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