1

DETECTORI DE RADIAŢII NUCLEARE

CUPRINS

NoŢiuni generaleClasificarea detectorilor de radiaŢii nucleareTipuri de detectori

3.1. Camera de ionizare

3.2. Contorul Geiger – MŰLLER

3.3. DetectorUL cu scintilaŢii. FOTOMULTIPLICATORUL

3.4. DETECTORII CU SEMICONDUCTORI

3.5. CAMERA CU CEAŢĂ

3.6. CAMERA CU BULE

2

1. NOŢIUNI GENERALE

3

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.

Detectorul de radiaţii nucleare converteşte particulele incidente

pe suprafaţa sa activă în semnal electric (sarcină sau tensiune)

sub formă de impulsuri.

Detectorul de radiaţii este format, de regulă, din două părţi

componente:

corpul de detecţie propriu-zis constă dintr-un mediu în care

radiaţia nucleară produce un efect specific

sistemul de înregistrare a efectului produs de particulă asigură

amplificarea şi prelucrarea semnalului obţinut

4

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.

mecanismele care stau la baza interacţiuni radiaţiilor nucleare cu

materia sunt ionizarea şi emisia/conversia luminii

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

2. CLASIFICAREA DETECTORILOR DE RADIAŢII NUCLEARE

5

După mecanismul de interacţiune

Ionizare

GazoşiMediul: gaze

nobile, hidrocarburi

SoliziMediul: siliciu,

germaniu

Camere cu bule

Mediul: hidrogen lichid

Emisie / Conversie de

lumină

ScintilatoriMediul: sticlă,

plastic

FotomultiplicatoriMediul:

cadmium, pământuri rare

Detectori Cerenkov

Mediul: gaz, plastic

3. TIPURI DE DETECTORI

6

3.1. CAMERA DE IONIZARE

7

Camera de ionizare este o incintă închisă, de formă cilindrică, în care segăsesc doi electrozi plan – paraleli şi un gaz aflat în condiţii normale. Ceidoi electrozi formează un condensator plan cu electrozii aflaţi la distanţade 3 – 6 cm unul de altul.

În lungul traiectoriei particulei nucleare încărcate care străbate gazulcamerei 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.

Eleste proporţional cu numărul total de perechi ion - electron creaţi departicule în unitatea de timp.

Dezavantaje: în camera de ionizare curentul obţinut este mic, fapt ceduce la necesitatea folosirii unui sistem de înregistrare complicat.

3.2. CONTORUL GEIGER - MŰLLER

8

Contorul Geiger–Műller face parte din categoria de detectori cuionizare 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 dinurmă poate fi un strat conductor depus pe peretele interior al tubului desticlă, 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 încare electronii sunt acceleraţi puternic şi în deplasarea lor spre anodproduc ionizări în avalanşă.

9

La trecerea unei radiaţii prin volumul contorului se produce excitarea şi ionizareamoleculelor gazului.

În funcţie de natura radiaţiei incidente, ionizarea se poate face direct, în cazulparticulelor cu sarcină electrică, sau indirect, prin intermediul electronilor smulşidin peretele contorului de radiaţiile X şi , respectiv al unei particule încărcaterezultate dintr-o reacţie nucleară produsă de neutroni. Ionii şi electronii formaţi,dacă sunt acceleraţi în câmp electric, pot produce la rândul lor ionizărisecundare. Caracterul descărcării interioare depinde de tensiunea aplicată pecontor.

Sarcinile electrice apărute în urma trecerii unei particule sunt colectate şiprovoacă variaţia într-un timp scurt a tensiunii aplicate pe contor, deci un puls detensiune care apare la bornele contorului şi care este transmis prin condensator lainstalaţia de numărare.

In cazul contorului Geiger–Műller apare multiplicarea în gaz a sarcinilor prinionizări secundare, adică descărcarea în avalanşă. Dar, funcţionarea contoruluiGeiger–Műller se bazează pe existenţa unui câmp electric de intensitate mare,astfel că descărcarea în avalanşă se intensifică şi este însoţită de avalanşesecundare. Astfel, pulsurile de tensiune care apar au amplitudine mare (1-10 Vsau mai mult) şi pot fi numărate direct, fără amplificare prealabilă.

Acest detector permite numai numărarea particulelor nucleare fără adetermina alte proprietăţi ale acestora.

http://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=related

10

Măsurarea radiaţiilor din strălucirea mânerelor de la un ceas vechi.

Materialul strălucitor este radiu si este utilizat pentru iluminarea mânere.

Ceasul a fost făcută în anii 60 şi 70.

Contorul Geiger contra indica un nivel maxim de radiaţie aproximativ 1.23 USV.

3.3. Detector cu scintilaŢii. FOTOMULTIPLICATORUL

11

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.

12

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.

3.4. DETECTORII CU SEMICONDUCTORI

13

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 suntdependente de energia radiaţiei), avem intensităţi diferite aleimpulsurilor 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.

3.5. CAMERA CU CEAŢĂ

14

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.

15

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.

3.6. CAMERA CU BULE

16

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 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.

17

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 e 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.

18

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

BIBLIOGRAFIE

19

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