Referat Belc

7/26/2019 Referat Belc

1/14

Master Anul I

Fizica i Tehnologia Materiei Condensate

DETECTOARE DERADIA II

Profesor coordonator: Masterand:

. I. Dr. M. Belc Ciuraru Ioana Claudia

Constan a !"#


2/14

DETECTOARE DE RADIA$II %&C'EARE

Introducere

Detectorii de radiaii nucleare reprezint sisteme care pun n eviden existena radiaiilornucleare i permit determinarea calitativ sau cantitativ a unora dintre caracteristicile lor: numrulde particule nucleare, energia, masa particulelor, etc.

Detectorul de radiaii nucleare convertete particulele incidente pe suprafaa sa activ nsemnal electric (sarcin sau tensiune) sub form de impulsuri.

Detectorul de radiaii este format, de regul, din dou pri componente: corpul de detecie propriu-zis const dintrun mediu n care radiaia nuclear produce

un efect specific! sistemul de nregistrare a efectului produs de particul asigur amplificarea i

prelucrarea semnalului obinut."rocesul fundamental al interaciunii radiaiilor nuclere cu material, este dat de faptul c

energia implicat n procesul de interaciune este mai mare dec#t energia de legtur a electronilordin atom i poate genera sc$imbri sau transformri n structura atomilor componeni ai substanei.

"articulele ncrcate produc ionizare i scintilaii iar particulele care nu au sarcin electricsunt detectate indirect prin intermediul particulelor ncrcate pe care le produc n materialuldetectorului. %pre exemple:

fotonii produc electroni (prin efect fotoelectric extern sau efect &ompton) care la

r#ndul lor produc ionizare! neutronii produc reacii nucleare n care apar particule ncrcate ce produc ionizare.

".". Clasificare detectori de radia(ii nucleare

Detectorii de radiatii nucleare se clasific n funcie de mecanismele de interaciuneconform tabelului de mai 'os:

Tabelul 1 Clasificare detectori de radiaii nucelare.

Mecanis)ul deinterac(iune

Ti* de detector Mediul %r. Electroni + fotonili,eri *er c)

Ionizare

azoi gaze nobile, $idrocarburi *+

%olizi siliciu, germaniu *+

&amere cu bule $idrogen lic$id urme de bule

E)isie+con-ersie de

radia(ii nucleare

%cintilatori sticl, plastic *+-

otomultiplicatori cadmium, pam#nturi rare *+/


3/14

Detectori &eren0ov gaz, plastic *+-

".. Para)etrii unui detector de radia ( ii

Sensibilitatea numrul minim de cuante1particule detectate pentru un anumit c#mp deradiaie (capacitatea acestuia de a detecta i msura radiaiile de interes n prezena zgomotelor i

a semnalelor cauzate de alte radiaii).Rezoluie energetic precizia cu care detectorul poate msura energia radiaiei i capacitatea

de discernere ntre diferite tipuri de radiaii observate, pentru un fascicul monoenergetic dat.Funcia de rspuns relaia dintre energia iniial a cuantei1particulei i intensitatea

impulsului de ieire. Dac nimea impulsului sau aria acestuia crete liniar cu energia depozitatn materialul detectorului detectori spectrometrici. Dac dau acelai impuls pentru oricare

particul detectat (numrtori).Eficiena fraciunea de radiaii din numrul incident, care este nregistrat de detector.

2ceast caracteristic are dou componente: eficiena intrinsec (fraciune de particule1cuantecare interacioneaz cu volumul detectorului i este detectat) i eficiena geometric (ung$iulsolid sub care este observat sursa).

Timpul de rspuns durata dup care detectorul genereaz un impuls n urma interaciuniiunei cuante de radiaie cu materialul sensibil al acestuia.

Timpul mort intervalul de timp dintre nregistrarea a dou cuante1particule (timpul n caredetectorul nu nregistreaz). 2cest caracteristic este dat printro valoare medie.

Tabelul 2 Parametrii detectori de radiaii nucleare.

