DETECTORI DE RADIAII NUCLEARE PROFESOR MARTIN AMELIA LICEUL

DETECTORI DE RADIAŢII NUCLEARE PROFESOR MARTIN AMELIA LICEUL TEORETIC “CONSTANTIN NOICA” - ALEXANDRIA 1

CUPRINS 1. NoŢiuni generale 2. Clasificarea detectorilor de radiaŢii nucleare 3. Tipuri de detectori 3. 1. Camera de ionizare 3. 2. Contorul Geiger – MŰLLER 3. 3. Detector. UL cu scintilaŢii. FOTOMULTIPLICATORUL 3. 4. DETECTORII CU SEMICONDUCTORI 3. 5. CAMERA CU CEAŢĂ 3. 6. CAMERA CU BULE 2

1. NOŢIUNI GENERALE Detectorii de radiaţii nucleare reprezintă sisteme care pun în evidenţă existenţa radiaţiilor nucleare şi permit determinarea calitativă sau cantitativă a unora dintre caracteristicile lor: numărul de particule nucleare, energia, masa particulelor, etc. q Detectorul de radiaţii nucleare converteşte particulele incidente pe suprafaţa sa activă în semnal electric (sarcină sau tensiune) sub formă de impulsuri. q Detectorul de radiaţii este format, de regulă, din două părţi componente: Ø corpul de detecţie propriu-zis constă dintr-un mediu în care radiaţia nucleară produce un efect specific Ø sistemul de înregistrare a efectului produs de particulă asigură amplificarea şi prelucrarea semnalului obţinut 3

q Procesul fundamental al interacţiunii radiaţiilor nucleare cu materialul detectorului, este dat de faptul că energia implicată în procesul de interacţiune este mai mare decât energia de legătură a electronilor din atom şi poate genera schimbări sau transformări în structura atomilor componenţi ai substanţei. q mecanismele care stau la baza interacţiuni radiaţiilor nucleare cu materia sunt ionizarea şi emisia/conversia luminii q Particulele încărcate produc ionizare şi scintilaţii iar particulele care nu au sarcină electrică sunt detectate indirect prin intermediul particulelor încărcate pe care le produc în materialul detectorului. Spre exemple: - fotonii produc electroni (prin efect fotoelectric extern sau efect Compton) care la rândul lor produc ionizare - neutronii produc reacţii nucleare în care apar particule încărcate ce produc ionizare 4

2. CLASIFICAREA DETECTORILOR DE RADIAŢII NUCLEARE Ionizare După mecanismul de interacţiune Emisie / Conversie de lumină Gazoşi Mediul: gaze nobile, hidrocarburi Solizi Mediul: siliciu, germaniu Camere cu bule Mediul: hidrogen lichid Scintilatori Mediul: sticlă, plastic Fotomultiplicatori Mediul: cadmium, pământuri rare Detectori Cerenkov Mediul: gaz, plastic 5

3. TIPURI DE DETECTORI 6

3. 1. CAMERA DE IONIZARE Camera de ionizare este o incintă închisă, de formă cilindrică, în care se găsesc doi electrozi plan – paraleli şi un gaz aflat în condiţii normale. Cei doi electrozi formează un condensator plan cu electrozii aflaţi la distanţa de 3 – 6 cm unul de altul. În lungul traiectoriei particulei nucleare încărcate care străbate gazul camerei se produc ioni pozitivi şi electroni. Numărul perechilor de sarcini care se produc depinde de natura radiaţiei care a interacţionat cu moleculele gazului şi de energia lor cinetică. Curentul de ionizare este amplificat şi măsurat. El este proporţional cu numărul total de perechi ion - electron creaţi de particule în unitatea de timp. Dezavantaje: în camera de ionizare curentul obţinut este mic, fapt ce duce la necesitatea folosirii unui sistem de înregistrare complicat. 7

3. 2. CONTORUL GEIGER - MŰLLER Contorul Geiger–Műller face parte din categoria detectorilor cu ionizare in gaz. Acest detector are o construcţie simplă, fiind alcătuit din doi electrozi introduşi într-un tub de sticlă sau de metal. Tubul conţine şi un gaz nobil la presiune joasă ( zeci de torri). De obicei, electrozii au geometrie cilindrică, anodul fiind un fir metalic, subţire, dispus pe axul unui cilindru care constituie catodul. Acesta din urmă poate fi un strat conductor depus pe peretele interior al tubului de sticlă, iar dacă tubul exterior este metalic, va servi chiar el drept catod. Între cei doi electrozi se aplică o diferenţă de potenţial. În regiunea din jurul firului central se obţine un câmp electric intens în care electronii sunt acceleraţi puternic şi în deplasarea lor spre anod produc ionizări în avalanşă. 8

