Detectores de RadiaçãoPaulo R. Costa

Instituto de Física da Universidade de São Paulo

Laboratório de Física Moderna

2010

CINTILADORES

Detectores Cintiladores

• Convertem a energia depositada em um pulso de luz, com grande eficiência.luz, com grande eficiência.

• Intensidade de luz proporcional à energia depositada.

• Meio transparente para a luz produzida.• Tempo de emissão curto.• Fácil de produzir em grandes dimensões.• Fácil de produzir em grandes dimensões.• Índice de refração próximo ao do vidro.

Saídaatrás POS

HVANODO

900

100

ligaliga

Eletrônica e Aquisição de DadosEletrônica e Aquisição de DadosAmpl.

Detector

CAD PC

Gain

e-in

Shape

out

bits

Canal

TFM

1

cont

agen

s

canal

Espectro

+1

Pulso analógico

do TFMPulso analógico

do Ampl. linear

23

4

.

.

.5

• Estudar os espectros de raios gama emitidos por fontes de 60Co, 137Cs e 22Na através de um detector cintilador de iodeto de sódio (NaI(Tl)).

• Estudar o espectro da radiação de fundo.

Atividades de hoje e da próxima semana

de um detector cintilador de iodeto de sódio (NaI(Tl)).• Estudar o espectro da radiação de fundo.• Determinar o ângulo sólido do detector.• Determinar eficiência absoluta e as eficiências intrínsecas de fotopico e total do

cintilador, assim como a fração pico/total.• Determinar a resolução energética nos fotopicos do 60Co, 137Cs e 22Na .• Fazer uma calibração de energia em função do canal correspondente ao centróide dos

picos de 60Co, 137Cs e 22Na . • Identificar a borda Compton e o pico de retro-espalhamento nos espectros.• Estudar a absorção de raios gama por placas de Al e Pb utilizando o detector cintilador

de iodeto de sódio.de iodeto de sódio.

• Seguir as instruções da APOSTILA• Não se esqueçam de fixar o tempo de aquisição de dados.

comando do programa PLEXM > del nsec

Aquisições iniciais

• Aplicar uma tensão de cerca de 1000 V à fotomultiplicadora do detector de iodeto de sódio (NaI(Tl))

• Ajuste o ganho do amplificador com a fonte de 60Co.

• O pulso de energia mais alta deve ter cerca de 8V de altura.

• Verifique se o espectro do 60Co está totalmente contido dentro dos 256 canais de detecção.

• Adquira um espectro com 500 segundos de uma das fontes radioativas disponíveisradioativas disponíveis

• Guardem as fontes e adquiram um espectro com 500 segundos da radiação de fundo da sala

5000

6000

2000

3000

4000

Con

tage

ns

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

1000

Energia (keV)

12000

14000

16000

4000

6000

8000

10000

Con

tage

ns

0 200 400 600 8000

2000

Energia (keV)

O cintilador de NaI(Tl)O cintilador de NaI(Tl)

b.c.b.c.

elétron

rápido pp

fótonsTl

b.v.b.v.

NaI(Tl)

NaI(Tl)Iodeto de Sódio dopado com Tálio

Gap:≈7 eV

bb

fótons

Gap:≈7 eV

Energia média por fóton:3 eV

Produção de luz:38 fótons de luz por keV

Material do fotocatodo deve apresentar baixa função de trabalho (1.5 a 2.0 eV)

(K-Cs, Na-K)

∆V~100V (por dinodo)

Características principais

• Ganho da fotomultiplicadora ~ 5N = 107

N é o número de estágios de multiplicação.• Características temporais dos cintiladores.

Tempo de decaimentoOrgânicos: alguns nsInorgânicos : centenas de nsInorgânicos : centenas de ns

• A fotomultiplicadora é sensível a campos magnéticos.

Deposição total da energia do fóton: efeito fotoelétrico

• Efeito Fotoelétrico– Deposição total de energia– Deposição total de energia– Elétron colocado em movimento

beEhE −=− ν

fóton

elétron

Deposição total da energia do fóton: efeito fotoelétrico

cont

agen

s

fotopico

Energia

Deposição parcial de energia: Espalhamento Compton

• Compton– Transferência parcial de energia para o – Transferência parcial de energia para o

elétron– Fóton espalhado residual

( )=′

ν

ννh

hh

fóton

elétron

Fótonespalhado

θ

( )

( )

( )

−

+

−

=

−

+

−

θν

θνν

θν

cos11

cos1

cos11

20

20

20

cmh

cmh

hE

cmh

e

Deposição parcial de energia: Espalhamento Compton

– Choque frontal≈≈ 0

hνφπθ

– Choque leveo

+

=

+=′

=

=

−

20

20

20

21

2

21

cmh

cmh

hE

cmh

hh

eν

νν

ν

νν

πθ

πθ

– Choque leve

ν≈ν′≈

≈φ≈θ

hh

0

0

E

90 o

0

0

900

1800

≤≤

≤≤

φθ

Borda Compton

0=θπθ =

νh

cont

agen

s

Contínuo Compton

Energia Borda Compton

Contínuo Compton

Eventos Compton múltiplos

cont

agen

s

Energia

cont

agen

s

Contínuo Compton

Eventos Comptonmúltiplos

Efeito dos materiais nas redondezas do detector

hν

+≈′

≈

20

21cm

h

hh

ν

νν πθ

Centróide: 101,8 c.

Ex:137Cs - 662 keV

ResoluçãoResolução emem energiaenergiaC

onta

gens

Centróide: 101,8 c.