Ionizare cintila(ie

Ti* detector /0M Pro*or(ional e)icon. %aI:Tl Plastic

R1s*uns fixat liniar liniar liniar liniar

Rezolu(ie nu *+*34 +.-+./4 3*+4 *3-+4

Ti)* de

r1s*uns*++5s /+3+ns *++ns *++ns *-ns

Ti)* )ort /++5s *++ns **+5s *5s *+ns

Eficien(1 23 4 6 7+4 6 7+4 *++4 *++4 *++4

Me5 6 *-4 *-4 -+8+4 /+*++4 3*34

7e5 6 *+4 *+4 *++4 'oas 'oas


4/14

. Ti*uri de detectori

.". Ca)era de ionizare

&amera de ionizare este o incint nc$is, de form cilindric, n care se gsesc doi electroziplan 9 paraleli i un gaz aflat n condiii normale. &ei doi electrozi formeaz un condensator plan

cu electrozii aflai la distana de / 9 cm unul de altul.;n lungul traiectoriei particulei nucleare ncrcate care strbate gazul camerei se produc ioni

pozitivi i electroni.


5/14

ig. 2 - Contorul !eiger"#ller

Aa trecerea unei radiaii prin volumul contorului se produce excitarea i ionizarea moleculelorgazului. ;n funcie de natura radiaiei incidente, ionizarea se poate face direct, n cazul particulelorcu sarcin electric, sau indirect, prin intermediul electronilor smuli din peretele contorului de

radiaiile B i , respectiv al unei particule ncrcate rezultate dintro reacie nuclear produs de

neutroni. Conii i electronii formai, dac sunt accelerai n c#mp electric, pot produce la r#ndul lorionizri secundare. &aracterul descrcrii interioare depinde de tensiunea aplicat pe contor.

%arcinile electrice aprute n urma trecerii unei particule sunt colectate i provoac variaia

ntrun timp scurt a tensiunii aplicate pe contor, deci un puls de tensiune care apare la bornelecontorului i care este transmis la instalaia de numrare.

;n cazul contorului eiger9>?ller apare multiplicarea n gaz a sarcinilor prin ionizrisecundare, adic descrcarea n avalan. Dar, funcionarea contorului eiger9>?ller se bazeaz

pe existena unui c#mp electric de intensitate mare, astfel c descrcarea n avalan se intensifici este nsoit de avalane secundare. 2stfel, pulsurile de tensiune care apar au amplitudine mare(**+ sau mai mult) i pot fi numrate direct, fr amplificare prealabil.

2cest detector permite numai numrarea particulelor nucleare fr a determina alte proprietiale acestora.


6/14

.. Ca)era cu cea(1

&amera cu cea, cunoscut i sub numele de camer Eilson, este utilizat pentru deteciaparticulelor de radiaie ionizant. ;n cea mai elementar form, o camer cu cea este un mediusigilat care conine vapori de ap sau alcool, superrcii, suprasaturai. nd o particul alfa sau o

particul beta interacioneaz cu vaporii, i ionizeaz. Conii rezultai se comport ca nuclei decondensare, n 'urul creia se va forma cea (deoarece amestecul este n pragul condensului).

=nergiile mari ale particulelor alfa i beta nseamn c rm#ne o urm, datorit faptului c seproduc muli ioni dea lungul cii particulei ncrcate electric. 2ceste urme au forme distincte (deexemplu, urma unei particule alfa este larg i dreapt, iar cea a unui electron este mai ngust i

prezint semne de deviere). nd se aplic un c#mp magnetic vertical, particulele ncrcatepozitiv i negativ vor avea traiectorii curbate n direcii opuse.

