Apresentacao_detectores

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Detectores 
Proporcionais 
Detecção e Instrumentação 
Nuclear 
Márcio Magalhães 
Cloves Fonseca 
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Detectores 
Proporcionais 
Objetivo Geral: 
 
 -Apresentar o Detector Proporcional 
 
Objetivos Específicos: 
 
- Definir o Detector Proporcional; 
 
- Apresentar os aspectos teóricos básicos necessários a compreensão 
do Detector Proporcional; 
 
- Explicar a operação e as restrições operacionais do Detector 
Proporcional; 
 
- Exemplificar as aplicações do Detector Proporcional. 
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Detectores 
Proporcionais 
Definição: 
 
Detector: é um equipamento que transforma um fenômeno físico em um 
sinal elétrico que pode ser analisado e transformado em informação. 
 
 
 
 
Detector Proporcional: “Contadores proporcionais, são detectores que 
operam no modo pulso e utilizam o fenômeno de multiplicação gasosa 
para amplificar a carga provida por um par de íons formado com a 
interação da radiação com a matéria. 
 
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Detectores 
Proporcionais 
Interação das Radiações com a Matéria 
 
 “A natureza da interação da radiação com a matéria varia entre os 
diferentes tipos de radiação nuclear”. 
 
As radiações nucleares podem ser classificadas quanto a serem carregadas 
ou não, sendo os quatro principais tipos de radiação apresentados na tabela a 
seguir: 
 
Radiação como Partículas 
Carregadas 
Radiações sem Carga 
Partículas pesadas: α Nêutrons 
Elétrons rápidos: β Raio-X e Raio-γ 
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Detectores 
Proporcionais 
Interação das radiações carregadas com a matéria: 
 
As radiações que possuem carga elétrica estão sujeitas a força coulombiana ao interagir 
com os elétrons do meio em que se propagam, ocasionando da ionização do meio desde 
que possuam energia suficiente. 
 
•Equação de Livingston e Bethe: 
 
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎
𝑈𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
= −
𝑑𝐸
𝑑𝑥
=
4π𝑒4𝑧2𝑍𝑁𝐵
𝑚𝑣2
 
 
E= Energia cinética; ze= carga; v= velocidade da partícula primária; e= carga eletrônica; m= massa 
da partícula; N= (# absorvidos)/(cm^3 ); Z= número atômico do Absorvedor; B= Numero de 
freamento. 
 
•B é uma função logarítmica de v e Z no alcance não relativístico da energia (v<<c). 
 
•Esta equação só vale para alfas com energia maior que 0,1MeV. 
 
•A partir de 0,5MeV B se torna constante, logo, 
𝑑𝐸
𝑑𝑥
~
1
𝑣2
 ou , 
𝑑𝐸
𝑑𝑥
= 𝑤Im, 
 
 
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Detectores 
Proporcionais 
Interação das radiações não carregadas com a matéria: 
 
 Por não estarem sujeitas a força coulombiana as radiações sem carga, para serem detectadas, 
primeiramente devem interagir com o meio transferindo sua energia ou parte dela, provocando 
alterações que posteriormente possam ser detectadas. 
 
 
 Raios X e Gama 
 
• Formação de Pares 
• Efeito Fotoelétrico 
• Efeito Comptom 
 
 Nêutrons 
 
• Reações nucleares: 
 
• (n,p); (n,α); (n,β); (n,γ) 
 
 
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Detectores 
Proporcionais 
Propriedades gerais dos detectores de radiação 
 
 Modo de operação 
 
 Modo Tensão Média Quadrática (MSV ou Campbelling mode) 
 
• Muito aplicada em medições em ambientes com radiações mistas e, cujas cargas 
das radiações presentes se diferem muito. 
 
 
 
 
 
 
 
 Modo Corrente 
 
• Corrente média obtida do produto entre taxa média de eventos e a carga produzida por 
evento 𝐼0 = 𝑟𝑄. 
 
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Detectores 
Proporcionais 
Propriedades gerais dos detectores de radiação 
 
 Modo de operação 
 
 Modo Pulso 
 “Todos os detectores utilizados para mensurar a energia individual de um 
quantum radiativa precisa operar neste modo”. 
 
• Não aplicado em taxas muito elevadas de eventos 
 
• Dois casos de operação 
 Constante de tempo do circuito RC acoplado<< tempo de coleta de carga 
 
 Constante de tempo do circuito RC acoplado >> tempo de coleta de carga 
 
 “A amplitude do pulso de sinal é diretamente proporcional a carga correspondente gerada 
no detector”. 
𝑉𝑚𝑎𝑥 = 𝑄/𝐶 
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Detectores 
Proporcionais 
Propriedades gerais dos detectores de radiação 
 
 Modo de operação 
 
 Modo Pulso 
Cada amplitude dos pulsos carregam informações importantes da radiação incidente. 
 
