CIOBANU BOGDAN Inginerie Fizic, An III

DETECTOARE DE RADIAII NUCLEAREIntroducereDetectorii de radiaii nucleare reprezint sisteme care pun n eviden existena radiaiilor nucleare i permit determinarea calitativ sau cantitativ a unora dintre caracteristicile lor: numrul de particule nucleare, energia, masa particulelor, etc. Detectorul de radiaii nucleare convertete particulele incidente pe suprafaa sa activ n semnal 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 dintr-un mediu n care radiaia nuclear produce un efect specific; sistemul de nregistrare a efectului produs de particul asigur amplificarea i prelucrarea semnalului obinut.Procesul fundamental al interaciunii radiaiilor nuclere cu material, este dat de faptul c energia implicat n procesul de interaciune este mai mare dect energia de legtur a electronilor din atom i poate genera schimbri sau transformri n structura atomilor componeni ai substanei.Particulele ncrcate produc ionizare i scintilaii iar particulele care nu au sarcin electric sunt detectate indirect prin intermediul particulelor ncrcate pe care le produc n materialul detectorului. Spre exemple: fotonii produc electroni (prin efect fotoelectric extern sau efect Compton) care la rndul lor produc ionizare; neutronii produc reacii nucleare n care apar particule ncrcate ce produc ionizare.1.1. Clasificare detectori de radiaii nucleare

Detectorii de radiatii nucleare se clasific n funcie de mecanismele de interaciune conform tabelului de mai jos:

Tabelul 1 Clasificare detectori de radiaii nucelare.

Mecanismul de interaciuneTip de detectorMediulNr. Electroni / fotoni liberi per cm

IonizareGazoigaze nobile, hidrocarburi 90%~100%~100%~100%

MeV 1-2%1-2%20-80%30-100%5-15%

keV ~10%~10%100%joasjoas

2. Tipuri de detectori2.1. Camera de ionizare

Camera de ionizare este o incint nchis, de form cilindric, n care se gsesc doi electrozi plan paraleli i un gaz aflat n condiii normale. Cei doi electrozi formeaz un condensator plan cu electrozii aflai la distana de 3 6 cm unul de altul. n lungul traiectoriei particulei nucleare ncrcate care strbate gazul camerei se produc ioni pozitivi i electroni. Numrul perechilor de sarcini care se produc depinde de natura radiaiei care a interacionat cu moleculele gazului i de energia lor cinetic.Curentul de ionizare este amplificat i msurat. El este proporional cu numrul total de perechi ion - electron creai de particule n unitatea de timp.Dezavantaje: n camera de ionizare curentul obinut este mic, fapt ce duce la necesitatea folosirii unui sistem de nregistrare complicat.

Fig. 1 Camera de ionizare2.2. Contorul Geiger MllerContorul GeigerMller face parte din categoria detectorilor cu ionizare n gaz.Acest detector are o construcie simpl, fiind alctuit din doi electrozi introdui ntr-un tub de sticl sau de metal (fiind de fapt un condensator cilindric). Tubul conine i un gaz nobil la presiune joas (zeci de torri). De obicei, electrozii au geometrie cilindric, anodul fiind un fir metalic, subire, dispus pe axul unui cilindru care constituie catodul. Acesta din urm poate fi un strat conductor depus pe peretele interior al tubului de sticl, iar dac tubul exterior este metalic, va servi chiar el drept catod. ntre cei doi electrozi se aplic o diferen de potenial.n regiunea din jurul firului central se obine un cmp electric intens n care electronii sunt accelerai puternic i n deplasarea lor spre anod produc ionizri n avalan.

Fig. 2 - Contorul GeigerMllerLa trecerea unei radiaii prin volumul contorului se produce excitarea i ionizarea moleculelor gazului. n funcie de natura radiaiei incidente, ionizarea se poate face direct, n cazul particulelor cu sarcin electric, sau indirect, prin intermediul electronilor smuli din peretele contorului de radiaiile X i (, respectiv al unei particule ncrcate rezultate dintr-o reacie nuclear produs de neutroni. Ionii i electronii formai, dac sunt accelerai n cmp electric, pot produce la rndul lor ionizri secundare. Caracterul descrcrii interioare depinde de tensiunea aplicat pe contor.Sarcinile electrice aprute n urma trecerii unei particule sunt colectate i provoac variaia ntr-un timp scurt a tensiunii aplicate pe contor, deci un puls de tensiune care apare la bornele contorului i care este transmis la instalaia de numrare.n cazul contorului GeigerMller apare multiplicarea n gaz a sarcinilor prin ionizri secundare, adic descrcarea n avalan. Dar, funcionarea contorului GeigerMller se bazeaz pe existena unui cmp electric de intensitate mare, astfel c descrcarea n avalan se intensific i este nsoit de avalane secundare. Astfel, pulsurile de tensiune care apar au amplitudine mare (1-10 V sau mai mult) i pot fi numrate direct, fr amplificare prealabil.Acest detector permite numai numrarea particulelor nucleare fr a determina alte proprieti ale acestora.2.3. Camera cu cea