@raiectoriile particulelor ncrcate apar n camera cu cea sub forma unor urme vizibile la oiluminare lateral i pot fi fotografiate. @raiectoriile particulelor alfa apar n ma'oritatea cazurilor

practic rectilinii (figura alturat). @raiectoriile se caracterizeaz prin grosimea i continuitatea lor,care se datoreaz puternicei ionizri specifice, adic a numrului mare de perec$i de ioni formai

pe unitate de lungime de drum. "e fotografii mrite se pot vedea amnunte importante: multetraiectorii se pot termina printro cotitura brusca (Fc#rligG), n alte cazuri se vd deviaii sub ung$imic n puncte mai mult sau mai puin deprtate de captul traiectoriei. oarte rar, ung$iul dedeviaie este mai mare! mai rar, nc, traiectoria se termin printro furc.

ig.$ Camera cu cea

ig. % &magine cu traiectoriile particulelor nucleare din camera cu cea

.;. Ca)era cu ,ule

5a*ori su*rasaturan(i

Fereastr1

urs1 de radia(ii

B


7/14

H camer cu bule este un vas umplut cu un lic$id transparent supranclzit (cel mai adesea$idrogen lic$id) folosit pentru a detecta particule ncrcate electric care se deplaseaz prin el. 2fost inventat n *73- de Donald laser, pentru care acesta a primit n *7+ "remiul


8/14

ig. ( &magine cu traiectoriile particulelor nucleare din camera cu bule

ig. ) Parametrii de operare pentru camere cu bule a*+nd diferite *olume sensibile

-.3. Detectori cu se)iconductori

Cnteraciunea unei radiaii nucleare cu semiconductorul, genereaz electroni n banda deconducie i goluri n banda de valen care vor fi colectai i transformai n semnal ca urmare ascderii rezistivitaii 'onciunii.

;n funcie de numrul de perec$i de sarcin formate (care sunt dependente de energia

radiaiei), avem intensiti diferite ale impulsurilor nregistrate."urttorii de sarcin colectai, prin aplicarea unei diferene de potenial, formeaz un puls acrui amplitudine este proporional cu energia particulelor nucleare nregistrate.


9/14

Datorit rezoluiei energetice foarte bune, detectorii cu semiconductori nlocuiesc treptatceilali detectori n cercetrile de fizic nuclear.

ig. , !eometria tipic a unui detector cu semiconductor

.#. Detectori cu scintila(ii

.#.". cintilatorul

%cintilatorii sau fosforii sunt substane luminiscente care sub aciunea radiaiilor nucleare,emit lumin sub impactul particulelor J, K, L i ioni. "articulele ionizante i pierd energia

ioniz#nd i excit#nd n lungul traiectoriei lor moleculele fosforului. H parte din energia pierdutde particul este reemis sub form de scintilaii luminoase printrun proces de luminiscen(fluorescena i fosforescen).

%e cunosc dou tipuri de emisie luminiscent: fluorescenai fosforescena. nd electronii,datorit campului coulumbian al particulei, sunt ridicai pe stri excitate mai nalte, ei pot revenila starile de energie mai 'oas, fie direct, fie pe calea unei stri intermediare (metastabile). Dac ntimpul c#t ocup aceast stare metastabil electronul este ridicat n starea iniial excitat peseama energiei termice, el poate apoi s atinga starea fundamental prin emisia unei radiaii cecorespunde n energie absorbiei iniiale

2ceast emisie ntarziat a radiaiei este numit fosforescen, procesul direct fiind numitfluorescen. Cntensitatea emisiei fosforescente crete cu temperatura i, n timp ce fluorescena sepetrece rapid, dezexcitarea fosforescent se produce cu ntarziere, n general, aproximativ n *+8

s. "entru ca un scintilator s fie un bun detector trebuie s aib o durat a fosforescenei mic.%cintilatorul trebuie s ndeplineasc anumite condiii pentru a fi utilizat n detecia radiaiilor

nucleare: s aib un randament mare n convertirea energiei particulei n energie luminoas util.Detectarea particulelor puin penetrante (J, p, ioni grei etc.) necesita scintilatori subiri (de

ordinul milimetrilor i mai subiri), pe c#nd detectarea radiaiilor K, L i a neutronilor cerescintilatori groi (de la civa milimetri la centimetri), pentru a absorbi cea mai mare parte dinenergia particulei incidente. %cintilatorul trebuie s fie transparent la propria sa radiaie deluminiscen. Madiaia L i pierde energia n scintilator prin intermediul electronilor &ompton,electronilor fotoelectrici sau electronilor de perec$i. "entru ca randamentul luminos s fie c#t maimare, substanele cu proprietati scintilatoare pentru radiaia L trebuie s aib un numar atomicridicat. %pectrul de emisie trebuie s corespund cu raspunsul fotomultiplicatorului (caracteristica