FWHM: 7,4 c.(largura à meia-altura)

Resolução:

48 keV ou 7,3%

FWHMσgauss=FWHM/2.35

σ

Canais

fundo

100)(

)((%) ×=

keVFotopico

keVFWHMR

Resolução energética

KEFWHM

)Eln(2

1)Kln()Rln(

E

K

E

EK

E

FWHM(%)R

fotopico

−=

==≡

Espectros de raios γ de uma fonte de 60Co obtidos com um cintilador de NaI(Tl) e com um detector semicondutor de germânio (GeHP).

EficiênciasEficiências de de detecçãodetecção

Calibração de energiaCalibração de energia

E(keV) = a + b C

4000

6000

8000

cont

agen

s

dados brutos fundo corrigido

1400

[05/03/2009 17:14 "/Graph3" (2454895)]Linear Regression for Data6_B:Y = A + B * X

0 50 100 150 200 250 3000

2000

canal

100 120 140 160 180 200 220600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

Parameter Value Error------------------------------------------------------------A -34,57784 4,23847B 6,19539 0,0233------------------------------------------------------------

R SD N P------------------------------------------------------------0,99999 1,86174 3 0,00239------------------------------------------------------------

Ene

rgia

(ke

V)

canal4000

5000

6000

canal

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

1000

2000

3000

4000

Con

tage

ns

Energia (keV)

Procedimento Experimental

• Calibração em energia

•Colocar uma fonte radioativa de 60Co a uma distância de aproximadamente 5cm do detector cintilador e meça o espectro com 250 segundos

•Meça o espectro de raios gama emitidos pela fonte de 137Cs sem mudar o ganho do amplificador e a posição da fonte de raios gama com 250 segundos

•Fazer uma curva de calibração de energia em função do canal correspondente ao centróide dos picos de 60Co e do 137Cs.

•Verifique o valor tabelado da atividade de cada fonte e determine.

•Determine o ângulo sólido de detecção (Ω) para a fonte posicionada a cerca de 5 cm do detector.•Determine o ângulo sólido de detecção (Ω) para a fonte posicionada a cerca de 5 cm do detector.

•Calcule as eficiências total, intrínseca e intrínsecas de cada fotopico

•Calcule a resolução energética do detector em cada fotopico.

•Identificar a borda Compton e a posição do pico de retro-espalhamento nos espectros.

• Estudar a absorção de raios gama para alumínio (Al) e chumbo (Pb) através das fontes radioativas de 137Cs e 60Co.

•Meça novamente o espectro de fundo com uma boa amostragem estatística.

•Meça o espectro sem absorvedores utilizando tempos de aquisição apropriados e determine a taxa de contagens dos picos de 1173 keV e 1332 keV do 60Co e de 662 keV do 137Cs.

•Meça a espessura das placas absorvedoras de Pb ou Al e meça as taxas de contagens nos fotopicos colocando absorvedores entre a fonte e o detector, até que a taxa seja menor ou aproximadamente igual a 25% da taxa inicial. Bastam cerca de 5 medições com ∆T = 250s ∆T = 250s

•Faça o gráfico em papel mono-log da taxa de contagens em função da espessura do material absorvedor em g/cm2 . Determine a camada semi-redutora e o coeficiente de atenuação lineat do material absorvedor nas energias dos fotopicos

•Repita o procedimento com o outro material absorvedor.

•Calcular o coeficiente de atenuação linear em mm-1 para cada material avaliado e comparar com os valores obtidos pelo XCOM (NIST)

ρ_Al = 2,7 g/cm3 ρ_Pb = 11,4 g/cm3

• Repetir os itens pertinentes para a fonte de 22Na (3ª. AULA)

Comandos do Programa PLEX

1 - in arquivo.spk[,new] abre arquivo para leitura.

2 - del nsec estabelece o tempo nsec de aquisição.

3 - z zera a memória.

4 - run inicia a aquisição.4 - run inicia a aquisição.

5 - mc modo exibição em tempo real.

6 - sv grava o último espectro.

7 - list id arquivo.lis grava dados em formato texto

8 - c (modo cursor) entra no modo cursor.

Neste modo as flechas movimentam o cursor e as teclas [ ] são os delimitadores do pico. A tecla a calcula o centróide e a área do pico, subtraindo o fundo. A tecla q sai do modo cursor.

stop pára a aquisição

d m exibe os dados da memória.

d id exibe espectro salvo (id).

cal a b c calibração y= a+ bx + cx2 (x é o canal).

Itens MÍNIMOS para a sínteseCs-137 Co-60 Na-22

GM cintilador GM cintilador GM cintilador

etot

eint

efotopico

d1/2

Al

Pb

µ (mm-1)Al

Pb

Resolução

energética

• Mais– Incertezas nos resultados barras de erro nos gráficos– GM análise do histograma segundo a estatística de Poisson

– Cintiladores bordas Compton e pico de retro-espalhamento (comparação com as previsões teóricas)

BibliografiaBibliografia

• Glenn F. Knoll – Radiation Detection and Measurements –John Wiley & Sons (1989).• Kenneth S. Krane – Introductory Nuclear PhysicsJohn Wiley & Sons (1988) .

•R.V. Ribas, J.R.B. Oliveira, M.A. Rizzutto e N.H. Medina –Detectores de radiação - XIV EVJASFNE (2006).

•R. Eisberg e R. Resnick - Física Quântica, ed. Campus.•R. Eisberg e R. Resnick - Física Quântica, ed. Campus.

• J. H. Vuolo - Fundamentos da Teoria de Erros (Edgard Blücher Ltda. - 1996)

PAULO R. COSTADFN – IFUSP

pcosta@if.usp.br

Vários slides foram preparados pelos professores da disciplina Laboratório de Física Moderna (FNC377): Prof. José Roberto B. de Oliveira, Valdir Guimarães e Nilberto Medina