Camera cu cea, cunoscut i sub numele de camer Wilson, este utilizat pentru detecia particulelor de radiaie ionizant. n cea mai elementar form, o camer cu cea este un mediu sigilat care conine vapori de ap sau alcool, superrcii, suprasaturai. Cnd o particul alfa sau o particul beta interacioneaz cu vaporii, i ionizeaz. Ionii rezultai se comport ca nuclei de condensare, n jurul creia se va forma cea (deoarece amestecul este n pragul condensului). Energiile mari ale particulelor alfa i beta nseamn c rmne o urm, datorit faptului c se produc muli ioni de-a lungul cii particulei ncrcate electric. Aceste urme au forme distincte (de exemplu, urma unei particule alfa este larg i dreapt, iar cea a unui electron este mai ngust i prezint semne de deviere). Cnd se aplic un cmp magnetic vertical, particulele ncrcate pozitiv i negativ vor avea traiectorii curbate n direcii opuse.Traiectoriile particulelor ncrcate apar n camera cu cea sub forma unor urme vizibile la o iluminare lateral i pot fi fotografiate. Traiectoriile particulelor alfa apar n majoritatea cazurilor practic rectilinii (figura alturat). Traiectoriile se caracterizeaz prin grosimea i continuitatea lor, care se datoreaz puternicei ionizri specifice, adic a numrului mare de perechi de ioni formai pe unitate de lungime de drum. Pe fotografii mrite se pot vedea amnunte importante: multe traiectorii se pot termina printr-o cotitura brusca (crlig), n alte cazuri se vd deviaii sub unghi mic n puncte mai mult sau mai puin deprtate de captul traiectoriei. Foarte rar, unghiul de deviaie este mai mare; mai rar, nc, traiectoria se termin printr-o furc.

Fig.3 Camera cu cea

Fig. 4 Imagine cu traiectoriile particulelor nucleare din camera cu cea2.4. Camera cu bule

O camer cu bule este un vas umplut cu un lichid transparent supranclzit (cel mai adesea hidrogen lichid) folosit pentru a detecta particule ncrcate electric care se deplaseaz prin el. A fost inventat n 1952 de Donald Glaser, pentru care acesta a primit n 1960 Premiul Nobel pentru fizic.Camera cu bule este similar camerei cu cea n aplicaii i n principiul de baz. n mod normal este realizat prin umplerea unui cilindru mare cu un lichid nclzit pn aproape de punctul su de fierbere. n timp ce particulele intr n camer, un piston i reduce brusc presiunea, iar lichidul intr ntr-o faz de supranclzire, metastabil. Particulele ncrcate creeaz o urm de ionizare n jurul creia lichidul se evapor, formnd bule microscopice. Densitatea bulelor n jurul unei urme este proporional cu cantitatea de energie pierdut de particul.

Fig. 5 Camera cu bule

Bulele cresc n mrime cu ct camera i crete volumul, pn devin destul de mari pentru a fi vzute sau fotografiate. Cteva camere foto sunt montate n jurul ei, furniznd o imagine tridimensional a experimentului. Au fost folosite camere cu bule cu rezoluii pn la civa micrometrii. ntreaga camer este supus unui cmp magnetic constant, ceea ce determin particulele ncrcate s se deplaseze n spiral, cu raza determinat de raportul sarcin-mas. Dat fiind c pentru toate particulele subatomice ncrcate electric i cu via lung, sarcina lor este cea a unui electron, iar raza de curbur este astfel proporional cu impulsul.n fotografia urmtoare se vd traseele unor particule n camera cu bule. Camera cu bule este plasata ntr-un cmp magnetic omogen i perpendicular pe figur, astfel nct traiectoriile apar curbate ca urmare a forei Lorentz ce acioneaz asupra lor. Traseele care parcurg camera orizontal i sunt puin curbate n sus, aparin unui fascicul de protoni. Traseele spirale (n sus i n jos) aparin unui electron i unui pozitron, produi ca pereche sub influena unei radiaii gamma care nu este vizibila n imagine.

