O que é contador de cintilação – Detector de cintilação – Definição

Um contador de cintilação ou detector de cintilação é um detector de radiação que utiliza o efeito conhecido como cintilação. A cintilação é um flash de luz produzido em um material transparente pela passagem de uma partícula. Dosimetria de Radiação
Scintillation_Counter - Tubo Fotomultiplicador
Aparelho com cristal cintilante, fotomultiplicador e componentes de aquisição de dados. Fonte: wikipedia.org Licença CC BY-SA 3.0

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

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

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

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

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

Contador de Cintilações – Princípio de Operação

A operação dos contadores de cintilação é resumida nos seguintes pontos:

  • Contador de Cintilações - Princípio de Operação
    Contador de Cintilação – Princípio de Operação. Fonte: wikipedia.org Licença: Public Domain

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

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

Um detector de cintilação ou contador de cintilação é obtido quando um cintilador é acoplado a um sensor de luz eletrônico, como:

  • um tubo fotomultiplicador (PMT),
  • uma câmera de dispositivo acoplado a carga (CCD),
  • foto-diodo

Todos esses dispositivos podem ser usados ​​em contadores de cintilação e todos convertem a luz em um sinal elétrico e contêm componentes eletrônicos para processar esse sinal. Um tubo fotomultiplicador (PMT) absorve a luz emitida pelo cintilador e a reemite na forma de elétrons pelo efeito fotoelétrico. O PMT tem sido a principal escolha para detecção de fótons desde então, porque eles têm alta eficiência quântica e alta amplificação. Ultimamente, no entanto, os semicondutores começaram a competir com o PMT, o fotodiodo, por exemplo, que possui maior eficiência quântica na faixa visível e acima, menor consumo de energia e menor tamanho.

Os fotodiodos a vácuo são semelhantes, mas não amplificam o sinal, enquanto os fotodiodos de silício, por outro lado, detectam os fótons recebidos pela excitação de portadores de carga diretamente no silício.

Várias câmeras gama portáteis para geração de imagens médicas usam detectores baseados em cintiladores e CCD . Nesse caso, um cintilador converte a radiação incidente (geralmente raios X) em fótons visíveis, que podem ser detectados diretamente pela câmera CCD.

Observe que o termo eficiência quântica (QE) pode ser aplicado à razão de fóton incidente a elétron convertido (IPCE) de um dispositivo fotossensível. A eficiência quântica para o fotodiodo é alta (60-80%) em comparação com o PMT (20-30%), o que fornece uma resolução de energia mais alta.

Materiais de Cintilação – Cintiladores

Cintiladores são tipos de materiais que fornecem fótons detectáveis ​​na parte visível do espectro da luz, após a passagem de uma partícula carregada ou de um fóton. O cintilador consiste em um cristal transparente , geralmente um fósforo, plástico ou líquido orgânico que fluorescente quando atingido por radiação ionizante. O cintilador também deve ser transparente às suas próprias emissões de luz e deve ter um curto período de decaimento. O cintilador também deve ser protegido contra toda a luz ambiente, para que os fótons externos não inundem os eventos de ionização causados ​​pela radiação incidente. Para conseguir isso, uma película fina e opaca, como o mylar aluminizado, é frequentemente usada, embora deva ter uma massa suficientemente baixa para minimizar a atenuação indevida da radiação incidente sendo medida.

