Tipos de semicondutores:

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  Silício. O silício é um elemento químico com número atômico 14, o que significa que existem 14 prótons e 14 elétrons na estrutura atômica. O símbolo químico para o silício é Si . O silício é um sólido cristalino duro e quebradiço com um brilho metálico cinza-azulado, é um metalóide e semicondutor tetravalente. O silício é usado principalmente para detectores de partículas carregadas (especialmente para rastrear partículas carregadas) e detectores de raios-X moles. A energia de grande intervalo de banda (Egap = 1,12 eV) nos permite operar o detector à temperatura ambiente, mas é preferível o resfriamento para reduzir o ruído. Os detectores baseados em silício são muito importantes na física de alta energia. 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.

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  Germânio. O germânio é um elemento químico com número atômico 32, o que significa que existem 32 prótons e 32 elétrons na estrutura atômica. O símbolo químico do germânio é Ge . O germânio é um metalóide brilhante, duro, branco-acinzentado no grupo carbono, quimicamente semelhante aos vizinhos do grupo, estanho e silício. O germânio puro é um semicondutor com aparência semelhante ao silício elementar. O germânio é amplamente utilizado para espectroscopia de raios gama. 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. O germânio é mais usado que o silício para detecção de radiação, porque a energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio, o que fornece ao último uma melhor resolução em energia. Por outro lado, o germânio possui uma energia de gap de banda pequena ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas.

• Diamond . O diamante é uma forma sólida do elemento carbono, com seus átomos dispostos em uma estrutura de cristal chamada diamante cúbico. Os diamantes também são bons isoladores elétricos, o que estranhamente é útil e problemático para dispositivos elétricos. O diamante é um semicondutor de banda larga (Egap = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Os detectores de diamante têm muitas semelhanças com os detectores de silício, mas espera-se que ofereçam vantagens significativas, em particular uma alta dureza de radiação e correntes de desvio muito baixas.
• CdTe e CdZnTe. O telureto de cádmio (CdTe) e o telureto de cádmio e zinco (CdZnTe) foram considerados como materiais semicondutores promissores para a detecção de raios-X e raios gama. O alto número atômico e a alta densidade desses materiais significam que eles podem atenuar efetivamente raios-X e raios gama com energias superiores a 20 keV que os sensores tradicionais à base de silício não conseguem detectar. Isso aumenta significativamente sua eficiência quântica em comparação com os baseados em silício. A energia de grande intervalo de banda (Egap = 1,44 eV) permite operar o detector à temperatura ambiente. Por outro lado, uma quantidade considerável de perda de carga nesses detectores produz uma resolução de energia reduzida.

Semicondutor intrínseco – Pure Semiconductor

Um semicondutor intrínseco é um semicondutor completamente puro sem nenhuma espécie dopante significativa presente. Portanto, os semicondutores intrínsecos também são conhecidos como semicondutores puros ou semicondutores do tipo i.

O número de portadores de carga em determinada temperatura é, portanto, determinado pelas propriedades do próprio material em vez da quantidade de impurezas. Observe que uma amostra de 1 cm ³ de germânio puro a 20 ° C contém cerca de 4,2 × 10 ²² átomos, mas também contém cerca de 2,5 x 10 ¹³ elétrons livres e 2,5 x 10 ¹³ orifícios. Esses transportadores de carga são produzidos por excitação térmica. Nos semicondutores intrínsecos, o número de elétrons excitados e o número de orifícios são iguais: n = p . Elétrons e orifícios são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Um buraco de elétrons(geralmente chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que um poderia existir em um átomo ou estrutura atômica. Essa igualdade pode até ser o caso após a dopagem do semicondutor, embora apenas se for dopada com doadores e aceitadores da mesma forma. Nesse caso, n = p ainda é válido e o semicondutor permanece intrínseco, embora dopado.

Os semicondutores têm um gap de energia menor que 4eV (cerca de 1eV). As folgas de banda são naturalmente diferentes para diferentes materiais. Por exemplo, o diamante é um semicondutor de banda larga (Egap = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Por outro lado, o germânio possui uma energia de gap de banda pequena ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas. 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 o espaço da banda e alcançar a banda de condução.

Semicondutores intrínsecos, no entanto, não são muito úteis, pois não são bons isolantes nem muito bons condutores. No entanto, uma característica importante dos semicondutores é que sua condutividade pode ser aumentada e controlada dopando com impurezas e bloqueando com campos elétricos. Lembre-se, uma amostra de 1 cm ³ de germânio puro a 20 ° C contém cerca de 4,2 × 10 ²² átomos, mas também contém cerca de 2,5 x 10 ¹³ elétrons livres e 2,5 x 10 ¹³ buracos constantemente gerados a partir de energia térmica. A absorção total de um fóton de 1 MeV produz cerca de 3 x 10 ⁵ pares de furos de elétrons . Este valor é menor em comparação com o número total de transportadoras gratuitas em um 1 cm ³semicondutor intrínseco. 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 ¹⁷ 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. Como o germânio possui um intervalo de banda relativamente baixo, esses detectores devem ser resfriados para reduzir a geração térmica de portadores de carga para um nível aceitável. Caso contrário, o ruído induzido pela corrente de fuga destrói a resolução de energia do detector. O doping e a passagem movem a banda de condução ou valência muito mais perto do nível de Fermi e aumentam bastante o número de estados parcialmente preenchidos.

Semicondutores extrínsecos – Semicondutores dopados

Um semicondutor extrínseco , ou semicondutor dopado , é um semicondutor que foi dopado intencionalmente com o objetivo de modular suas propriedades elétricas, ópticas e estruturais. No caso de detectores semicondutores de radiação ionizante, o doping é a introdução intencional de impurezas em um semicondutor intrínseco com o objetivo de alterar suas propriedades elétricas. Portanto, os semicondutores intrínsecos também são conhecidos como semicondutores puros ou semicondutores do tipo i.

A adição de uma pequena porcentagem de átomos estranhos na rede cristalina regular de silício ou germânio produz mudanças dramáticas em suas propriedades elétricas, uma vez que esses átomos estranhos incorporados na estrutura cristalina do semicondutor fornecem portadores de carga gratuitos (elétrons ou orifícios de elétrons) no semicondutor. Em um semicondutor extrínseco, são esses átomos contaminantes estranhos na estrutura cristalina que fornecem principalmente os portadores de carga que transportam corrente elétrica através do cristal. Em geral, existem dois tipos de átomos contaminantes, resultando em dois tipos de semicondutores extrínsecos. Esses dopantes que produzem as alterações controladas desejadas são classificados como aceitadores ou doadores de elétrons e os semicondutores dopados correspondentes são conhecidos como:

• Semicondutores do tipo n.
• Semicondutores do tipo p.

