Detector Radiacion

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  • DETECTORES DE RADIACIN FSICA NUCLEAR Y DE PARTCULASGrupo CCURSO 2004 2005

    ( I ) - INTERACCIN RADIACIN-MATERIA

  • INTRODUCCIN La mayora de los detectores de radiacin presentan un comportamiento similar: La radiacin entra en el detector e interacciona con los tomos de ste. Fruto de esta interaccin, la radiacin cede toda o parte de su energa a los electrones ligados de estos tomos. Se libera un gran nmero de electrones de relativamente baja energa que son recogidos y analizados mediante un circuito electrnico.

  • INTRODUCCIN El TIPO DE MATERIAL del detector depende de la clase de radiacin a estudiar y de la informacin que se busca obtener:

    Para detectar partculas alfa de desintegraciones radiactivas o partculas cargadas de reacciones nucleares a baja (MeV) energa, basta con detectores muy finos, dado que el recorrido mximo de estas partculas en la mayora de los slidos es tpicamente inferior a las 100 micras. En el caso de los electrones, como los emitidos en las desintegraciones beta, se necesita un grosor para el detector de 0.1 a 1 mm. Sin embargo, para detectar rayos gamma puede que un grosor de 5 cm resulte an insuficiente para convertir estos fotones tan energticos (MeV o superior) en un pulso electrn.

  • INTRODUCCIN

  • INTRODUCCIN El tipo de material del detector depende de la clase de radiacin a estudiar y de la informacin que se busca obtener:

    Para medir la energa de la radiacin, debemos escoger un detector en el cual la amplitud del pulso de salida sea proporcional a la energa de la radiacin. Se debe elegir un material en el que el nmero de electrones sea grande para evitar que posibles fluctuaciones estadsticas afecten al valor de la energa.

  • INTRODUCCIN El tipo de material del detector depende de la clase de radiacin a estudiar y de la informacin que se busca obtener:

    Para medir el tiempo en el que la radiacin fue emitida, debemos seleccionar un material en el que los electrones sean recogidos rpidamente en un pulso, siendo el numero de stos aqu menos importante.

  • INTRODUCCIN El tipo de material del detector depende de la clase de radiacin a estudiar y de la informacin que se busca obtener:

    Para determinar el tipo de partcula (por ejemplo, en una reaccin nuclear, en la que se pueden generar una gran variedad de partculas), debemos elegir un material en el que la masa o carga de la partcula de un efecto distintivo.

  • INTRODUCCIN El tipo de material del detector depende de la clase de radiacin a estudiar y de la informacin que se busca obtener:

    Para medir el spin o la polarizacin de la radiacin, debemos escoger un detector que pueda separar distintos estados de polarizacin o spin.

  • INTRODUCCIN El tipo de material del detector depende de la clase de radiacin a estudiar y de la informacin que se busca obtener:

    Si esperamos un ritmo de cuentas extremadamente alto, deberemos seleccionar un detector que pueda recuperarse rpidamente de una radiacin antes de poder contar la siguiente. Para un ritmo de cuentas muy bajo, sin embargo, es ms importante buscar reducir el efecto de las radiaciones de fondo.

  • INTRODUCCIN El tipo de material del detector depende de la clase de radiacin a estudiar y de la informacin que se busca obtener:

    Finalmente si estamos interesados en reconstruir la trayectoria de las radiaciones detectadas, debemos decantarnos por un detector que sea sensible a la localizacin en la que la radiacin penetra.

  • INTERACCIN RADIACIN-MATERIA

  • Aunque la dispersin (o scattering) coulombiana de partculas cargadas por los ncleos (llamado scattering de Rutherford) es un proceso importante en fsica nuclear, tiene poca influencia en la prdida de energa de las partculas cargadas a lo largo de su trayectoria dentro del detector. Debido a que los ncleos del material del detector ocupan slamente en torno a 10-15 del volumen de sus tomos, es 1015 veces ms probable para una partcula el colisionar con un electrn que con un ncleo. Por tanto, el mecanismo de prdida de energa dominante para las partculas cargadas es el scattering coulombiano por los electrones atmicos del detector.

    La conservacin de la energa y el momento en una colisin frontal elstica entre una partcula pesada de masa M y un electrn de masa m (que supondremos por sencillez, en reposo) da una prdida de enega cintica a la partcula de: Para una partcula alfa de 5 MeV (valor tpico en las desintegraciones alfa), esta cantidad es de 2.7keVPARTCULAS CARGADAS PESADAS

  • 1 Ocurrirn muchos miles de estos sucesos antes de que la partcula deposite toda su energa. (Una colisin frontal da el mximo de transferencia posible de una partculas incidente al electrn. En la mayora de las colisiones esta prdida de energa ser mucho menor). 2 En una colisin entre una partcula cargada y un electrn, la partcula cargada es desviada un ngulo despreciable, por lo que la partcula sigue una trayectoria prcticamente rectilnea.