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

Cintiladores Inorgânicos

Cristal de cintilação CsI (Tl)
Cristal de cintilação CsI (Tl). Fonte: wikipedia.de Licença: CC BY-SA 3.0

Cintiladores inorgânicos são geralmente cristais cultivados em fornos de alta temperatura. Eles incluem iodeto de lítio (LiI), iodeto de sódio (NaI) , iodeto de césio (CsI) e sulfeto de zinco (ZnS). O material de cintilação mais utilizado é o NaI (Tl) (iodeto de sódio dopado com tálio). O iodo fornece a maior parte do poder de parada no iodeto de sódio (uma vez que possui um alto Z = 53). Esses cintiladores cristalinos são caracterizados por tempos de alta densidade, alto número atômico e decaimento de pulso de aproximadamente 1 microssegundo ( ~ 10 a 6 segundos) A cintilação em cristais inorgânicos é tipicamente mais lenta que nos orgânicos. Eles exibem alta eficiência na detecção de raios gama e são capazes de lidar com altas taxas de contagem. Os cristais inorgânicos podem ser cortados em tamanhos pequenos e dispostos em uma configuração de matriz para fornecer sensibilidade à posição. Esse recurso é amplamente utilizado em imagens médicas para detectar raios-X ou raios gama . Os cintiladores inorgânicos são melhores na detecção de raios gama e raios X do que os cintiladores orgânicos. Isto é devido à sua alta densidade e número atômico, o que fornece uma alta densidade de elétrons. Uma desvantagem de alguns cristais inorgânicos, por exemplo, NaI, é a higroscopicidade, uma propriedade que exige que sejam alojados em um recipiente hermético para protegê-los da umidade.

Cintiladores orgânicos

Cintiladores orgânicos são tipos de materiais orgânicos que fornecem fótons detectáveis ​​na parte visível do espectro da luz, após a passagem de uma partícula carregada ou de um fóton. O mecanismo de cintilação em materiais orgânicos é bastante diferente do mecanismo em cristais inorgânicos. Em cintiladores inorgânicos, por exemplo NaI, CsI, a cintilação surge devido à estrutura da rede cristalina. O mecanismo de fluorescência em materiais orgânicos decorre de transições nos níveis de energia de uma única molécula e, portanto, a fluorescência pode ser observada independentemente do estado físico (vapor, líquido, sólido).

Em geral, os cintiladores orgânicos têm tempos de decaimento rápidos (normalmente de 10 a 8 segundos ), enquanto os cristais inorgânicos são geralmente muito mais lentos (cerca de 10 a 6 segundos), embora alguns também tenham componentes rápidos em sua resposta. Existem três tipos de cintiladores orgânicos:

  • Cristais orgânicos puros . Cristais orgânicos puros incluem cristais de antraceno, estilbeno e naftaleno. O tempo de decaimento desse tipo de fósforo é de aproximadamente 10 nanossegundos. Este tipo de cristal é freqüentemente usado na detecção de partículas beta . Eles são muito duráveis, mas sua resposta é anisotrópica (que prejudica a resolução de energia quando a fonte não é colimada) e não pode ser usinada com facilidade, nem pode ser cultivada em tamanhos grandes. Portanto, eles não são usados ​​com muita frequência.
  • Soluções orgânicas líquidas . Soluções orgânicas líquidas são produzidas dissolvendo um cintilador orgânico em um solvente.
  • Cintiladores de plástico . Os fósforos plásticos são produzidos adicionando produtos químicos de cintilação a uma matriz plástica. A constante de decaimento é o menor dos três tipos de fósforo, chegando a 1 ou 2 nanossegundos. Os cintiladores de plástico são, portanto, mais apropriados para uso em ambientes de alto fluxo e em medições de alta taxa de dose. O plástico tem um alto teor de hidrogênio, portanto, é útil para detectores rápidos de nêutrons . É necessário substancialmente mais energia para produzir um fóton detectável em um cintilador do que um par de elétrons-íons por ionização (normalmente por um fator de 10), e como os cintiladores inorgânicos produzem mais luz que os cintiladores orgânicos, eles são consequentemente melhores para aplicações com baixas energias .