Os semicondutores extrínsecos são componentes de muitos dispositivos elétricos comuns, bem como de muitos detectores de radiação ionizante. Para esse propósito, um diodo semicondutor (dispositivos que permitem corrente em apenas uma direção) geralmente consiste em semicondutores do tipo p e do tipo n colocados em junção um com o outro.

Semicondutores do tipo n

Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos de doadores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo n, porque a maioria dos portadores de carga no cristal são elétrons negativos. Como o silício é um elemento tetravalente, a estrutura cristalina normal contém 4 ligações covalentes de quatro elétrons de valência. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Os elementos do grupo V (pentavalentes) possuem cinco elétrons de valência, o que lhes permite atuar como doadores. Isso significa que a adição dessas impurezas pentavalentes, como arsênico, antimônio ou fósforo, contribui com elétrons livres, aumentando consideravelmente a condutividade do semicondutor intrínseco. Por exemplo, um cristal de silício dopado com boro (grupo III) cria um semicondutor do tipo p, enquanto um cristal dopado com fósforo (grupo V) resulta em um semicondutor do tipo n.

Os elétrons de condução são completamente dominados pelo número de elétrons doadores . Portanto:

O número total de electrões de condução é, aproximadamente, igual ao número de locais dadores, n≈N _D .

A neutralidade da carga do material semicondutor é mantida porque os locais doadores excitados equilibram os elétrons de condução. O resultado final é que o número de elétrons de condução é aumentado, enquanto o número de orifícios é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas bandas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os elétrons são portadores majoritários, enquanto os orifícios são portadores minoritários em material do tipo n.

Semicondutores do tipo p

Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos receptores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo p , porque a maioria dos portadores de carga no cristal são orifícios de elétrons (portadores de carga positiva). O silício semicondutor puro é um elemento tetravalente , a estrutura cristalina normal contém 4 ligações covalentes de quatro elétrons de valência. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Os elementos do grupo III (trivalentes) contêm três elétrons de valência, fazendo com que funcionem como aceitadores quando usados ​​para dopar o silício. Quando um átomo aceitador substitui um átomo de silício tetravalente no cristal, um estado vago (um buraco de elétrons) é criado. Um buraco de elétron (muitas vezes chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que um poderia existir em um átomo ou estrutura atômica. É um dos dois tipos de portadores de carga responsáveis ​​pela criação de corrente elétrica em materiais semicondutores. Esses orifícios carregados positivamente podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições. A adição de impurezas trivalentes como boro , alumínio ou gáliopara um semicondutor intrínseco cria esses orifícios de elétrons positivos na estrutura. Por exemplo, um cristal de silício dopado com boro (grupo III) cria um semicondutor do tipo p, enquanto um cristal dopado com fósforo (grupo V) resulta em um semicondutor do tipo n.

O número de orifícios de elétrons é completamente dominado pelo número de locais aceitadores. Portanto:

O número total de orifícios é aproximadamente igual ao número de locais dadores, p ≈ N _A .

A neutralidade de carga deste material semicondutor também é mantida. O resultado final é que o número de orifícios de elétrons é aumentado, enquanto o número de elétrons de condução é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas faixas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os orifícios de elétrons são portadores majoritários , enquanto os elétrons são portadores minoritários em material do tipo p.

A junção PN – junção polarizada reversa

O detector de semicondutores opera muito melhor como detector de radiação se uma tensão externa for aplicada através da junção na direção inversa . A região de depleção funcionará como um detector de radiação. A melhoria pode ser alcançada pelo uso de uma tensão de polarização reversa na junção PN para esgotar o detector de portadoras livres, que é o princípio da maioria dos detectores semicondutores. A polarização reversa de uma junção aumenta a espessura da região de depleção porque a diferença de potencial entre a junção é aprimorada. Os detectores de germânio têm uma estrutura de pinosem que a região intrínseca (i) é sensível à radiação ionizante, particularmente raios X e raios gama. Sob polarização reversa, um campo elétrico se estende pela região intrínseca ou esgotada. 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. Essa carga, que é proporcional à energia depositada no detector pelo fóton recebido, é convertida em um pulso de tensão por um pré-amplificador sensível à carga integral.

Veja também: Detectores de germânio, MIRION Technologies. <disponível em: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Detectores germânio hiper-puro ( detectores HPGe ) são a melhor solução para espectroscopia precisa de raios gama e raios-x . Em comparação com os detectores de silício , o germânio é muito mais eficiente do que o silício para a detecção de radiação devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e à menor energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios , que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio. Devido ao seu número atômico mais alto, o Ge possui um coeficiente de atenuação linear muito maior, o que leva a um caminho livre médio mais curto. Além disso, os detectores de silício não podem ser mais grossos do que alguns milímetros, enquanto o germânio pode ter um esgotamento,espessura sensível de centímetros e, portanto, pode ser usado como um detector de absorção total para raios gama de até poucos MeV.

Antes que as atuais técnicas de purificação fossem refinadas, os cristais de germânio não podiam ser produzidos com pureza suficiente para permitir seu uso como detectores de espectroscopia. A pureza de um material detector é da maior importância. A coleta de pares de elétrons e orifícios no detector deve ser realizada dentro de um prazo razoavelmente curto. Além disso, não deve haver armadilhas que os impeçam de alcançar os contatos de coleta. Os centros de captura podem ser devidos a:

• Impurezas na rede de semicondutores
• Átomos e vagas intersticiais na rede devido a defeitos estruturais
• Átomos intersticiais causados ​​por dano por radiação

As impurezas nos cristais retêm elétrons e orifícios, prejudicando o desempenho dos detectores. Consequentemente, os cristais de germânio foram dopados com íons de lítio (Ge (Li)), a fim de produzir uma região intrínseca na qual os elétrons e buracos seriam capazes de alcançar os contatos e produzir um sinal.

Para obter a máxima eficiência, os detectores de HPGe 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 HPGe produzem a mais alta resolução comumente disponível atualmente, eles são usados ​​para medir radiação em diversas aplicações, incluindo monitoramento pessoal e ambiental de contaminação radioativa, aplicações médicas, ensaio radiométrico, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares.

Peças dos detectores HPGe

A principal desvantagem dos detectores de germânio é que eles devem ser resfriados a temperaturas de nitrogênio líquido. Como o germânio possui um intervalo de banda relativamente baixo , esses detectores devem ser resfriados para reduzir a geração térmica de portadores de carga para um nível aceitável. Caso contrário, o ruído induzido pela corrente de fuga destrói a resolução de energia do detector. Lembre-se, a diferença de banda (uma distância entre a valência e a banda de condução ) é muito baixa para o germânio (Egap = 0,67 eV). O resfriamento até a temperatura do nitrogênio líquido (-195,8 ° C; -320 ° F) reduz as excitações térmicas dos elétrons de valência, de modo que apenas uma interação de raios gama pode fornecer ao elétron a energia necessária para atravessar o intervalo da banda e alcançar a banda de condução.