 Caracterização Diferencial e Integral 
 
• Modo Diferencial: 
 
Numero de pulsos entre Amplitudes H1 e H1 
 
𝑛0 = 
dN
dH
dH
H2
H1
, 
 
• Modo Integral: 
 Soma de todos os pulsos que excedem uma amplitude H de pulso 
 
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Detectores 
Proporcionais 
Propriedades gerais dos detectores de radiação 
 
 Resolução Energética 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Detectores 
Proporcionais 
Propriedades gerais dos detectores de radiação 
 
 
 
 Eficiência de Detecção 
 
• Absoluta 𝐸𝑎𝑏𝑠 =
𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜𝑠 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑎𝑑𝑜𝑠
𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎ç𝑜𝑒𝑠 𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑎 𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒
 
 
 
 
• Intrínseca 𝐸𝑖𝑛𝑡 =
𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜𝑠 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑎𝑑𝑜𝑠
𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟
 
 
 
 Tempo Morto 
 
• Tempo mínimo necessário entre uma gravação e outra de eventos dentro de um detector. 
 
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Detectores 
Proporcionais 
Funcionamento Detector Proporcional 
 
 A Multiplicação Gasosa 
 
 Formação de Avalanche 
 
• Campo elétrico mínimo de 106𝑉/𝑚. 
 
•
𝑑𝑛
𝑛
= 𝛼𝑑𝑥 , 𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜 𝑑𝑒 𝑇𝑜𝑤𝑠𝑒𝑛𝑑 
 
• 𝑛 𝑥 = 𝑛 0 𝑒𝛼𝑥 , 𝐶𝑟𝑒𝑠𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑙é𝑡𝑟𝑜𝑛𝑠 
Fonte: KNOLL. 
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Detectores 
Proporcionais 
 A Multiplicação Gasosa 
 
 Regiões de operação do Detector 
 
• Câmera ionizante 
 Opera na região 
 de saturação iônica 
 
• Detector Proporcional 
 Opera na região 
 de proporcionalidade verdadeira 
 
• Geiger-Mueller 
 Opera na região 
 Geiger-Mueller, ou modo 
 self-quenched streamer 
 
 
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Detectores 
Proporcionais 
 
 Componentes dos Contadores Proporcionais 
 
 Gases Sensíveis: 
 
• Coeficiente de captura eletrônica pequeno. 
 
• Câmaras Seladas ou de Fluxo Contínuo. 
• Contaminação 
 
o A presença de 0,1% de oxigênio implica numa redução de ~10% dos elétrons livres por 
centímetro da câmara. 
 
o O gás poliatômico - Gás de Apagador (quench gas). 
 
o Gases Nobres podem ser utilizados individualmente, mantendo o fator de multiplicação em 
cerca de 100. 
 
o Valores de fator de multiplicação maior que 100 requerem adição de Gás Apagador 
 
 
 
 
 
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Detectores 
Proporcionais 
 Componentes dos Contadores Proporcionais 
 
 Gases Sensíveis: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Composição Aplicação 
P-10: Ar-90% e Metano-10% Geral 
Criptônio ou Xenônio Altas eficiências de detecção de γ 
Metano ou Etileno Poder de freamento 
negligenciado 
𝐵𝐹3 ou 𝐻𝑒
3 Nêutrons térmicos 
H, Metano, Hélio ou gases de 
baixo Z 
Nêutrons rápidos 
Metano-64.4%, 𝐶𝑂2 − 32.4% e 
𝑁2-3.2% 
Simulações de Interações 
Biológicas 
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Detectores 
Proporcionais 
Funcionamento Detector Proporcional 
 
 Performance dos Contador Proporcional 
 
 Relação carga x contagem 
 
𝑄 = 𝑛0. 𝑒.𝑀 
 
 M normalmente na ordem de 106 
 
 
Gráficos de Diethorn 
 
 
 
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Detectores 
Proporcionais 
Funcionamento Detector Proporcional 
 
 Performance dos Contador Proporcional 
 
 Efeitos Espaciais da Carga• Íons positivos por se moverem lentamente, demoram a ser coletados no catodo, 
provocando distúrbios no campo elétrico. 
 
• Duas Categorias: 
 
 Self-induced: 
- Quantidade de íons positivos formados durante a formação da avalanche, pela 
presença de ganho elevado, reduzem a produção de elétrons e estágios mais 
distantes na mesma avalanche. 
- Depende da magnitude de multiplicação do gás e da geometria do tubo, 
independe da taxa do pulso. 
 Efeito geral: 
- Efeito cumulativo da ação dos íons positivos criados em diferentes avalanches 
- Elevada importância a baixos valores de M e seriamente considerado com a 
elevação da taxa de eventos no tubo. 
 