Fig. 6 Imagine cu traiectoriile particulelor nucleare din camera cu bule

Fig. 7 Parametrii de operare pentru camere cu bule avnd diferite volume sensibile2.5. Detectori cu semiconductori

Interaciunea unei radiaii nucleare cu semiconductorul, genereaz electroni n banda de conducie i goluri n banda de valen care vor fi colectai i transformai n semnal ca urmare a scderii rezistivitaii jonciunii. n funcie de numrul de perechi de sarcin formate (care sunt dependente de energia radiaiei), avem intensiti diferite ale impulsurilor nregistrate. Purttorii de sarcin colectai, prin aplicarea unei diferene de potenial, formeaz un puls a crui amplitudine este proporional cu energia particulelor nucleare nregistrate. Datorit rezoluiei energetice foarte bune, detectorii cu semiconductori nlocuiesc treptat ceilali detectori n cercetrile de fizic nuclear.

Fig. 8 Geometria tipic a unui detector cu semiconductor

2.6. Detectori cu scintilaii2.6.1. Scintilatorul

Scintilatorii sau fosforii sunt substane luminiscente care sub aciunea radiaiilor nucleare, emit lumin sub impactul particulelor , , i ioni. Particulele ionizante i pierd energia ioniznd i excitnd n lungul traiectoriei lor moleculele fosforului. O parte din energia pierdut de particul este reemis sub form de scintilaii luminoase printr-un proces de luminiscen (fluorescena i fosforescen).Se cunosc dou tipuri de emisie luminiscent: fluorescena i fosforescena. Cnd electronii, datorit campului coulumbian al particulei, sunt ridicai pe stri excitate mai nalte, ei pot reveni la starile de energie mai joas, fie direct, fie pe calea unei stri intermediare (metastabile). Dac n timpul ct ocup aceast stare metastabil electronul este ridicat n starea iniial excitat pe seama energiei termice, el poate apoi s atinga starea fundamental prin emisia unei radiaii ce corespunde n energie absorbiei iniiale

Aceast emisie ntarziat a radiaiei este numit fosforescen, procesul direct fiind numit fluorescen. Intensitatea emisiei fosforescente crete cu temperatura i, n timp ce fluorescena se petrece rapid, dezexcitarea fosforescent se produce cu ntarziere, n general, aproximativ n 10-8 s. Pentru ca un scintilator s fie un bun detector trebuie s aib o durat a fosforescenei mic.

Scintilatorul 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 (, p, ioni grei etc.) necesita scintilatori subiri (de ordinul milimetrilor i mai subiri), pe cnd detectarea radiaiilor , i a neutronilor cere scintilatori groi (de la civa milimetri la centimetri), pentru a absorbi cea mai mare parte din energia particulei incidente. Scintilatorul trebuie s fie transparent la propria sa radiaie de luminiscen. Radiaia i pierde energia n scintilator prin intermediul electronilor Compton, electronilor fotoelectrici sau electronilor de perechi. Pentru ca randamentul luminos s fie ct mai mare, substanele cu proprietati scintilatoare pentru radiaia trebuie s aib un numar atomic ridicat. Spectrul de emisie trebuie s corespund cu raspunsul fotomultiplicatorului (caracteristica spectrala a fotocatodului fotomultiplicatorului). Durata emisiei luminoase trebuie sa fie cat mai mic posibil pentru a putea avea o rezoluie temporal bun. Scintilatorul trebuie s aib o tehnologie de preparare usoar i s nu se altereze n timp.2.6.2.1. Scintilatorii plasticin fizica nuclear scintilatorii plastici sunt probabil cei mai utilizati scintilatori din clasa scintilatorilor organici. Exist o mare asemanare ntre scintilatorii plastici i cei lichizi. Ca i lichidele organice, scintilatorii din plastic sunt de asemenea soluii de scintilatori organici, dar n solveni plastici solizi. Derivatele unor substante precum polivinilbenzenul sau poliviniltoluenul sunt solvenii plastici cei mai eficace. Scintilatorii plastici pot avea cele mai diferite forme i dimensiuni. Pot lucra ntr-un domeniu larg de temperatura (-200oC70oC) i pot lucra n vid naintat. Scintilatorii 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. Asociai cu fotomultiplicatori rapizi, acesti detectori au o rezoluie temporal de ordinul zecilor de nanosecund; au raspuns liniar pentru electronii de energie mai mare de 0.125MeV, fiind folosii n spectrometria . La aceasta contribuie i faptul ca aceti scintilatori au densitatea mic i conin elemente cu numr atomic mic. Acest lucru determin o reducere considerabil a erorilor datorate fenomenului de retroimprastiere; scintilatorii organici conin hidrogen n proporii mari, ei putand fi astfel utilizai pentru detecia neutronilor rapizi prin metoda protonilor de recul. Eficacitatea de detecie a neutronilor poate fi imbunatait prin introducerea n scintilatorii organici a unor substane cu seciune mare de absorbie pentru neutroni, cum ar fi cadmiu, litiu etc.Scintilatorii plastici ofer un semnal foarte rapid cu o constant de scdere de aproximativ 2-3ns i o crestere uoar. Datorit acestei scderi rapide, timpul finit de cretere nu poate fi ignorat n descrierea pulsului. Cea mai buna descriere matematic este o combinaie ntre o funcie de tip Gauss i o funcie exponenial:

unde este o funcie de tip Gauss cu o deviere standart . 2.6.2. Fotomultiplicatorul

Fenomenul pe care se bazeaz funcionarea acestor detectori const n apariia de scintilaii n cristale anorganice sau substane organice. La baza construciei unui scintilator st fenomenul de fluorescen care const n schimbul de energie dintre particulele nucleare i materialul scintilatorului. Lumina produs de scintilator este transportat la fotomultiplicator. Fotocatodul are rolul de a transforma un semnal luminos ntr-un semnal electric. Semnalul electric este trimis ctre un fotomultiplicator ce este format dintr-un ansamblu de dinode, un divizor de tensiune i un anod.

Fig. 9 Fotomultiplicatorul

Fotonii aprui n scintilator (scintilaiile) cad pe fotocatod, care transform fotonii n electroni (numii i fotoelectroni) prin efect fotoelectric. ntre fotomultiplicator i prima dinod, ntre dinode i ntre ultima dinoda i anod se aplic diferene de potenial, cu ajutorul unui divizor de tensiune. Aceste valori cresc, ntre 900 V i 2500 V. Sub aciunea cmpului electric, fotoelectronii sunt accelerai spre prima dinod de unde extrag prin emisie secundar mai muli electroni care sunt 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 pe fotocatod (scinilatiile).Amplitudinea pulsului de tensiune, obinut cu ajutorul fotomultiplicatorului, este proporional cu numrul de scintilaii produse de particula ncrcat la trecerea prin cristal, deci cu energia acesteia. Datorit acestui fapt, detectorul cu scintilaie se folosete att la numrarea radiaiilor nucleare ct i la msurarea energiei acestora. Dinodele pot fi construite n diferite moduri i, n funcie de configuraie, este afectat timpul de rspuns i gradul de linearitate al fotomultiplicatorului. n prezent, cinci tipuri de configuraii se afla n uz: cu stor veneian; cu focalizare liniar; cu focalizare circular; box and grid; de tip farfurie cu microcanale.2.6.3. Detectorul cu scintilatorDin cele prezentate mai sus reiese c cele dou componente de baz ale unui detector cu scintilaie sunt scintilatorul i fotomultiplicatorul. Pentru obinerea unui detector cu eficacitate mare trebuie realizata o cuplare optim ntre cele dou componente, astfel nct s se obin o colecie i un transport al luminii ct mai mare.Pierderile de lumin la un scintilator au dou cauze majore: pierderile prin suprafaa scintilatorului i n materialul scintilator. Pentru detectorii cu dimensiuni mici, pierderile prin absorbie sunt neglijabile. Doar atunci cnd dimensiunile scintilatorului sunt de aa natur nct distana strbatut de electroni este comparabil cu distana de atenuare, absorbia va juca un rol important. Acest parametru de atenuare este definit ca acea distan n care intensitatea luminii scade cu un factor e-l. Intensitatea luminii ca o funcie de distan de atenuare este de forma:

Unde l este lungimea de atenuare, x estelungimea drumului parcurs de lumina si Lo este intensitatea iniial a luminii. De departe cele mai importante pierderi ntr-un scintilator sunt cele datorate scparilor. Lumina emis n orice punct al scintilatorului se propag n toate direciile i numai o fraciune ajunge la fotomultiplicator. n funcie de unghiul de inciden, se pot observa dou fenomene. Daca lumina este emis la un unghi mai mare dect unghiul Brewster, are loc reflexia intern, n acest fel lumina fiind retrimis n scintilator. La unghiuri mai mici decat unghiul Brewster, are loc fenomenul de reflexie parial, o parte din lumina fiind ntoars n scintilator i alta parte transmis n afara scintilatorului. Aceste pierderi duc la o scdere a eficienei i a rezoluiei energetice a detectorului. Prin utilizarea unor detectori mari i cu anumite geometrii de scintilatori aceste pierderi pot fi reduse. Ca metoda de reducere a acestor pierderi se utilizeaz i invelirea scintilatorului ntr-un material reflectant care are rolul de a reflecta radiaia, nepermind transmisia ei n exterior. Astfel crete probabilitatea, nct o cantitate ct mai mare de lumin s ajung la fotomultiplicator.Cuplarea 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 necesitatea ntre cele dou medii s fie facut un contact optic printr-un material al crui indice de refracie s fie ct mai apropiat de cel al scintilatorului i al ferestrei fotomultiplicatorului. Cel mai comun agent este uleiul de silicon.2.7. Detectorul CerenkovPentru experimentele de Fizic nuclear relativista care urmresc reconstrucia tridimensional a traiectoriilor particulelor sunt utilizai detectorii Cerenkov. Indiferent de tipul lor detectori Cerenkov cu prag, detectori Cerenkov difereniali, detectori Cerenkov inelari pentru formare de imagini (Ring Image Cerenkov Counter - RICH) toi se bazeaz pe faptul c la trecerea unei particule printr-un mediu cu o vitez mai mare dect viteza luminii n mediul respectiv este emis o radiaie electromagnetic (efectul Cerenkov).Orice detector Cerenkov foloseste unul sau mai multe tuburi fotomultiplicatoare pentru a detecta lumina Cerenkov i a nregistra trecerea unei particule. Detectorii Cerenkov au proprietatea de discriminare ntre particule care au viteze diferite. Daca este posibila msurarea impulsurilor acestor particule, atunci se poate face discriminare i dupa masa particulelor.Un detector Cerenkov este format dintr-un container umplut cu un material transparent la lumina Cerenkov material aflat ntr-una din cele trei stri de agregare uzuale cu indice de refracie ales n mod corespunzator.Dac detectorii Cerenkov cu prag i cei difereniali sunt folosii, n principal, pentru identificarea unor particule i separarea lor pe intervale unghiulare mici, detectorii Cerenkov inelari pentru formare de imagini pot fi folositi pentru identificarea particulelor emise dintr-o interacie ntr-un domeniu unghiular mare. n acest caz este necesar folosirea unui sistem optic care s focalizeze lumina emis ntr-un con Cerenkov ntr-un detector de raza determinat de unghiul la vrf al conului, deci de viteza particulei. Este util n spectrometre mari care folosesc cmpuri magnetice intense pentru identificarea particulelor emise n anumite intervale unghiulare.Folosirea detectorilor cu radiaie de tranziie are la baza apariia unei radiatii electromagnetice atunci cnd o particul cu sarcin strbate suprafaa de contact dintre dou materiale care au proprieti dielectrice diferite. Detecia s-ar putea baza pe producerea de ctre particula a unui cmp electric dependent de timp, atunci cnd variaia constantei dielectrice este la nivel macroscopic. Se 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, ceea ce permite apariia radiaiei de tranziie la toate interfeele. Performanele unui astfel de detector depind de geometria i materialele folosite.Primii detectori cu radiaie de tranziie au fost folosii n experimente de raze cosmice pentru identificarea electronilor i a pionilor de energii foarte mari. n prezent a nceput folosirea lor i n experimente la acceleratori.Cunoscnd principiile de funcionare ale principalelor tipuri de detectori folosii n experimente de Fizic nuclear relativist se poate ntelege mai usor de ce au fost selectai unii dintre ei n diferite aranjamente experimentale complexe.Bibliografie:E. Badarau, I. Popescu "Gaze ionizate", Editura tehnic, 1965D. Poenaru, N. Vlcov "Msurarea radiaiilor nucleare cu dispozitive semiconductoare", Ed. Academiei, 1967K. N. Muhin "Fizica nuclear experimental", vol. I i II Ed. Tehnica, 19811982C. Leroy, P. G. Rancoita, Principles of Radiation Interaction in Matter and Detection, 2nd Edition, World Scientific Publishing, Singapore, 2009Internet: www.wikipedia.ro i www.wikipedia.en .Vapori suprasaturani

Fereastr

Surs de radiaii

B

p+

p

n n+

Contacte metalice

+V

semnal