Portanto, os detectores HPGe geralmente são equipados com um criostato . Os cristais de germânio são mantidos dentro de um recipiente de metal evacuado, conhecido como suporte do detector . O suporte do detector e a “tampa” são finos para evitar a atenuação de fótons de baixa energia. O suporte é geralmente feito de alumínio e normalmente tem 1 mm de espessura. A tampa também é geralmente feita de alumínio. O cristal HPGe dentro do suporte está em contato térmico com uma haste de metal chamada dedo frio . O dedo frio transfere o calor do conjunto do detector para o reservatório de nitrogênio líquido (LN ₂ ). A combinação do recipiente de metal a vácuo, o dedo frio e o balão Dewarpara o nitrogênio líquido criogênico é chamado o criostato. O pré-amplificador do detector de germânio é normalmente incluído como parte do pacote de criostato. Como o pré-amplificador deve estar localizado o mais próximo possível, para que a capacitância geral possa ser minimizada, o pré-amplificador é instalado juntos. Os estágios de entrada do pré-amplificador também são resfriados. O dedo frio se estende além do limite de vácuo do criostato para um balão Dewar que é preenchido com nitrogênio líquido. A imersão do dedo frio no nitrogênio líquido mantém o cristal HPGe a uma temperatura baixa constante. A temperatura do nitrogênio líquido é mantida constante a 77 K (-195,8 ° C; -320 ° F) por ebulição lenta do líquido, resultando na evolução do gás nitrogênio. Dependendo do tamanho e design, o tempo de espera dos frascos a vácuo varia de algumas horas a algumas semanas.

O resfriamento com nitrogênio líquido é inconveniente, pois o detector requer horas para esfriar até a temperatura operacional antes de poder ser usado e não pode aquecer durante o uso. Os detectores HPGe podem aquecer até a temperatura ambiente quando não estiverem em uso . Deve-se notar que nunca foi possível aquecer os cristais de Ge (Li), pois o lítio flutuava para fora do cristal, arruinando o detector.

Tornaram-se disponíveis sistemas comerciais que utilizam técnicas avançadas de refrigeração (por exemplo, um  resfriador de tubo de pulso ) para eliminar a necessidade de resfriamento com nitrogênio líquido. Este sistema de refrigeração é um criostato elétrico, completamente livre de LN ₂ .

Veja também: Detectores de germânio, MIRION Technologies. <disponível em: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Detector HPGe – Princípio de operação

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

• A radiação ionizante entra no volume sensível ( cristal de germânio ) do detector e interage com o material semicondutor.
• O fóton de alta energia que passa pelo detector ioniza 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.
• Como o germânio pode ter uma espessura sensível e esgotada de centímetros, eles são capazes de absorver totalmente os fótons de alta energia  (até alguns MeV).
• 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.

Em todos os casos, um fóton deposita uma parte de sua energia ao longo do caminho e pode ser absorvido totalmente. A absorção total de um fóton de 1 MeV produz cerca de 3 x 10 ⁵ pares de furos de elétrons. Este valor é menor em comparação com o número total de portadores livres em de 1 cm ³ semicondutor intrínseco . As partículas que passam pelo detector ionizam os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco. Mas em detectores à base de germânio à temperatura ambiente, a excitação térmica é dominante. É causada por impurezas, irregularidade na estrutura ou dopante . Depende fortemente da _diferença E(uma distância entre a valência e a banda de condução), que é muito baixa para o germânio (Egap = 0,67 eV). Como a excitação térmica resulta no ruído do detector, é necessário um resfriamento ativo para alguns tipos de semicondutores (por exemplo, germânio).

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

Junção polarizada inversa

O detector de semicondutores opera muito melhor como detector de radiação se uma tensão externa for aplicada através da junção na direção inversa . A região de depleção funcionará como um detector de radiação. A melhoria pode ser alcançada pelo uso de uma tensão de polarização reversa na junção PNesgotar o detector de portadores livres, que é o princípio da maioria dos detectores de semicondutores. A polarização reversa de uma junção aumenta a espessura da região de depleção porque a diferença de potencial entre a junção é aprimorada. Os detectores de germânio possuem uma estrutura de pinos na qual a região intrínseca (i) é sensível à radiação ionizante, particularmente os raios X e raios gama. Sob polarização reversa, um campo elétrico se estende pela região intrínseca ou esgotada. 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. Essa carga, que é proporcional à energia depositada no detector pelo fóton recebido,

Veja também: Detectores de germânio, MIRION Technologies. <disponível em: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

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.

Os detectores de semicondutores à base de germânio são mais comumente usados ​​onde é necessária uma resolução muito boa de energia , 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. 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.

Detector de germânio – princípio de operação

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

• A radiação ionizante entra no volume sensível ( cristal de germânio ) do detector e interage com o material semicondutor.
• O fóton de alta energia que passa pelo detector ioniza 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.
• Como o germânio pode ter uma espessura sensível e esgotada de centímetros, eles são capazes de absorver totalmente os fótons de alta energia  (até alguns MeV).
• 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.

Em todos os casos, um fóton deposita uma parte de sua energia ao longo do caminho e pode ser absorvido totalmente. A absorção total de um fóton de 1 MeV produz cerca de 3 x 10 ⁵ pares de furos de elétrons. Este valor é menor em comparação com o número total de portadores livres em de 1 cm ³ semicondutor intrínseco . As partículas que passam pelo detector ionizam os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco. Mas em detectores à base de germânio à temperatura ambiente, a excitação térmica é dominante. É causada por impurezas, irregularidades na estrutura ou dopante . Depende fortemente da _diferença E(uma distância entre a valência e a banda de condução), que é muito baixa para o germânio (Egap = 0,67 eV). Como a excitação térmica resulta no ruído do detector, é necessário um resfriamento ativo para alguns tipos de semicondutores (por exemplo, germânio).

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

Detectores de semicondutores à base de germânio

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. 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 do 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 comumente disponível atualmente, eles são usados ​​para medir radiação em diversas aplicações, incluindo monitoramento pessoal e ambiental de contaminação radioativa, aplicações médicas, ensaio radiométrico, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares.