*< * n n< Contacte

)etalice


10/14

spectrala a fotocatoduluifotomultiplicatorului). Durata emisiei luminoase trebuie sa fie cat maimic posibil pentru a putea avea o rezoluie temporal bun. %cintilatorul trebuie s aib ote$nologie de preparare usoar i s nu se altereze n timp.

.#..". cintilatorii *lastici;n fizica nuclear scintilatorii plastici sunt probabil cei mai utilizati scintilatori din clasa

scintilatorilor organici. =xist o mare asemanare ntre scintilatorii plastici i cei lic$izi. &a ilic$idele organice, scintilatorii din plastic sunt de asemenea soluii de scintilatori organici, dar nsolveni plastici solizi. Derivatele unor substante precum polivinilbenzenul sau poliviniltoluenulsunt solvenii plastici cei mai eficace. %cintilatorii plastici pot avea cele mai diferite forme idimensiuni. "ot lucra ntrun domeniu larg de temperatura (-++ o&NO+o&) i pot lucra n vidnaintat. %cintilatorii plastici au o serie de proprietati care i fac utili n multe aplicaii:

prezint un grad nalt de flexibilitate!

sunt uor de fabricat i pot fi adui n forma geometric dorit.

pot fi uor atacai de solveni organici precum aceton!

au forme i dimensiuni foarte variate! au timpi de scintilaie extrem de mici i drept urmare sunt folositi cu precadere n

masurtorile de timp. 2sociai cu fotomultiplicatori rapizi, acesti detectori au o rezoluietemporal de ordinul zecilor de nanosecund!

au raspuns liniar pentru electronii de energie mai mare de +.*-3"e, fiind folosii n

spectrometria K. Aa aceasta contribuie i faptul ca aceti scintilatori au densitatea mic iconin elemente cu numr atomic mic. 2cest lucru determin o reducere considerabil aerorilor datorate fenomenului de retroimprastiere!

scintilatorii organici conin $idrogen n proporii mari, ei putand fi astfel utilizai pentru

detecia neutronilor rapizi prin metoda protonilor de recul. =ficacitatea de detecie aneutronilor poate fi imbunatait prin introducerea n scintilatorii organici a unor substanecu seciune mare de absorbie pentru neutroni, cum ar fi cadmiu, litiu etc.

%cintilatorii plastici ofer un semnal foarte rapid cu o constant de scdere de aproximativ -

/nsi o crestere uoar. Datorit acestei scderi rapide, timpul finit de cretere nu poate fi ignorat

n descrierea pulsului. &ea mai buna descriere matematic este o combinaie ntre o funcie de tip

auss i o funcie exponenial:

unde este o funcie de tip auss cu o deviere standart P.

.#.. Foto)ulti*licatorul

enomenul pe care se bazeaz funcionarea acestor detectori const n apariia de scintilaii ncristale anorganice sau substane organice. Aa baza construciei unui scintilator st fenomenul defluorescen care const n sc$imbul de energie dintre particulele nucleare i materialul

scintilatorului. Aumina produs de scintilator este transportat la fotomultiplicator.