Tubo fotomultiplicador

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

Componentes do tubo fotomultiplicador

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

  • Scintillation_Counter - Tubo Fotomultiplicador
    Aparelho com cristal cintilante, fotomultiplicador e componentes de aquisição de dados. Fonte: wikipedia.org Licença CC BY-SA 3.0

    Photocathode . Logo após uma fina janela de entrada, existe um fotocátodo, feito de material no qual os elétrons de valência estão fracamente ligados e têm uma seção transversal alta para converter fótons em elétrons pelo efeito fotoelétrico. Por exemplo, Cs 3 Sb (césio-antimônio) pode ser usado. Como resultado, a luz criada no cintilador atinge o fotocatodo de um tubo fotomultiplicador, liberando no máximo um fotoelétron por fóton.

  • Dínodos . Usando um potencial de voltagem, esse grupo de elétrons primários é eletrostaticamente acelerado e focado para atingir o primeiro dínodo com energia suficiente para liberar elétrons adicionais. Há uma série (“estágios”) de dínodos feitos de material com função de trabalho relativamente baixa. Esses eletrodos são operados com potencial cada vez maior (por exemplo, ~ 100-200 V entre dínodos). No dínodo, os elétrons são multiplicados por emissão secundária. O próximo dínodo tem uma voltagem mais alta, o que faz com que os elétrons liberados do primeiro acelerem em sua direção. Em cada dínodo 3-4 electrões são introduzidas em cada electrões incidente, e com 6 a 14 dínodos o ganho total, ou do factor de amplificação de electrões, será na gama de ~ 10 4 -107 quando atingem o ânodo. As tensões operacionais típicas estão na faixa de 500 a 3000 V. No dínodo final, elétrons suficientes estão disponíveis para produzir um pulso de magnitude suficiente para amplificação adicional. Esse pulso carrega informações sobre a energia da radiação incidente original. O número desses pulsos por unidade de tempo também fornece informações sobre a intensidade da radiação.

Eficiência quântica

A sensibilidade de um fotocátodo é geralmente citada em termos de eficiência quântica . Em geral, o termo eficiência quântica (QE) pode ser aplicado à razão de fóton incidente para elétron convertido ( IPCE ) de um dispositivo fotossensível. A eficiência quântica do fotocatodo é definida como a probabilidade de conversão de fótons incidentes em um sinal elétrico e é definida como:

Eficiência Quântica - Tubo Fotomultiplicador

A eficiência quântica de qualquer dispositivo fotossensível é uma forte função do comprimento de onda da luz incidente e é feito um esforço para corresponder a resposta espectral do fotocatodo ao espectro de emissão do cintilador em uso. No tubo fotomultiplicador, a eficiência quântica é limitada a 20 a 30% , mas a eficiência quântica média no espectro de emissão de um cintilador típico é de cerca de 15 a 20% .

O padrão para cotação é o número de fotoelétrons por perda de energia de keV por elétrons rápidos em um cintilador NaI (Tl) . Para o pico de eficiência quântica, são produzidos cerca de 8 a 10 fotoelétrons por cada perda de energia de keV. Portanto, a perda média de energia necessária para criar um único fotoelétron é de ~ 100 eV, que é muito maior que os valores em detectores cheios a gás ou semicondutores.

O PMT tem sido a principal escolha para detecção de fótons desde então, porque eles têm alta eficiência quântica e alta amplificação. Ultimamente, no entanto, os semicondutores começaram a competir com o PMT, o fotodiodo, por exemplo, que tem maior eficiência quântica na faixa visível e acima, menor consumo de energia e menor tamanho. A eficiência quântica para o fotodiodo é alta (60-80%) em comparação com o PMT (20-30%), o que fornece uma resolução de energia mais alta.