Detector de germânio – princípio de operação

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

• A radiação ionizante entra no volume sensível ( cristal de germânio ) do detector e interage com o material semicondutor.
• O fóton de alta energia que passa pelo detector ioniza 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.
• Como o germânio pode ter uma espessura sensível e esgotada de centímetros, eles são capazes de absorver totalmente os fótons de alta energia  (até alguns MeV).
• 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.

Em todos os casos, um fóton deposita uma parte de sua energia ao longo do caminho e pode ser absorvido totalmente. A absorção total de um fóton de 1 MeV produz cerca de 3 x 10 ⁵ pares de furos de elétrons. Este valor é menor em comparação com o número total de portadores livres em de 1 cm ³ semicondutor intrínseco . As partículas que passam pelo detector ionizam os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco. Mas em detectores à base de germânio à temperatura ambiente, a excitação térmica é dominante. É causada por impurezas, irregularidade na estrutura ou dopante . Depende fortemente da _diferença E(uma distância entre a valência e a banda de condução), que é muito baixa para o germânio (Egap = 0,67 eV). Como a excitação térmica resulta no ruído do detector, é necessário um resfriamento ativo para alguns tipos de semicondutores (por exemplo, germânio).

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

Junção polarizada inversa

O detector de semicondutores opera muito melhor como detector de radiação se uma tensão externa for aplicada através da junção na direção inversa . A região de depleção funcionará como um detector de radiação. A melhoria pode ser alcançada pelo uso de uma tensão de polarização reversa na junção PNesgotar o detector de portadores livres, que é o princípio da maioria dos detectores de semicondutores. A polarização reversa de uma junção aumenta a espessura da região de depleção porque a diferença de potencial entre a junção é aprimorada. Os detectores de germânio possuem uma estrutura de pinos na qual a região intrínseca (i) é sensível à radiação ionizante, particularmente os raios X e raios gama. Sob polarização reversa, um campo elétrico se estende pela região intrínseca ou esgotada. 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. Essa carga, que é proporcional à energia depositada no detector pelo fóton recebido,

Veja também: Detectores de germânio, MIRION Technologies. <disponível em: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

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.

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 de estado sólido, esse gap de energia ou gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de conduçãoonde 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.

Materiais semicondutores

Existem muitos tipos de semicondutores na natureza e outros sintetizados em laboratórios; no entanto, os mais conhecidos são silício (Si) e germânio (Ge).

Tipos de semicondutores:

• 

  Silício. O silício é um elemento químico com número atômico 14, o que significa que existem 14 prótons e 14 elétrons na estrutura atômica. O símbolo químico do silicone é Si . O silício é um sólido cristalino duro e quebradiço com um brilho metálico cinza-azulado, é um metalóide e semicondutor tetravalente. O silício é usado principalmente para detectores de partículas carregadas (especialmente para rastrear partículas carregadas) e detectores de raios-X moles. A energia de grande intervalo de banda (Egap = 1,12 eV) permite operar o detector à temperatura ambiente, mas é preferível o resfriamento para reduzir o ruído. Os detectores baseados em silício são muito importantes na física de alta energia. 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.

• 

  Germânio. O germânio é um elemento químico com número atômico 32, o que significa que existem 32 prótons e 32 elétrons na estrutura atômica. O símbolo químico do germânio é Ge . O germânio é um metalóide lustroso, duro, branco-acinzentado no grupo carbono, quimicamente semelhante aos vizinhos do grupo, estanho e silício. O germânio puro é um semicondutor com aparência semelhante ao silício elementar. O germânio é amplamente utilizado para espectroscopia de raios gama. 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. O germânio é mais usado que o silício para detecção de radiação, porque a energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios é de 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio, o que fornece ao último uma melhor resolução em energia. Por outro lado, o germânio possui uma energia de gap de banda pequena ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas.

• Diamond . O diamante é uma forma sólida do elemento carbono com seus átomos dispostos em uma estrutura de cristal chamada diamante cúbico. Os diamantes também são muito bons isoladores elétricos, o que estranhamente é útil e problemático para dispositivos elétricos. O diamante é um semicondutor de banda larga (Egap = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Os detectores de diamante têm muitas semelhanças com os detectores de silício, mas espera-se que ofereçam vantagens significativas, em particular uma alta dureza de radiação e correntes de desvio muito baixas.
• CdTe e CdZnTe. O telureto de cádmio (CdTe) e o telureto de cádmio e zinco (CdZnTe) foram considerados como materiais semicondutores promissores para detecção de raios-X e raios gama. O alto número atômico e a alta densidade desses materiais significam que eles podem atenuar efetivamente raios X e raios gama com energias superiores a 20 keV que os sensores tradicionais à base de silício não conseguem detectar. Isso aumenta significativamente sua eficiência quântica em comparação com os baseados em silício. A grande energia de gap de banda (Egap = 1,44 eV) permite operar o detector em temperatura ambiente. Por outro lado, uma quantidade considerável de perda de carga nesses detectores produz uma resolução de energia reduzida.

Pure Semiconductor

Um semicondutor intrínseco é um semicondutor completamente puro sem nenhuma espécie dopante significativa presente. Portanto, os semicondutores intrínsecos também são conhecidos como semicondutores puros ou semicondutores do tipo i.

O número de portadores de carga em determinada temperatura é, portanto, determinado pelas propriedades do próprio material em vez da quantidade de impurezas. Observe que uma amostra de 1 cm ³ de germânio puro a 20 ° C contém cerca de 4,2 × 10 ²² átomos, mas também contém cerca de 2,5 x 10 ¹³ elétrons livres e 2,5 x 10 ¹³ orifícios. Esses transportadores de carga são produzidos por excitação térmica. Nos semicondutores intrínsecos, o número de elétrons excitados e o número de orifícios são iguais: n = p . Elétrons e orifícios são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Um buraco de elétrons(geralmente chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que um poderia existir em um átomo ou estrutura atômica. Essa igualdade pode até ser o caso após a dopagem do semicondutor, embora apenas se for dopada com doadores e aceitadores da mesma forma. Nesse caso, n = p ainda é válido e o semicondutor permanece intrínseco, embora dopado.

Os semicondutores têm um gap de energia menor que 4eV (cerca de 1eV). As folgas de banda são naturalmente diferentes para diferentes materiais. Por exemplo, o diamante é um semicondutor de banda larga (Egap = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Por outro lado, o germânio possui uma energia de gap de banda pequena ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas. 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 o espaço da banda e alcançar a banda de condução.