 
 
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Detectores 
Proporcionais 
Geometria 
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Detectores 
Proporcionais 
Campo elétrico 
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Detectores 
Proporcionais 
Campo elétrico 
 O rápido decréscimo da força do 
campo elétrico com o aumento da 
distância em relação 
à superfície do anodo limita a região de 
multiplicação em um pequeno 
volume 
 
 O limiar mínimo do campo elétrico 
para proporcionar o efeito avalanche 
é de 10^6 V/M 
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Detectores 
Proporcionais 
Características do sinal 
 
 
 Drift time x multiplication time 
 
 Contribuição do efeito avalanche para o sinal é 
muito maior do que a dos íons originais 
 
 Em geral: 
Drift time >> Multiplication time 
 
 
 
 
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Detectores 
Proporcionais 
Características do sinal 
 Circuito equivalente do detector 
 
 C → Capacitância equivalente do 
detector e do cabo associado 
 
 Vr → Voltagem do sinal que 
desenvolvido através de R 
 
 Vch → Voltagem remanescente 
através do detector 
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Detectores 
Proporcionais 
Características do sinal Características do sinal 
 Dependência do tipo de gás → forma do pulso de saída em um tubo típico calculada 
para dois gases. 
 
 A curva sólida representa a ionização inicial e a tracejada a ionização uniforme ao longo 
do diâmetro do tubo. 
 
 O segundo caso apresenta o tempo de subida maior → há gases “lentos” e “rápidos” 
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Detectores 
Proporcionais 
Características do sinal Características do sinal Características do sinal 
 Velocidade com que o elétron percorre sua trajetória até a ionização secundária 
(drift velocity) em dversos gases. 
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Detectores 
Proporcionais 
Contagem de betas 
 Uma vez que as partículas beta tem um alcance maior que as dimensões da câmara, o 
número de íons formados no gás é proporcional a apenas uma pequena fração da 
energia perdida pela partícula antes de alcançar a parede oposta. 
 
 Os pulsos geralmente tem amplitude menor que os produzidos por alfa. 
 
 Espectro de altura de pulso é típico de uma fonte mista 
 
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Detectores 
Proporcionais 
Contagem de alfas 
 O espectro de altura diferencial de pulso apresenta um pico isolado, pois os pulsos tem 
todos quase o mesmo tamanho 
 
 A curva de contagem da esquerda apresenta um simples “platô” 
 
 100% de eficiência na contagem das partículas que entram no volume 
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Detectores 
Proporcionais 
Fontes mistas 
 Em muitas aplicações dos D.P. o objetivo será separar a contagem de partículas alfa e 
beta 
 
 A separação pode ser feita com o ajuste da altura do pulso nos respectivos circuitos 
eletrônicos de contagem 
 
 Dessa forma pode-se trabalhar com paralelismo, ou seja, circuitos em paralelo ajustados 
para contar alturas de pulso de alfa e beta individualmente 
 
 Se a uniformidade de ganho e resolução de energia forem boas o suficiente 
 Se a geometria é tal que alfa e beta geram pulsos muito diferentes em amplitude 
 Então o resultado será uma separação limpa (pouco “cross-talk”). 
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Detectores 
Proporcionais 
Fontes de raio-X e raio-gama 
 A espectroscopia de Raio-X de baixa energia é uma das aplicações mais importantes dos 
D.P. 
 
Baseia-se na grande absorção dos fotoelétrons formados na interação dentro do gás. 
 
 Podem ser usados na detecção de Raio-X e gama de baixa energia 
 
 A energia dos fotoelétrons é diretamente relacionada com a energia dos Raio-X 
 
 As energias dos fótons podem ser identificadas a partir dos picos de energia no espectro 
de altura de pulso. 
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Detectores 
Proporcionais 
Fontes de neutrons 
 Necessário introduzir material que seja passível de liberar uma partícula carrega gerada 
como resultado de uma reação nuclear 
 
 Ex.: 𝐵10(n,α)𝐿7 
 
 Boro pode ser: 
 Sólido, inserido na parede do cilindro 
 Gás na forma B-10F3 
 
 A característica de separação entre as amplitudes dos sinais gerados por diferentes 
partículas é útil na contagem de nêutrons, pois os gamas associados se manifestam 
como radiação de fundo, pois causam uma baixa ionização secundária em comparação 
às partículas carregadas derivadas da reação nuclear. 
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Detectores 
Proporcionais 
 Quanta à taxa de eventos iniciais 
 
 Quanto aos intervalos entre pulsos 
• Mínimo = tempo de coleta dos íons positivos, cerca de 100µs 
 
 Energia mínima da radiação incidente 
• Alfa , 0.5MeV 
• Beta 100-200 keV 
 
 Quanto à integridade geométrica do anodo 
 
 Quanto à estabilidade da tensão aplicada para gerar o campo elétrico 
 
 Restrições mínimas 104𝑉/𝑐𝑚 e máxima do campo elétrico aplicado 106𝑉/𝑐𝑚 
 Quanto à sensibilidade do gás aplicado 
 Quenching 
 Pureza 
 Aplicação 
 
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Detectores 
Proporcionais 
KNOLL, F. Glenn. Radiantion Detection and Measuremente. JohnWiley & Sons, Inc. 
New York, United States. 
PRICE,W. J. Nuclear Radiation Detection. McGraw-Hill Series in Nuclear 
Engeneering. New York, Toronto, London, 1958. 
32 
Obrigado! 
Detectores Proporcionais 
Detecção e Instrumentação 
Nuclear 
Márcio Magalhães 
Cloves Fonseca