Fotodiodos – Contador de Cintilações

Um detector de cintilação ou contador de cintilação é obtido quando um cintilador é acoplado a um sensor de luz eletrônico, como:

  • um tubo fotomultiplicador (PMT),
  • uma câmera de dispositivo acoplado a carga (CCD),
  • foto-diodo

Todos esses dispositivos podem ser usados ​​em contadores de cintilação e todos convertem a luz em um sinal elétrico e contêm componentes eletrônicos para processar esse sinal. Um fotodiodo é um dispositivo semicondutor que converte luz em corrente elétrica. Este é um dispositivo semicondutor que consiste em uma fina camada de silício, na qual a luz é absorvida, após a qual são criados portadores de carga livre (elétrons e orifícios). Um fotodiodo convencional geralmente se refere a um diodo PIN. PIN significa que os lados d e n dopados são separados por uma região i empobrecida. Elétrons e orifícios são coletados no ânodo e no cátodo do diodo. Isso resulta em uma fotocorrente que é a saída do diodo. A carga, no entanto, não é amplificada, diminuindo a amplitude do sinal de saída. Isso torna o fotodiodo sensível ao ruído eletrônico. Por outro lado,

Detecção de radiação alfa, beta e gama 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.
  • Partículas beta . Para a detecção de partículas beta, cintiladores orgânicos podem ser usados. Cristais orgânicos puros incluem cristais de antraceno, estilbeno e naftaleno. O tempo de decaimento desse tipo de fósforo é de aproximadamente 10 nanossegundos. Este tipo de cristal é freqüentemente usado na detecção de partículas beta. Os cintiladores orgânicos , com um Z menor que os cristais inorgânicos, são mais adequados para a detecção de partículas beta de baixa energia (<10 MeV).
  • Raios gama . Os materiais com alto teor de Z são mais adequados como cintiladores para a detecção de raios gama. O material de cintilação mais utilizado é o NaI (Tl) (iodeto de sódio dopado com tálio). O iodo fornece a maior parte do poder de parada no iodeto de sódio (uma vez que possui um alto Z = 53). Esses cintiladores cristalinos são caracterizados por tempos de alta densidade, alto número atômico e decaimento de pulso de aproximadamente 1 microssegundo (~ 10 -6sec). A cintilação em cristais inorgânicos é tipicamente mais lenta que nos orgânicos. Eles exibem alta eficiência na detecção de raios gama e são capazes de lidar com altas taxas de contagem. Os cristais inorgânicos podem ser cortados em tamanhos pequenos e dispostos em uma configuração de matriz para fornecer sensibilidade à posição. Esse recurso é amplamente utilizado em imagens médicas para detectar raios-X ou raios gama. Cintiladores inorgânicos são melhores na detecção de raios gama e raios-X. Isto é devido à sua alta densidade e número atômico, o que fornece uma alta densidade de elétrons.
  • Nêutrons . Como os nêutrons são partículas eletricamente neutras, elas estão sujeitas principalmente a fortes forças nucleares, mas não a forças elétricas. Portanto, os nêutrons não são diretamente ionizantes e geralmente precisam ser convertidos em partículas carregadas antes que possam ser detectados. Geralmente, todo tipo de detector de nêutrons deve estar equipado com conversor (para converter a radiação de nêutrons em radiação detectável comum) e um dos detectores de radiação convencionais (detector de cintilação, detector de gases, detector de semicondutores, etc.).  Os nêutrons rápidos (> 0,5 MeV) dependem principalmente do próton de recuo nas reações (n, p). Materiais ricos em hidrogênio, por exemplo, cintiladores plásticos, portanto, são mais adequados para sua detecção. Os nêutrons térmicos dependem de reações nucleares, como as reações (n, γ) ou (n, α), para produzir ionização. Materiais como LiI (Eu) ou silicatos de vidro são, portanto, particularmente adequados para a detecção de nêutrons térmicos.

Espectroscopia gama usando contador de cintilação

Veja também: Espectroscopia gama usando contador de cintilação

Veja também: Espectroscopia gama

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

Espectro do detector HPGe
Figura: Legenda: Comparação dos espectros de NaI (Tl) e HPGe para o cobalto-60. Fonte: Radioisótopos e metodologia de radiação I, II. Soo Hyun Byun, notas de aula. Universidade McMaster, Canadá.

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

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