Semicondutores intrínsecos, no entanto, não são muito úteis, pois não são bons isolantes nem muito bons condutores. No entanto, uma característica importante dos semicondutores é que sua condutividade pode ser aumentada e controlada dopando com impurezas e bloqueando com campos elétricos. Lembre-se, uma amostra de 1 cm ³ de germânio puro a 20 ° C contém cerca de 4,2 × 10 ²² átomos, mas também contém cerca de 2,5 x 10 ¹³ elétrons livres e 2,5 x 10 ¹³ buracos constantemente gerados a partir de energia térmica. A absorção total de um fóton de 1 MeV produz cerca de 3 x 10 ⁵ pares de furos de elétrons . Este valor é menor em comparação com o número total de transportadoras gratuitas em um 1 cm ³semicondutor intrínseco. 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 ¹⁷ 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. Como o germânio possui um intervalo de banda relativamente baixo, esses detectores devem ser resfriados para reduzir a geração térmica de portadores de carga para um nível aceitável. Caso contrário, o ruído induzido pela corrente de fuga destrói a resolução de energia do detector. O doping e a passagem movem a banda de condução ou valência muito mais perto do nível de Fermi e aumentam bastante o número de estados parcialmente preenchidos.

Semicondutores dopados

Um semicondutor extrínseco , ou semicondutor dopado , é um semicondutor que foi dopado intencionalmente com o objetivo de modular suas propriedades elétricas, ópticas e estruturais. No caso de detectores semicondutores de radiação ionizante, o doping é a introdução intencional de impurezas em um semicondutor intrínseco com o objetivo de alterar suas propriedades elétricas. Portanto, os semicondutores intrínsecos também são conhecidos como semicondutores puros ou semicondutores do tipo i.

A adição de uma pequena porcentagem de átomos estranhos na rede cristalina regular de silício ou germânio produz mudanças dramáticas em suas propriedades elétricas, uma vez que esses átomos estranhos incorporados na estrutura cristalina do semicondutor fornecem portadores de carga gratuitos (elétrons ou orifícios de elétrons) no semicondutor. Em um semicondutor extrínseco, são esses átomos contaminantes estranhos na estrutura cristalina que fornecem principalmente os portadores de carga que transportam corrente elétrica através do cristal. Em geral, existem dois tipos de átomos contaminantes, resultando em dois tipos de semicondutores extrínsecos. Esses dopantes que produzem as alterações controladas desejadas são classificados como aceitadores ou doadores de elétrons e os semicondutores dopados correspondentes são conhecidos como:

• Semicondutores do tipo n .
• Semicondutores do tipo p .

Os semicondutores extrínsecos são componentes de muitos dispositivos elétricos comuns, bem como de muitos detectores de radiação ionizante. Para esse propósito, um diodo semicondutor (dispositivos que permitem corrente em apenas uma direção) geralmente consiste em semicondutores do tipo p e do tipo n colocados em junção um com o outro.

A detecção da radiação alfa é muito específica, porque as partículas alfa viajam apenas alguns centímetros no ar, mas depositam todas as suas energias ao longo de seus caminhos curtos, portanto, a quantidade de energia transferida é muito alta.

Para descrever os princípios de detecção da radiação alfa, precisamos entender a interação da radiação com a matéria . Cada tipo de partícula interage de maneira diferente, portanto, devemos descrever a interação das partículas alfa (radiação como um fluxo dessas partículas) separadamente.

Interação de partículas carregadas pesadas com matéria

A radiação alfa consiste em partículas alfa em alta energia / velocidade. A produção de partículas alfa é denominada decaimento alfa . As partículas alfa consistem em dois prótons e dois nêutrons unidos em uma partícula idêntica a um núcleo de hélio. As partículas alfa são relativamente grandes e carregam uma carga positiva dupla. Eles não são muito penetrantes e um pedaço de papel pode detê-los. 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.

A distância necessária para que a partícula descanse é chamada de faixa. A faixa de partículas carregadas pesadas em sólidos é de apenas alguns mícrons e, portanto, a maior parte da energia dessas partículas é convertida em calor muito próximo ao ponto de sua criação. No caso de gases, o alcance aumenta para alguns centímetros, dependendo dos parâmetros do gás (densidade, tipo de gás etc.) Essa distância é muito importante para os detectores e determina significativamente o design de todos os detectores. Nos materiais, a trajetória de partículas carregadas pesadas não é muito afetada, porque elas interagem principalmente com elétrons atômicos leves. Outras partículas carregadas, como os prótons, se comportam de maneira semelhante com uma exceção – para partículas carregadas mais leves, os intervalos são um pouco mais longos.

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. Por exemplo, o intervalo de uma partícula alfa de 5 MeV é de aproximadamente apenas 0,002 cm em liga de alumínio. A maioria das partículas alfa pode ser parada por uma folha de papel comum ou tecido vivo.

Detectores de radiação alfa

Os detectores também podem ser classificados de acordo com materiais e métodos sensíveis que podem ser utilizados para fazer uma medição:

• Detectores de ionização gasosa
• Detectores de cintilação
• Detectores de semicondutores

Detecção de radiação alfa usando câmara de ionização

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

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

Detecção de radiação alfa usando o contador Geiger-Mueller

Os contadores Geiger são usados ​​principalmente para instrumentação portátil devido à sua sensibilidade, circuito de contagem simples e capacidade de detectar radiação de baixo nível. Embora o uso principal dos contadores Geiger seja provavelmente na detecção individual de partículas, eles também são encontrados em medidores gama. Eles são capazes de detectar quase todos os tipos de radiação, mas há pequenas diferenças no tubo Geiger-Mueller. No entanto, o tubo Geiger-Müller produz uma saída de pulso que é da mesma magnitude para toda a radiação detectada; portanto, um contador Geiger com um tubo na janela final não consegue distinguir entre partículas alfa e beta.

Tipo de janela final

Para que partículas alfa e beta sejam detectadas pelos contadores Geiger , elas devem ser fornecidas com uma janela fina. Essa “janela final” deve ser fina o suficiente para que as partículas alfa e beta penetrem. No entanto, uma janela de quase qualquer espessura impedirá que uma partícula alfa entre na câmara. A janela é geralmente feita de mica com uma densidade de cerca de 1,5 – 2,0 mg / cm ² para permitir que partículas beta de baixa energia (por exemplo, do carbono 14) entrem no detector. A redução de eficiência para alfa é devida ao efeito de atenuação da janela final, embora a distância da superfície sendo verificada também tenha um efeito significativo, e idealmente uma fonte de radiação alfa deve estar a menos de 10 mm do detector devido à atenuação no ar.

Detecção de Alfa usando Contador de Cintilação

Os contadores de cintilação são usados ​​para medir a radiação em uma variedade de aplicações, incluindo medidores portáteis de pesquisa de radiação, monitoramento pessoal e 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.

Detecção de Alpha usando Semicondutores – 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.