11/14

otocatodul are rolul de a transforma un semnal luminos ntrun semnal electric. %emnalulelectric este trimis ctre un fotomultiplicator ce este format dintrun ansamblu de dinode, undivizor de tensiune i un anod.

ig. otomultiplicatorul

otonii aprui n scintilator (scintilaiile) cad pe fotocatod, care transform fotonii n electroni

(numii i FfotoelectroniG) prin efect fotoelectric. ;ntre fotomultiplicator i prima dinod, ntredinode i ntre ultima dinoda i anod se aplic diferene de potenial, cu a'utorul unui divizor detensiune. 2ceste valori cresc, ntre 7++ i -3++ . %ub aciunea c#mpului electric, fotoelectroniisunt accelerai spre prima dinod de unde extrag prin emisie secundar mai muli electroni caresunt accelerai spre urmtoarea dinod, unde produc din nou emisie secundar de electroni i

procesul se repet. Deci dinodele au rolul de a multiplica curentul produs de fotonii iniiali pefotocatod (scinilatiile).

2mplitudinea pulsului de tensiune, obinut cu a'utorul fotomultiplicatorului, este proporionalcu numrul de scintilaii produse de particula ncrcat la trecerea prin cristal, deci cu energiaacesteia. Datorit acestui fapt, detectorul cu scintilaie se folosete at#t la numrarea radiaiilornucleare c#t i la msurarea energiei acestora.

Dinodele pot fi construite n diferite moduri i, n funcie de configuraie, este afectat timpulde rspuns i gradul de linearitate al fotomultiplicatorului. ;n prezent, cinci tipuri de configuraiise afla n uz:

cu stor veneian!

cu focalizare liniar!

cu focalizare circular!

box and grid!

de tip Qfarfurie cu microcanaleG.


12/14

.#.. Detectorul cu scintilator

Din cele prezentate mai sus reiese c cele dou componente de baz ale unui detector cuscintilaie sunt scintilatorul i fotomultiplicatorul. "entru obinerea unui detector cu eficacitatemare trebuie realizata o cuplare optim ntre cele dou componente, astfel nc#t s se obin ocolecie i un transport al luminii c#t mai mare.

"ierderile de lumin la un scintilator au dou cauze ma'ore: pierderile prin suprafaa

scintilatorului i n materialul scintilator. "entru detectorii cu dimensiuni mici, pierderile prinabsorbie sunt negli'abile. Doar atunci c#nd dimensiunile scintilatorului sunt de aa natur nc#tdistana strbatut de electroni este comparabil cu distana de atenuare, absorbia va 'uca un rolimportant. 2cest parametru de atenuareeste definit ca acea distan n care intensitatea luminiiscade cu un factor el. Cntensitatea luminii ca o funcie de distan de atenuare este de forma:

Rnde l este lungimea de atenuare, x estelungimea drumului parcurs de lumina si Lo esteintensitatea iniial a luminii. De departe cele mai importante pierderi ntrun scintilator sunt cele

datorate scparilor. Aumina emis n orice punct al scintilatorului se propag n toate direciile inumai o fraciune a'unge la fotomultiplicator. ;n funcie de ung$iul de inciden, se pot observadou fenomene. Daca lumina este emis la un ung$i mai mare dec#t ung$iul IreSster, are locrefle/ia intern, n acest fel lumina fiind retrimis n scintilator. Aa ung$iuri mai mici decatung$iul IreSster, are loc fenomenul de refle/ie parial, o parte din lumina fiind ntoars nscintilator i alta parte transmis n afara scintilatorului. 2ceste pierderi duc la o scdere aeficienei i a rezoluiei energetice a detectorului. "rin utilizarea unor detectori mari i cu anumitegeometrii de scintilatori aceste pierderi pot fi reduse. &a metoda de reducere a acestor pierderi seutilizeaz i invelirea scintilatorului ntrun material reflectant care are rolul de a reflecta radiaia,

nepermind transmisia ei n exterior. 2stfel crete probabilitatea, nc#t o cantitate c#t mai mare delumin s a'ung la fotomultiplicator.&uplarea dintre scintilator i fotomultiplicator trebuie s permit transmisia maxim a

luminii, i lasand aer n zona de contact rezultatele ar fi dezastroase. De aici rezult necesitateantre cele dou medii s fie facut un contact optic printrun material al crui indice de refracie sfie c#t mai apropiat de cel al scintilatorului i al ferestrei fotomultiplicatorului. &el mai comunagent este uleiul de silicon.