La trecerea unei radiaţii prin volumul contorului se produce excitarea şi ionizarea moleculelor gazului. În funcţie de natura radiaţiei incidente, ionizarea se poate face direct, în cazul particulelor cu sarcină electrică, sau indirect, prin intermediul electronilor smulşi din peretele contorului de radiaţiile X şi , respectiv al unei particule încărcate rezultate dintr-o reacţie nucleară produsă de neutroni. Ionii şi electronii formaţi, dacă sunt acceleraţi în câmp electric, pot produce la rândul lor ionizări secundare. Caracterul descărcării interioare depinde de tensiunea aplicată pe contor. Sarcinile electrice apărute în urma trecerii unei particule sunt colectate şi provoacă variaţia într-un timp scurt a tensiunii aplicate pe contor, deci un puls de tensiune care apare la bornele contorului şi care este transmis prin condensator la instalaţia de numărare. In cazul contorului Geiger–Műller apare multiplicarea în gaz a sarcinilor prin ionizări secundare, adică descărcarea în avalanşă. Dar, funcţionarea contorului Geiger–Műller se bazează pe existenţa unui câmp electric de intensitate mare, astfel că descărcarea în avalanşă se intensifică şi este însoţită de avalanşe secundare. Astfel, pulsurile de tensiune care apar au amplitudine mare (1 -10 V sau mai mult) şi pot fi numărate direct, fără amplificare prealabilă. Acest detector permite numai numărarea particulelor nucleare fără a determina alte proprietăţi ale acestora. 9

3. 3. Detector cu scintilaŢii. FOTOMULTIPLICATORUL Fenomenul pe care se bazează funcţionarea acestor detectori constă în apariţia de scintilaţii în cristale anorganice sau substanţe organice. La baza construcţiei unui scintilator stă fenomenul de fluorescenţă care constă în schimbul de energie dintre particulele nucleare şi materialul scintilatorului. Lumina produsă de scintilator este transportată la fotomultiplicator. Fotomultiplicatorul este un instrument care transformă un semnal luminos într-un semnal electric. El este construit dintr-un tub de sticlă vidat în care se află: un fotocatod, un ansamblu de dinode, un divizor de tensiune şi un anod. 10

Fotonii apăruţi în scintilator (scintilaţiile) cad pe fotocatod, care transformă fotonii în electroni (numiţi şi “fotoelectroni”) prin efect fotoelectric. Între fotomultiplicator şi prima dinodă, între dinode şi între ultima dinoda şi anod se aplică diferenţe de potenţial, cu ajutorul unui divizor de tensiune. Aceste valori cresc, între 900 V şi 2500 V. Sub acţiunea câmpului electric, fotoelectronii sunt acceleraţi spre prima dinodă de unde extrag prin emisie secundară mai mulţi electroni care sunt acceleraţi spre următoarea dinodă, unde produc din nou emisie secundară de electroni şi procesul se repetă. Deci dinodele au rolul de a multiplica curentul produs de fotonii iniţiali pe fotocatod (scinţilatiile). Amplitudinea pulsului de tensiune, obţinut cu ajutorul fotomultiplicatorului, este proporţională cu numărul de scintilaţii produse de particula încărcată la trecerea prin cristal, deci cu energia acesteia. Datorită acestui fapt, detectorul cu scintilaţie se foloseşte atât la numărarea radiaţiilor nucleare cât şi la măsurarea energiei acestora. 11

3. 4. DETECTORII CU SEMICONDUCTORI Interacţiunea unei radiaţii nucleare cu semiconductorul, generează electroni în banda de conducţie şi goluri în banda de valenţă care vor fi colectaţi şi transformaţi în semnal ca urmare a scăderii rezistivitaţii joncţiunii. În funcţie de numărul de perechi de sarcină formate (care sunt dependente de energia radiaţiei), avem intensităţi diferite ale impulsurilor înregistrate. Purtătorii de sarcină colectaţi, prin aplicarea unei diferenţe de potenţial, formează un puls a cărui amplitudine este proporţională cu energia particulelor nucleare înregistrate. Datorită rezoluţiei energetice foarte bune, detectorii cu semiconductori înlocuiesc treptat ceilalţi detectori în cercetările de fizică nucleară. 12