Detectores de fita de silicone 5 x 5 cm ²na área são bastante comuns e são usadas em série (assim como os planos 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.

Força Forte vs Força Fraca

Captação de Dose Externa

Exposição externa é radiação que vem de fora do nosso corpo e interage conosco. Nesse caso, analisamos predominantemente a exposição a raios gama, uma vez que as partículas alfa e beta, em geral, não constituem risco de exposição externa, porque as partículas geralmente não passam pela pele. A fonte de radiação pode ser, por exemplo, um equipamento que produz a radiação como um recipiente com materiais radioativos ou como uma máquina de raio-x. Na proteção contra radiação, existem três maneiras de proteger as pessoas de fontes externas de radiação identificadas:

• 

  Limitando o tempo. A quantidade de exposição à radiação depende diretamente (linearmente) do tempo que as pessoas passam perto da fonte de radiação. A dose pode ser reduzida limitando o tempo de exposição .

• Distância. A quantidade de exposição à radiação depende da distância da fonte de radiação. Da mesma forma que o calor do fogo, se você estiver muito próximo, a intensidade da radiação de calor é alta e você pode se queimar. Se você estiver na distância certa, poderá resistir a ela sem problemas e, além disso, é confortável. Se você estiver muito longe da fonte de calor, a insuficiência de calor também poderá prejudicá-lo. Essa analogia, em certo sentido, pode ser aplicada à radiação também de fontes de radiação.
• Blindagem. Finalmente, se a fonte for muito intensiva e o tempo ou a distância não fornecerem proteção suficiente contra radiação, a blindagem deve ser usada. A proteção contra radiação geralmente consiste em barreiras de chumbo, concreto ou água. Existem muitos materiais que podem ser usados ​​para proteção contra radiação, mas existem muitas situações em proteção contra radiação. Depende muito do tipo de radiação a ser protegida, de sua energia e de muitos outros parâmetros. Por exemplo, até o urânio empobrecido pode ser usado como uma boa proteção contra a radiação gama, mas, por outro lado, o urânio é uma blindagem absolutamente inadequada da radiação de nêutrons .

Como foi escrito, é crucial se estamos expostos à radiação de fontes externas ou de fontes internas. É semelhante ao de outras substâncias perigosas. A exposição interna é mais perigosa do que a externa, já que estamos carregando a fonte de radiação dentro de nossos corpos e não podemos usar nenhum dos princípios de proteção contra radiação (tempo, distância, blindagem).

Exposição à radiação

Em geral, a exposição à radiação  é uma medida da ionização do  ar  devido à radiação ionizante de fótons de  alta energia (raios X e raios gama). A exposição à radiação  é definida como a  soma das cargas elétricas  (∆q) em todos os íons de um sinal produzido  no ar  quando todos os elétrons, liberados pelos fótons em um volume de ar cuja massa é ∆m, são completamente parados no ar.

A exposição à radiação  é dado o símbolo  X . A unidade SI de exposição à radiação é o coulomb por quilograma (C / kg), mas, na prática, o  roentgen  é usado. O  roentgen , abreviado  R , é a unidade de exposição à radiação. Na definição original,  1 R  significa a quantidade de  raios X  ou  radiação γ  necessária para liberar cargas positivas e negativas de uma unidade eletrostática de carga (esu) em 1 cm³ de ar seco à temperatura e pressão padrão (STP).

Dose absorvida e equivalente

Na proteção contra radiação, o  sievert  é uma unidade derivada de  dose equivalente  e  dose efetiva.  O sievert representa o efeito biológico equivalente ao depósito de um joule de energia de raios gama em um quilograma de tecido humano. Dose absorvida  é definida como a quantidade de energia depositada pela radiação ionizante em uma substância. Dose absorvida  é dado o símbolo  D . A dose absorvida é geralmente medida em uma unidade chamada  cinza  (Gy), que é derivada do sistema SI.  Às vezes, o rad não-SI unit  também é usado, predominantemente nos EUA.

Para  protecção contra as radiações  fins, a dose absorvida é calculada a média ao longo de um órgão ou tecido, T, e esta absorvida média dose é ponderado para a qualidade de radiação em termos do  factor de ponderação da radiação , W _R , para o tipo e a energia da radiação incidente sobre o corpo. O  fator de ponderação da radiação  é um fator adimensional usado para determinar a dose equivalente da dose absorvida média sobre um tecido ou órgão e baseia-se no tipo de radiação absorvida. A dose ponderada resultante foi designada como a dose equivalente de órgão ou tecido:

Uma dose equivalente de  um Sievert  representa a quantidade de dose de radiação equivalente, em termos de dano biológico especificado  , a  um cinza  de  raios X  ou  raios gama . Uma dose de  um Sv causada pela radiação gama é equivalente a uma deposição de energia de um joule em um quilograma de tecido. Isso significa que um sievert é equivalente a um cinza de raios gama depositados em certos tecidos. Por outro lado, danos biológica semelhante (uma Sievert) pode ser causado apenas por 1/20 cinza de alfa radiação (devido à alta W _R  de alfa radiação). Portanto, o  sievert não é uma unidade de dose física. Por exemplo, uma dose absorvida de 1 Gy por partículas alfa levará a uma dose equivalente a 20 Sv. Isso pode parecer um paradoxo. Isso implica que a energia do campo de radiação incidente em joules aumentou em um fator de 20, violando as leis de  conservação de energia . No entanto, este não é o caso. Sievert é derivado da dose física absorvida em quantidade, mas também leva em consideração a  eficácia biológica  da radiação, que depende do tipo e energia da radiação. O  fator de ponderação da radiação  faz com que o crivo não possa ser uma unidade física.

A dosimetria de radiação é a medição, cálculo e avaliação das doses absorvidas e a atribuição dessas doses aos indivíduos. É a ciência e a prática que tentam relacionar quantitativamente medidas específicas feitas em um campo de radiação com alterações químicas e / ou biológicas que a radiação produziria em um alvo.

Como existem dois tipos de exposição à radiação, exposição externa e interna, a dosimetria também pode ser categorizada como:

• Dosimetria externa . Exposição externa é radiação que vem de fora do nosso corpo e interage conosco. Nesse caso, analisamos predominantemente a exposição a raios gama e partículas beta , já que as partículas alfa , em geral, não representam risco de exposição externa, porque as partículas geralmente não passam pela pele. Como os fótons e beta interagem através de forças eletromagnéticas e nêutrons interagem através de forças nucleares, seus métodos de detecção e dosimetria são substancialmente diferentes. A fonte de radiação pode ser, por exemplo, um equipamento que produz a radiação como um recipiente com materiais radioativos ou como uma máquina de raio-x. A dosimetria externa é baseada em medições com um dosímetro, ou deduzido de medições feitas por outros instrumentos de proteção radiológica.