    3 Debido a que la fuerza coulombiana tiene un alcance infinito, la partcula interacciona simultneamente con muchos electrones y por tanto, pierde su energa de un modo gradual pero contnuo a lo largo de su trayectoria.

    PARTCULAS CARGADAS PESADAS

  • Despus de viajar un cierta distancia, habr perdido toda su energa; esta distancia se denomina el alcance de la partcula. El alcance viene dado por el tipo de la partcula, su energa y el tipo de material en el que penetra. En la figura siguiente se muestran las trayectorias de partculas a detectadas mediante una cmara de niebla. Se puede apreciar que existe una distancia bien definida ms all de la cual no hay ya partculas. Normalmente se trabaja con un valor medio del alcance, definido de forma que la mitad de las partculas lo alcancen y la otra mitad no. Para partculas pesadas, la variacin de los valores en torno al alcance medio es muy pequeo, por lo que ste se convierte en una cantidad til y bien definida.PARTCULAS CARGADAS PESADASTrayectorias de partculas a de la desintengracin del 210Po en una cmara de niebla.

  • La relacin terica entre el alcance y la energa puede ser obtenida mediante el clculo mecnico cuntico del proceso colisional. Este clculo fue realizado por primera vez en 1930 por Hans Bethe. El resultado da la energa perdida por unidad de longitud (a veces llamado poder de frenado):PARTCULAS CARGADAS PESADASPoder de frenado para diferentes partculas pesadas en funcin de la energa.

  • NOTA: La ecuacin de Bethe-Bloch no es vlida para energas bajas, cerca del final del alcance. Esto se debe a que no tiene en cuenta la posibilidad de que las partculas capturen electrones, como sucede en el caso de partculas incidentes de baja velocidad.

    Podemos, por tanto, comparar los alcances del mismo material para diferentes partculas con una misma velocidad inicial: Alcance (Range) frente a la energa para varios materiales.

    PARTCULAS CARGADAS PESADASAprovechando la relacin:

  • La relacin terica entre el alcance y la energa puede ser obtenida mediante el clculo mecnico cuntico del proceso colisional. Este clculo fue realizado por primera vez en 1930 por Hans Bethe. El resultado da la energa perdida por unidad de longitud (a veces llamado poder de frenado):PARTCULAS CARGADAS PESADASPoder de frenado para diferentes partculas pesadas en funcin de la energa.

  • Los electrones y los positrones interaccionan mediante scattering coulombiano con los electrones atmicos del mismo modo que las partculas pesadas cargadas. Hay, sin embargo, una serie de importantes diferencias:1 Los electrones, particularmente aquellos emitidos en las desintegraciones viajan con velocidades relativistas.2 Los electrones sufrirn grandes desviaciones en las colisiones con otros electrones, y por tanto, seguirn trayectorias errticas. El alcance (definido como la distancia lineal de penetracin en el material) ser muy distinto de la longitud total de la trayectoria que el electrn siga.3 En las colisiones frontales con otro electrn, una gran fraccin de la energa inicial puede ser transferida al electrn que recibe el impacto. De hecho, hay que tener en cuenta que en estos casos, no se puede distinguir en el estado final cual de los dos electrones era inicialmente el incidente y cual el blanco.4 Debido a que el electrn sufre rpidos cambios en la direccin y en la magnitud de su velocidad, est sometido a grandes aceleraciones. Como las partculas cargadas al ser aceleradas emiten radiacin electromagntica, estos electrones emiten una radiacin conocida como "Bremsstrahlung"(Expresin alemana que significa "radiacin de frenado").PARTCULAS CARGADAS LIGERAS

  • PARTCULAS CARGADAS LIGERASLa prdida total de energa es la suma de dos contribuciones:Prdida de energa para electrones: por colisiones (contnuo) y radiacin (discontnuo).

  • PARTCULAS CARGADAS LIGERASAlcance frente a la Energa para electrones en aire y en aluminio.

    Basndonos en que la dependencia de la prdida de energa con el tipo de material es pequea, podemos despreciarla y usar esta figura para estimar alcances en otros materiales

  • RADIACIN GAMMAEFECTO FOTOELCTRICO DISPERSIN COMPTON PRODUCCIN DE PARES

  • RADIACIN GAMMAEFECTO FOTOELCTRICOEn el efecto fotoelctrico un fotn es absorbido por un tomo y uno de los electrones atmicos (fotoelectrn) es liberado. (Nota: Los electrones libres no pueden absorber fotones para cumplir simultneamente con la conservacin de la energa y el momento).

    La energa cintica del electrn liberado es igual a la energa del fotn incidente menos la energa de enlace que tena el fotoelectrn:

  • RADIACIN GAMMAEFECTO FOTOELCTRICO

  • RADIACIN GAMMADISPERSIN COMPTON:La dispersin (scattering) Compton es el proceso por el cual un fotn cambi