Instrumenta

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Instrumentação Nuclear 2003

• Interação de partículas carregadas e da radiação
  eletromagnética com a matéria
• Detectores
• Eletrônica NIM
• Aquisição de Dados

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Avaliação

• Trabalho escrito sobre a instrumentação a ser
  utilizada na tese/dissertação (capítulo da tese)
• Trabalho escrito sobre instrumentação a ser
  definida.

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Interação de Íons com a Matéria

• A perda de energia de uma partícula carregada
  pesada em grande velocidade, i.é.
• v gtgt vo voc/137 é a velocidade de Bohr se dá
  principalmente por transferência de energia a
  elétrons atômicos do meio freador.
• (freamento eletrônico)
• Para velocidades abaixo de vo, as colisões
  elásticas íon-átomo começam a dominar (freamento
  nuclear)

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Freamento Eletrônico

• Região de altas velocidades O íon em recuo está
  completamente ionizado. Esta é a região
  Bethe-Block, onde dE/dx 1/E (região melhor
  conhecida)
• Região intermediária A carga do íon varia
  rapidamente, num processo dinâmico de captura e
  perda de elétrons. À medida que sua velocidade
  diminui, a carga iônica média vai diminuindo.
  Esta é a região onde a força freadora atinge seu
  valor máximo, também conhecido como pico de
  Bragg.
• Região de baixas velocidades (LSS) Nesta região,
  a força freadora é aproximadamente proporcional à
  velocidade do íon.

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Programa stopx

• proj 16o
• en 10 70 2
• en 25.4 35.2
• absb
• 27al 1.5 (Al, mg/cm2)
• Al2O3 2.3 (composto)
• c1h4 GAS 500 -30. (composto, gás, 30 cm)
• .1(C 1H4).940AR GAS 500. -30. (mistura)

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Absorção de Fótons
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Distribuição Angular Compton
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Detectores a gás - Propriedades Gerais

• Modo corrente (monitoração e dosimetria)
• um fluxo grande de radiação incide sobre o
  detector. O resultado da medida é o número médio
  de partículas/s incidindo no detector.
• Modo pulso
• Coleta-se a carga depositada individualmente por
  cada partícula incidente no detector. Este é o
  modo empregado nos detectores empregado na
  espectroscopia nuclear.

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Coleção de carga e formação do pulso

• Detector ideal (RC0)
• b)
• c)

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Caracterização de um detector

• Resolução em energia
• Nnúmero de portadores de carga coletados
  (resolução limite)

FFator de Fano (0ltFlt1) (A resolução final
depende de muitos outros fatores)
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Eficiência
Absoluta
Intrinseca
Relativa
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Produção de pares e-íon

• Ao atravessar o gás, uma partícula carregada
  produz uma coluna de íons positivos e elétrons.
• Embora a energia média de ionização de gases seja
  por volta de 10-20 eV, a energia média (W) para
  produção de um par elétron-íon positivo é de
  cerca de 30-35 eV.
• 1MeV 30.000 pares

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Coleção da carga livre

• A tendência natural das cargas produzidas é a
  recombinação.
• Aplicando-se um campo elétrico nas extremidades
  do volume de gás, pode-se separar os elétrons dos
  íons positivos, evitando-se a recombinação. Para
  campos suficientemente fortes, atinge-se a
  corrente de saturação, quando não há mais
  recombinação.

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A Corrente de Ionização

• Na região de saturação, produz-se uma quantidade
  de carga proporcional à energia do íon. O número
  de elétrons coletados no anodo é
• onde W é a energia média necessária para a
  formação de um par e E a energia da partícula.

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Mobilidade das Cargas

• Íons têm massa grande e mobilidade baixa
• onde E é o campo elétrico aplicado, p a
  pressão e ? a mobilidade.

Velocidade de arrasto de elétrons
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Multiplicação da Carga

• Aumentando-se a tensão, além da região de
  satu-ração, faz com que os elétrons adquiram
  energia suficiente para produzir outras
  ionizações, num processo chamado Avalanche de
  Townsend.