.=. Detectorul Ceren7o-

"entru experimentele de izic nuclear relativista care urmresc reconstruciatridimensional a traiectoriilor particulelor sunt utilizai detectorii &eren0ov.

Cndiferent de tipul lor 9 detectori &eren0ov cu prag, detectori &eren0ov difereniali, detectori&eren0ov inelari pentru formare de imagini (Ming Cmage &eren0ov &ounter MC&T) 9 toi se

bazeaz pe faptul c la trecerea unei particule printrun mediu cu o vitez mai mare dec#t vitezaluminii n mediul respectiv este emis o radiaie electromagnetic (efectul &eren0ov).

Hrice detector &eren0ov foloseste unul sau mai multe tuburi fotomultiplicatoare pentru adetecta lumina &eren0ov i a nregistra trecerea unei particule. Detectorii &eren0ov au

proprietatea de discriminare ntre particule care au viteze diferite. Daca este posibila msurareaimpulsurilor acestor particule, atunci se poate face discriminare i dupa masa particulelor.


13/14

Rn detector &eren0ov este format dintrun container umplut cu un material transparent lalumina &eren0ov 9 material aflat ntruna din cele trei stri de agregare uzuale 9 cu indice derefracie ales n mod corespunzator.

Dac detectorii &eren0ov cu prag i cei difereniali sunt folosii, n principal, pentruidentificarea unor particule i separarea lor pe intervale ung$iulare mici, detectorii &eren0ovinelari pentru formare de imagini pot fi folositi pentru identificarea particulelor emise dintro

interacie ntrun domeniu ung$iular mare. ;n acest caz este necesar folosirea unui sistem opticcare s focalizeze lumina emis ntrun con &eren0ov ntrun detector de raza determinat deung$iul la v#rf al conului, deci de viteza particulei. =ste util n spectrometre mari care folosescc#mpuri magnetice intense pentru identificarea particulelor emise n anumite intervale ung$iulare.

olosirea detectorilor cu radiaie de tranziie are la baza apariia unei radiatii electromagneticeatunci c#nd o particul cu sarcin strbate suprafaa de contact dintre dou materiale care au

proprieti dielectrice diferite. Detecia sar putea baza pe producerea de ctre particula a unuic#mp electric dependent de timp, atunci c#nd variaia constantei dielectrice este la nivelmacroscopic. %e produce o polarizare tranzient a mediului i curentul de polarizare determin

apariia radiaiei de tranziie. Detectorii sunt sub form de straturi din dou materiale diferite, ceeace permite apariia radiaiei de tranziie la toate interfeele. "erformanele unui astfel de detectordepind de geometria i materialele folosite.

"rimii detectori cu radiaie de tranziie au fost folosii n experimente de raze cosmice pentruidentificarea electronilor i a pionilor de energii foarte mari. ;n prezent a nceput folosirea lor i nexperimente la acceleratori.

&unosc#nd principiile de funcionare ale principalelor tipuri de detectori folosii nexperimente de izic nuclear relativist se poate ntelege mai usor de ce au fost selectai uniidintre ei n diferite aran'amente experimentale complexe.


14/14

Bi,liografie

=. Iadarau, C. "opescu 9 Uaze ionizateU, =ditura te$nic, *73

D. "oenaru, surarea radiaiilor nucleare cu dispozitive semiconductoareU,

=d. 2cademiei, *7O

V. u$in 9 Uizica nuclear experimentalU, vol. C i CC =d. @e$nica, *78*9*78-

&. AeroW, ". . Mancoita, "rinciples of Madiation Cnteraction in >atter and Detection, - nd

=dition, Eorld %cientific "ublis$ing, %ingapore, -++7

Cnternet:SSS.Si0ipedia.roi SSS.Si0ipedia.en.
http://www.wikipedia.ro/http://www.wikipedia.ro/http://www.wikipedia.en/http://www.wikipedia.ro/http://www.wikipedia.en/

Documents

Referat Belc