• 

  Dosimetria interna . Se a fonte de radiação está dentro do nosso corpo , dizemos, é a exposição interna . A ingestão de material radioativo pode ocorrer por várias vias, como a ingestão de contaminação radioativa em alimentos ou líquidos. A proteção contra a exposição interna é mais complicada. A maioria dos radionuclídeos fornecerá muito mais doses de radiação se, de alguma forma, puderem entrar em seu corpo, do que se ficassem fora. A avaliação da dosimetria interna depende de uma variedade de técnicas de monitoramento, bioensaio ou geração de imagens de radiação.

Dosimetria pessoal

A dosimetria pessoal é uma parte essencial da dosimetria de radiação. A dosimetria pessoal é usada principalmente (mas não exclusivamente) para determinar doses para indivíduos expostos à radiação relacionada às suas atividades de trabalho. Essas doses são geralmente medidas por dispositivos conhecidos como dosímetros. Os dosímetros geralmente registram uma dose, que é a energia de radiação absorvida medida em cinza (Gy) ou a dose equivalente medida em sieverts (Sv). Um dosímetro pessoal é um dosímetro usado na superfície do corpo pela pessoa que está sendo monitorada e registra a dose de radiação recebida. Dosimetria pessoalas técnicas variam e dependem em parte se a fonte de radiação está fora do corpo (externo) ou é absorvida pelo corpo (interno). Dosímetros pessoais são usados ​​para medir exposições externas a radiação. As exposições internas são normalmente monitoradas medindo a presença de substâncias nucleares no corpo ou medindo substâncias nucleares excretadas pelo corpo.

Os dosímetros disponíveis comercialmente variam de dispositivos passivos e de baixo custo que armazenam informações de dose de pessoal para leitura posterior, até dispositivos mais caros e operados por bateria que exibem informações imediatas de dose e taxa de dose (geralmente um dosímetro eletrônico pessoal ). O método de leitura, faixa de medição da dose, tamanho, peso e preço são fatores importantes de seleção.

Existem dois tipos de dosímetros:

• Dosímetros passivos . Dosímetros passivos comumente usados ​​são o Dosímetro Termo Luminescente (TLD) e o emblema do filme. Um dosímetro passivo produz um sinal induzido por radiação, que é armazenado no dispositivo. O dosímetro é então processado e a saída é analisada.
• Dosímetros ativos . Para obter um valor em tempo real da sua exposição, você pode usar um dosímetro ativo, normalmente um dosímetro eletrônico pessoal (EPD). Um dosímetro ativo produz um sinal induzido por radiação e exibe uma leitura direta da dose ou taxa de dose detectada em tempo real.

Os dosímetros passivo e ativo são frequentemente usados ​​juntos para se complementarem. Para estimar doses efetivas, os dosímetros devem ser usados ​​em uma posição do corpo representativa de sua exposição, geralmente entre a cintura e o pescoço, na frente do tronco, de frente para a fonte radioativa. Os dosímetros geralmente são usados ​​na parte externa da roupa, ao redor do tórax ou do tronco para representar a dose para o “corpo inteiro”. Dosímetros também podem ser usados ​​nas extremidades ou perto do olho para medir a dose equivalente a esses tecidos.

Os dosímetros pessoais em uso atualmente não são instrumentos absolutos, mas instrumentos de referência. Isso significa que eles devem ser calibrados periodicamente . Quando um dosímetro de referência é calibrado, um fator de calibração pode ser determinado. Esse fator de calibração relaciona a quantidade de exposição à dose relatada. A validade da calibração é demonstrada mantendo a rastreabilidade da fonte usada para calibrar o dosímetro. A rastreabilidade é obtida pela comparação da fonte com um “padrão primário” em um centro de calibração de referência. No monitoramento de indivíduos, os valores dessas quantidades operacionais são tomados como uma avaliação suficientemente precisa da dose efetiva e da dose cutânea, respectivamente, em particular, se seus valores estiverem abaixo da limites de proteção .

Dosimetria Médica

Dosimetria médica é o cálculo da dose absorvida e a otimização da administração da dose em exames e tratamentos médicos. Em geral, as exposições à radiação de exames médicos de diagnóstico são baixas (especialmente em usos diagnósticos). As doses também podem ser altas (apenas para usos terapêuticos), mas, em cada caso, devem sempre ser justificadas pelos benefícios do diagnóstico preciso de possíveis doenças ou pelos benefícios de um tratamento preciso. Essas doses incluem contribuições da radiologia de diagnóstico médico e odontológico (raios X de diagnóstico), medicina nuclear clínica e radioterapia. Dosimetria médicaé frequentemente realizada por um profissional de saúde com formação especializada nesse campo. Para planejar a administração da terapia de radiação, a radiação produzida pelas fontes é geralmente caracterizada com curvas de porcentagem de profundidade e perfis de dose medidos por um médico.

O uso médico da radiação ionizante permanece um campo em rápida mudança. De qualquer forma, a utilidade da radiação ionizante deve ser equilibrada com seus riscos. Atualmente, foi encontrado um compromisso e a maioria dos usos de radiação é otimizada. Hoje, é quase inacreditável que os raios-x tenham sido usados ​​ao mesmo tempo para encontrar o par certo de sapatos (isto é, fluoroscopia para calçar sapatos). As medidas feitas nos últimos anos indicam que as doses para os pés estavam na faixa de 0,07 a 0,14 Gy para uma exposição de 20 segundos. Esta prática foi interrompida quando os riscos de radiação ionizante foram melhor compreendidos.

Veja também: Exposições médicas

Dosimetria Ambiental

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

Em geral, existem duas grandes categorias de fontes de radiação no ambiente:

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

Um exemplo de dosimetria de ambiente  é o monitoramento de radônio. O rádon é um gás radioativo gerado pela decomposição do urânio , que está presente em quantidades variáveis ​​na crosta terrestre. É importante notar que o rádon é um gás nobre , enquanto todos os seus produtos de decomposição são metais . O principal mecanismo para a entrada de rádon na atmosfera é a difusão através do solo. Certas áreas geográficas, devido à geologia subjacente, geram continuamente rádon que permeia o caminho para a superfície da Terra. Em alguns casos, a dose pode ser significativa em edifícios onde o gás pode se acumular. Locais com maior radônio são bem mapeados em cada país. Ao ar livre, varia de 1 a 100 Bq / m3, ainda menos (0,1 Bq / m3) acima do oceano. Em cavernas ou minas com aeração, ou em casas mal ventiladas, sua concentração sobe para 20–2.000 Bq / m3. Na atmosfera externa, há também alguma advecção causada pelo vento e alterações na pressão barométrica. Uma série de técnicas especializadas de dosimetria é usada para avaliar a dose que os ocupantes de um edifício podem receber.