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Câmara de Ionização

• Trabalho efetuado para a coleção das cargas

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Forma do Pulso no resistor R
Vmax depende da posição em que a ionização ocorre!
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Grade de Frisch
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Desempenho

• Boa resolução Se toda a energia da partícula for
  convertida em ionização, a variânça de no será
  nula. Se o processo for puramente estatístico,
  será no (Poisson). Normalmente ela é algo
  intermediário
• Vo pequeno E1 MeV V05.10-5 V

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Detector Proporcional

• Com campo elétrico aplicado grande (ma non
  troppo), a avalanche de Townsend produz uma
  multiplicação de cargas que é proporcional a no.

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Geometria para Amplificação

• Cilíndro Campo pró-ximo ao anodo (raio pequeno)
  muito intenso.
• braio externo
• araio do anodo

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Pulsos Espúrios

• Fótons na região visível e UV emitidos na
  de-excitação de átomos do gás podem provocar a
  ejeção de um elétron do catodo por efeito
  fotoelétrico. Este elétron poderá iniciar uma
  nova avalanche.
• Íons positivos, ao se aproximar do catodo, podem
  arrancar mais de um elétron do mesmo, também
  produzindo novas avalanches.
• Adiciona-se uma pequena fração de gás poliatômico
  ao gás monoatômico usado nesses detectores para
  evitar estes problemas (Geiger!)

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Desempenho

• Fator de amplificação médio M102 104
• Resolução mínima
• F0.12 (fator de Fano), b0.5 ( flutuações em M)
• Outros fatores, como uniformidade do anodo,
  estabilidade da tensão, etc. limitam a resolução.
• Processo de formação do pulso próximo ao anodo
  -gt não há necessidade de grades!

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Detectores Sensíveis a Posição
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Grandes áreas Múltiplos Anodos
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Contador Geiger-Mueller

• Geiger aluno do Rutherford em Manchester
  (medidas do espalhamento de ?s em Au).
• Limite extremo do processo de multipli-cação A
  quantidade de carga produzida é independente da
  ionização inicial (109-1010 pares e-íons).
• Tensão no resistor 1V.

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Descarga Geiger
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Extinção (Quenching)

• Com altos fatores de multiplicação, mesmo com a
  adição de gás poliatômico, o processo de
  multiplicação continua, com um grande número de
  avalanches, atingindo praticamente toda a
  extensão do anodo.
• A um certo momento (dezenas de ?s) a quantidade
  de íons positivos (lentos!) nas proximidades do
  anodo é tão grande, que o campo elétrico efetivo
  diminui, impedindo novos processos de
  multiplicação, e a descarga se extingue.

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Tempo Morto Grande

• Após a extinção da descarga, devido a baixa
  mobilidade dos íons positivos, o campo elétrico
  efetivo na região do anodo permanece baixo,
  impedindo a formação de novas avalanches.
• A função do gás molecular (quenching gas) nestes
  detectores, é impedir que os íons positivos, ao
  chegar próximo ao catodo, arranquem mais de 1
  elétron, provocando avalanches secundárias.

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Vida Útil

• Contadores Geigers são normalmente selados.
• Ao longo do tempo, a deteriorização das moléculas
  do gás poliatômico e contaminação do gás,
  principalmente com oxigênio liberado das
  superfícies metálicas do catodo, fazem com que o
  fator de multiplicação diminua.
• Detectores Proporcionais usam fluxo contínuo da
  mistura gasosa para evitar esses problemas.

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Cintiladores

• Converter a energia depositada em um pulso de
  luz, com grande eficiência.
• Intensidade de luz ? energia depositada.
• Meio transparente para a luz produzida.
• Tempo de emissão curto.
• Fácil de produzir em grandes dimensões.
• Índice de refração próximo ao do vidro.

