O que é câmara de ionização vs detector de semicondutores

Câmara de ionização vs detector de semicondutores. As câmaras de ionização são preferidas para altas taxas de dose de radiação porque não possuem “tempo morto”. Os detectores de semicondutores são amplamente utilizados na proteção contra radiação. Dosimetria de Radiação

Câmaras de ionização

A câmara de ionização , também conhecida como câmara de íons , é um dispositivo elétrico que detecta vários tipos de radiação ionizante . A tensão do detector é ajustada para que as condições correspondam à região de ionização . A tensão não é alta o suficiente para produzir amplificação de gás (ionização secundária).

Vantagens das câmaras de ionização

Modo atual. As câmaras de ionização são preferidas para altas taxas de dose de radiação, porque não têm “tempo morto”, um fenômeno que afeta a precisão do tubo Geiger-Mueller em altas taxas de dose. Isso se deve ao fato de não haver amplificação de sinal inerente no meio operacional e, portanto, esses tipos de contadores não requerem muito tempo para se recuperar de grandes correntes. Além disso, como não há amplificação, eles oferecem excelente resolução de energia, limitada principalmente pelo ruído eletrônico. Câmaras de ionização podem ser operadas no modo atual ou de pulso. Por outro lado, contadores proporcionais ou contadores Geiger são quase sempre usados no modo de pulso. Detectores de radiação ionizante podem ser usados tanto para medições de atividade quanto para medições de dose. Com o conhecimento sobre a energia necessária para formar um par de íons – a dose pode ser obtida. O design da placa plana é preferido porque possui um volume ativo bem definido e garante que os íons não se acumulem nos isoladores e causem uma distorção do campo elétrico.
Simplicidade . A corrente de saída é independente da tensão de operação do detector. Observe a região plana da curva na região da câmara de íons. Como resultado, fontes de alimentação menos reguladas e, portanto, mais baratas e mais portáteis podem ser usadas com instrumentos de câmara de íons e ainda oferecem uma resposta razoavelmente precisa.
Detecção de nêutrons . Nos reatores nucleares, as câmaras de ionização no modo atual são frequentemente usadas para detectar nêutrons e pertencem ao Sistema de Instrumentação de Nêutrons (NIS). Por exemplo, se a superfície interna da câmara de ionização for revestida com uma fina camada de boro, a reação (n, alfa) poderá ocorrer. A maioria das reações (n, alfa) dos nêutrons térmicos são reações 10B (n, alfa) 7Li acompanhadas por emissão gama de 0,48 MeV . Além disso, o isótopo boro-10 possui uma alta seção transversal da reação (n, alfa) ao longo de todo o espectro de energia de nêutrons . A partícula alfa causa ionização dentro da câmara e elétrons ejetados causam ionizações secundárias adicionais. Outro método para detectar nêutrons usando uma câmara de ionização é usar o gás trifluoreto de boro (BF ₃ ) em vez de ar na câmara. Os nêutrons recebidos produzem partículas alfa quando reagem com os átomos de boro no gás detector. Qualquer um dos métodos pode ser usado para detectar nêutrons no reator nuclear.

Desvantagens das câmaras de ionização

Sem amplificação de carga . Os detectores na região de ionização operam com uma força de campo elétrico baixa, selecionada de forma que não ocorra multiplicação de gás. A carga coletada (sinal de saída) é independente da tensão aplicada e as partículas ionizantes mínimas tendem a ser bem pequenas e geralmente requerem amplificadores especiais de baixo ruído para obter desempenho operacional eficiente. No ar, a energia média necessária para produzir um íon é de cerca de 34 eV; portanto, uma radiação de 1 MeV completamente absorvida no detector produz cerca de 3 x 10 ⁴ pares de íons . No entanto, é um sinal pequeno, este sinal pode ser consideravelmente amplificado usando a eletrônica padrão. Uma corrente de 1 micro-ampère consiste em cerca de 10 ¹² elétrons por segundo.
Baixa densidade . Os raios gama depositam uma quantidade significativamente menor de energia no detector do que outras partículas. A eficiência da câmara pode ser aumentada ainda mais pelo uso de um gás de alta pressão.
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 .

Detectores de semicondutores

Um detector de semicondutores é um detector de radiação que se baseia em um semicondutor , como silício ou germânio, para medir o efeito de partículas ou fótons carregados incidentes. 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 utilizado para espectroscopia de raios gama .

Vantagens dos detectores HPGe

Maior número atômico. 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 possui uma energia média mais baixa necessária para criar um par de elétrons-orifícios, que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio.
Muito boa resolução de energia . O FWHM 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.
Grandes cristais . 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.

Desvantagens dos detectores HPGe

Arrefecimento . A principal desvantagem dos detectores HPGe 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 a folga da banda e alcançar a banda de condução.
Preço . A desvantagem é que os detectores de germânio são muito mais caros que as câmaras de ionização ou contadores de cintilação .

Vantagens dos detectores de silício

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.
O silício tem uma alta densidade de 2.329 g / cm ³ e, portanto, a perda média de energia por unidade de comprimento permite a construção de detectores finos (por exemplo, 300 µm) que ainda produzem sinais mensuráveis. Por exemplo, no caso de partículas ionizantes mínimas (MIP), a perda de energia é de 390 eV / µm. Os detectores de silício são mecanicamente rígidos e, portanto, nenhuma estrutura de suporte especial é necessária.
Os detectores baseados em silício são muito bons para rastrear partículas carregadas, eles constituem uma parte substancial do sistema de detecção no LHC no CERN.
Os detectores de silício podem ser usados em campos magnéticos fortes.

Desvantagens dos detectores de silício

Preço . A desvantagem é que os detectores de silício são muito mais caros do que as câmaras de nuvem ou de arame.
Degradação . Eles também sofrem degradação ao longo do tempo devido à radiação, no entanto, isso pode ser bastante reduzido graças ao efeito Lázaro.
FWHM alto . 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.

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