3. 5. CAMERA CU CEAŢĂ Camera cu ceaţă, cunoscută şi sub numele de cameră Wilson, este utilizată pentru detecţia particulelor de radiaţie ionizantă. În cea mai elementară formă, o cameră cu ceaţă este un mediu sigilat care conţine vapori de apă sau alcool, superrăciţi, suprasaturaţi. Când o particulă alfa sau o particulă beta interacţionează cu vaporii, îi ionizează. Ionii rezultaţi se comportă ca nuclei de condensare, în jurul căreia se va forma ceaţă (deoarece amestecul este în pragul condensului). Energiile mari ale particulelor alfa şi beta înseamnă că rămâne o urmă, datorită faptului că se produc mulţi ioni de-a lungul căii particulei încărcate electric. Aceste urme au forme distincte (de exemplu, urma unei particule alfa este largă şi dreaptă, iar cea a unui electron este mai îngustă şi prezintă semne de deviere). Când se aplică un câmp magnetic vertical, particulele încărcate pozitiv şi negativ vor avea traiectorii curbate în direcţii opuse. 13

Traiectoriile particulelor încărcate apar în camera cu ceaţă sub forma unor urme vizibile la o iluminare laterală şi pot fi fotografiate. Traiectoriile particulelor alfa apar în majoritatea cazurilor practic rectilinii (figura alăturată). Traiectoriile se caracterizează prin grosimea şi continuitatea lor, care se datorează puternicei ionizări specifice, adică a numărului mare de perechi de ioni formaţi pe unitate de lungime de drum. Pe fotografii mărite se pot vedea amănunte importante: multe traiectorii se pot termina printr-o cotitura brusca (“cârlig”), în alte cazuri se văd deviaţii sub unghi mic în puncte mai mult sau mai puţin depărtate de capătul traiectoriei. Foarte rar, unghiul de deviaţie este mai mare; mai rar, încă, traiectoria se termină printr-o furcă. 14

3. 6. CAMERA CU BULE O cameră cu bule este un vas umplut cu un lichid transparent supraîncălzit (cel mai adesea hidrogen lichid) folosit pentru a detecta particule încărcate electric care se deplasează prin el. A fost inventat în 1952 de Donald Glaser, pentru care acesta a primit în 1960 Premiul Nobel pentru fizică. Camera cu bule este similară camerei cu ceaţă în aplicaţii şi în principiul de bază. În mod normal este realizată prin umplerea unui cilindru mare cu un lichid încălzit până aproape de punctul său de fierbere. În timp ce particulele intră în cameră, un piston îi reduce brusc presiunea, iar lichidul intră într-o fază de supraîncălzire, metastabilă. Particulele încărcate creează o urmă de ionizare în jurul căreia lichidul se evaporă, formând bule microscopice. Densitatea bulelor în jurul unei urme este proporţională cu cantitatea de energie pierdută de particulă. 15

Bulele cresc în mărime cu cât camera îşi creşte volumul, până devin destul de mari pentru a fi văzute sau fotografiate. Câteva camere foto sunt montate în jurul ei, furnizând o imagine tridimensională a experimentului. Au fost folosite camere cu bule cu rezoluţii până la câţiva micrometrii. Întreaga cameră este supusă unui câmp magnetic constant, ceea ce determină particulele încărcate să se deplaseze în spirală, cu raza determinată de raportul sarcină-masă. Dat fiind că pentru toate particulele subatomice încărcate electric şi cu viaţă lungă, sarcina lor este cea a unui electron, iar raza de curbură este astfel proporţională cu impulsul. În fotografia următoare se văd traseele unor particule în camera cu bule. Camera cu bule este plasata într-un câmp magnetic omogen şi perpendicular pe figură, astfel încât traiectoriile apar curbate ca urmare a forţei Lorentz ce acţionează asupra lor. Traseele care parcurg camera orizontal şi sunt puţin curbate în sus, aparţin unui fascicul de protoni. Traseele spirale (în sus şi în jos) aparţin unui electron şi unui pozitron, produşi ca pereche sub influenţa unei radiaţii gamma care nu este vizibila în imagine 16

BIBLIOGRAFIE E. Badarau, I. Popescu - "Gaze ionizate", Editura tehnică, 1965 M. Oncescu - "Fizica", Ed. didactica şi pedagogică, 1975 D. Poenaru, N. Vîlcov - "Măsurarea radiaţiilor nucleare cu dispozitive semiconductoare", Ed. Academiei, 1967 K. Mihin - "Fizica nucleară experimentală", Ed. Tehnica, 1982 Internet - wikipedia. org 17