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(No Transcript)
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Tipos

• Orgânicos
• Líquidos NE213, NE216, ...
• Plásticos NE103, NE105, ...
• Inorgânicos
• Ativados NaI(Tl), CsI(Na), ...
• Puros BGO (Bi4Ge3O12), BaF2

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Mecanismo de Cintilação (orgânicos)

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Inorgânicos Ativados
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Emissão de Luz
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Material ?max(nm) ?(?s) fotons/MeV NaI(Tl) 415
0,23 38000 NE102A 432 0,002 10000 BGO 505 0,3
0 8200 BaF2 (S) 310 0,62 10000 BaF2
(F) 220 0,0006 -
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(No Transcript)
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Fotomultiplicadora
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Características

• Material dos dinodos
• NEA G 55N
• Convencional G 5N
• Ganho (107)
• Características temporais.
• Sensíveis a campos magnéticos.

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Variações Microchannel Plate
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(No Transcript)
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Fotodiodos (conv./avalanche)

• Pequenas dimensões.
• Não é sensível a campos magnéticos.
• Baixas tensões, baixa potência.
• Baixo rendimento (convencional)
• Alto ruído (avalanche)

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Detectores Semicondutores

• Pequenas dimensões
• Portátil
• Boa resolução em energia
• Boa resolução temporal.

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Contato Ohmico

• Se pegarmos um cristal semicontutor e nas
  extremidades aplicarmos uma diferença de
  potencial, o efeito será (à temperatura ambiente)
  como num resistor comum.
• Essa corrente elétrica pode ser bloqueada pela
  elaboração de uma junção retificadora (junção pn)

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(No Transcript)
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Junção pn difusa

• O processo de difusão térmica produz a junção a
  cerca de 1-2 mm da superfície.
• A junção é difusa, com extensão de alguns
  microns.
• Esses fatos implicam numa zona morta
  relativamente espessa, na parte frontal do
  detector, por onde entram as partículas a serem
  detectadas.

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Barreira de Superfície(culinária!)

• Peque um disco fino de Si tipo n.
• Limpe bem a superfície do Si com ataque químico
  (etching).
• Deixe a superfície oxidar ligeiramente.
• Evapore uma fino filme de Au.

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(No Transcript)
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O detector Científico
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Zona de Depleção (exaustão)
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Detectores de Ge

• Para radiação g, necessário volume grande e
  elementos pesados (Z grande).
• Ge (Z32gtgtZ14 do Si) é possível a produção de
  amostras extremamente puras e em grandes
  quantidades.
• Por ter gap pequeno (0.66 eV) a corrente à
  temperatura ambiente é muito grande devem ser
  resfriados.

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Refinamento por zona de fusão

• O material bruto, já de altíssima pureza (grau
  eletrônico) é preparado na forma de um lingote de
  8x4x60 cm)
• Num tubo de quartzo inclinado o material é
  localmente aquecido (indução) até a fusão.
• Deslocando-se o aquecedor da parte inferior à
  superior, desloca-se a zona fundida, e com ela as
  impurezas (que são mais solúveis na fase líquida)

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Germânio Hiper-Puro

• O material resultante contém impurezas em
  quantidades menores que 109 átomos/cm3.
• À partir de uma semente, cresce-se um mono
  cristal cilíndrico de dimensões de até 12 cm de
  diâmetro por 20 de comprimento. (zona de
  depleção de até 3cm)
• Alto custo (20 100K US)

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(No Transcript)
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Características

• Resolução 1.5 2.2 keV (FWHM) para a linha de
  1.33 MeV do 60Co
• Eficiência relativa 10 a 110 da eficiência
  (fotoelétrico) de um cintilador NaI de 7.5 cm de
  diâmetro por 7.5 cm de comprimento (3x3
  polegadas)
• Resolução temporal Ruim em coaxiais, boa em
  planares.

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Tipo-n

• Cristais hiper-puros tipo p são mais fáceis de se
  fabricar.
• Cristais tipo n são mais resistentes a nêutrons e
  podem ser reciclados por processo de recozimento
  (anealing)

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Filtros Anti-Compton
69
Grandes Detectores
70
Detectores Segmentados
71
AGATA/GRETA
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(No Transcript)