Medição e monitoramento de doses de radiação

Nos capítulos anteriores, descrevemos a dose equivalente e a dose efetiva . Mas essas doses não são diretamente mensuráveis . Para esse fim, o ICRP introduziu e definiu um conjunto de quantidades operacionais , que podem ser medidas e cujo objetivo é fornecer uma estimativa razoável para as quantidades de proteção. Essas quantidades visam fornecer uma estimativa conservadora do valor das quantidades de proteção relacionadas a uma exposição, evitando subestimação e superestimação demais.

Os links numéricos entre essas quantidades são representados por coeficientes de conversão , definidos para uma pessoa de referência. É muito importante que um conjunto de coeficientes de conversão acordado internacionalmente esteja disponível para uso geral nas práticas de proteção radiológica para exposições ocupacionais e exposições do público. Para o cálculo dos coeficientes de conversão para exposição externa, fantasmas computacionais são usados ​​para avaliação da dose em vários campos de radiação. Para o cálculo dos coeficientes de dose da ingestão de radionuclídeos , são utilizados modelos biokinéticos para radionuclídeos, dados fisiológicos de referência e fantasmas computacionais.

Um conjunto de dados avaliados de coeficientes de conversão para proteção e quantidades operacionais para exposição externa a fóton monoenergético, nêutrons e radiação de elétrons sob condições específicas de irradiação é publicado em relatórios (ICRP, 1996b, ICRU, 1997).

Em geral, o ICRP define quantidades operacionais para monitoramento individual e de área de exposições externas. As quantidades operacionais para o monitoramento da área são:

• Dose ambiente equivalente , H * (10). O equivalente à dose ambiente é uma quantidade operacional para o monitoramento da área de radiação fortemente penetrante.
• Dose direcional equivalente , H ‘(d, Ω). A dose direcional equivalente é uma quantidade operacional para o monitoramento da área de radiação que penetra fracamente.

As quantidades operacionais para monitoramento individual são:

• Dose equivalente pessoal , H _P (0,07) . O H _P (0,07) dose equivalente é uma quantidade operacional para monitorização individual para a avaliação da dose para a pele e para as mãos e os pés.
• Dose equivalente pessoal , H _p (10) . O H _P (10) de dose equivalente é uma quantidade operacional para monitorização individual para a avaliação da dose eficaz.

Referência especial: ICRP, 2007. Recomendações de 2007 da Comissão Internacional de Proteção Radiológica. Publicação 103 da ICRP. Ann. ICRP 37 (2-4).

Limites de dose

Veja também: Limites de dose

Os limites de dose são divididos em dois grupos, o público e os trabalhadores expostos ocupacionalmente. De acordo com o ICRP, a exposição ocupacional refere-se a toda a exposição incorrida pelos trabalhadores no curso de seu trabalho, com exceção da

1. exposições excluídas e exposições de atividades isentas que envolvam radiação ou fontes isentas
2. qualquer exposição médica
3. a radiação natural local normal de fundo.

A tabela a seguir resume os limites de dose para trabalhadores expostos ocupacionalmente e para o público:

De acordo com a recomendação do ICRP em sua declaração sobre reações teciduais de 21 de abril de 2011, o limite de dose equivalente para a lente do olho para exposição ocupacional em situações de exposição planejada foi reduzido de 150 mSv / ano para 20 mSv / ano, em média por períodos definidos de 5 anos, sem dose anual em um único ano superior a 50 mSv.

Os limites da dose efetiva são a soma das doses efetivas relevantes da exposição externa no período especificado e a dose efetiva comprometida da ingestão de radionuclídeos no mesmo período. Para adultos, a dose efetiva comprometida é calculada por um período de 50 anos após a ingestão, enquanto que para crianças é calculada para o período de até 70 anos. O limite efetivo da dose para o corpo inteiro de 20 mSv é um valor médio em cinco anos. O limite real é de 100 mSv em 5 anos, com não mais de 50 mSv em um ano.

Sievert – Unidade de Dose Equivalente

Na proteção contra radiação, o sievert é uma unidade derivada de dose equivalente e dose efetiva . O sievert representa o efeito biológico equivalente ao depósito de um joule de energia de raios gama em um quilograma de tecido humano. A unidade de sievert é importante na proteção contra radiação e recebeu o nome do cientista sueco Rolf Sievert, que fez muitos dos primeiros trabalhos sobre dosimetria de radiação em terapia de radiação.

Como foi escrito, o sievert é usado para quantidades de dose de radiação, como dose equivalente e dose efetiva. Dose equivalente (símbolo H _T ) é uma quantidade de dose calculada para órgãos individuais (índice T – tecido). A dose equivalente é baseada na dose absorvida para um órgão, ajustada para levar em conta a eficácia do tipo de radiação . Dose equivalente é dada a símbolo H _t . A unidade SI de H _t é o Sievert (Sv) ou mas REM ( homem equivalente roentgen ) ainda é vulgarmente utilizado ( 1 Sv = 100 REM ).

Exemplos de doses em Sieverts

Devemos notar que a radiação está à nossa volta. Dentro, ao redor e acima do mundo em que vivemos. É uma força de energia natural que nos rodeia. É uma parte do nosso mundo natural que está aqui desde o nascimento do nosso planeta. Nos pontos a seguir, tentamos expressar enormes faixas de exposição à radiação, que podem ser obtidas de várias fontes.

• 0,05 µSv – Dormindo ao lado de alguém
• 0,09 µSv – Morando a 48 quilômetros de uma usina nuclear por um ano
• 0,1 µSv – Comendo uma banana
• 0,3 µSv – Morando a 80 quilômetros de uma usina a carvão por um ano
• 10 µSv – Dose média diária recebida do fundo natural
• 20 µSv – radiografia de tórax
• 40 µSv – Um voo de avião de 5 horas
• 600 µSv – mamografia
• 1 000 µSv – Limite de dose para membros individuais do público, dose efetiva total por ano
• 3 650 µSv – Dose média anual recebida do fundo natural
• 5 800 µSv – tomografia computadorizada do tórax
• 10 000 µSv – Dose média anual recebida do ambiente natural em Ramsar, Irã
• 20 000 µSv – tomografia computadorizada de corpo inteiro
• 175 000 µSv – Dose anual de radiação natural em uma praia de monazita perto de Guarapari, Brasil.
• 5 000 000 µSv – Dose que mata um ser humano com um risco de 50% dentro de 30 dias (LD50 / 30), se a dose for recebida por um período muito curto .