Referat DETECTIA RADIATIILOR
calendar_month 23 Aug 2007, 00:00
DETECTIA RADIATIILORDetectia radiatiilor, corpusculare sau electromagnetice, se bazeaza pe interactiunea lor cu substanta si de aceea clasificarea dispozitivilor de detectie se face dupa modul in care radiatiile interactioneaza cu substanta detectorului. Astfel, detectorii sunt bazati pe procesele primare de interactiune , care pun in evidenta particulele incarcate electric, sau pe procesele primare de interactiune, care pun evidenta, in principal, particulele neincarcate. Detectorii utilizati in prezent in tehnica analizei structurale prin difractie sunt de o mare diversitate si se bazeaza pe o serie de fenomene sau efecte cum sunt: -impresionarea emulsiilor fotografice, datorita ionizari (placi si filme nucleare) -ionizarile in gaze(camere de ionizare, contoare proportionale si Geiger_Muler) -ionizarile in solide (detectori cu semiconductori) -emisie de lumina a atomilor sau a moleculelor excitate (contoare cu scintilatie) -reactii nucleare. La aceste categorii se mai pot adauga si altele, dar care nu se utilizeaza in tehnica analizei structurale sin nu vor fi amintite aici.Intrucat, foarte multe tipuri de detectori sunt niste traducatoare radiatie-semnal electric, ele nu pot fi utilizate fara o aparatura electronica adecvata. Rolul acestei a doua parti din instalatia de masura este de a transforma informatia primita de la detector itr-o marime accesibila ca : numar de ipulsuri, viteza de numarare etc.Unii detectori permit obtierea spectrului energetic al fluxului radiatiilor incidente, iar altii indica prezenta fara sa poata masura energia lor , astfel ca in functie de cantitatea de informatie furnizata de detectori va depinde si rezultatul intregii masuratori.In functie de natura eperientii sunt necesare indicatii asupra uneia sau catorva dintre caracteristicile radiatiei si pe baza acestor cerinte se alege sistemul de detectie optim masuratorilor ce se impun. Alegerea unui detector se face dupa gradul de precizie cerut in determinarea anumitor parametri ai radiatiei. Cunoasterea functionarii, a caracteristicilor si a performantelor diferitor tipuri de detectori se impune, deci cu necesitatea pentru a putea realiza experimente corecte si performante in domeniul difractiei radiatiei. Caracteristicile detectorilorEficacitatea, rezolutia energetica si rezolutia temporara sunt principalele caracteristici ale detectorilor.Raportul dintre numarul particolelor care au dat semnal masurabil la traversarea detectorului si numarul de particole care au traversat zona sensibila a dectectorului se numeste eficacitate. Pentru particolele grele eficacitatea este egala cu unitatea.. Pentru fotonii de radiatii X, care pot strabate mediul detectorului fara a interactiona in zona sensibila, eficacitatea este subunitara. Conform definitiei , eficacitatea nu este altceva decat probabilitatea ca o particola sa interactioneze in zona sensibila a detecorului. Probabilitatea este evident proportional cu drumul parcurs de particola, de acea detectorii de dimensiuni mai mari au o eficacitate mai mare. Pentru toti detectorii amplitudinea pulsurilor de tensiune colectate la iesire este proportionala cu energia radiatie incidente. Cu toate acestea chiar daca iradiem detectorul cu radiatie monoenergetica, amplitudinea pulsurilor de tensiune u nu este constanta datorita fluctuatiilor statistice ce apar in procesul de generare de purtator, si asculta de legea de distributie Gauss: In care (u) este valoarea medie a amplitudinilor pulsurilor, iar ? este eroarea absoluta sau abaterea standart a amplitudinii. Raportul dintre semilargimea ?u la semiinaltimea distributiei si amplitudinea medie (u) se numeste rezolutie energetica . Deoarece (u)~E (Energia particolelor radiatiei) se poate scrie ca rezolutia energetica este: ?=??/?=?u/u=2,36?/(u). Daca consideram ca actele de producere a purtatorilor de sarcina (ioni si electroni in gaz, electroni si goluri in semiconductori), sau a fotonilor in scintilator, sunt independente rezulta ca numarul acestora N se supune distributiei Poisson, si deci abaterea standart va fi ?N. Deoarece numarul de purtatori este N=E/w , unde E este energia particolei incidente, iar w este energia pierduta la generarea unei perechi de purtatori, obtinem ca rezolutia energetica trebuie sa fie: Factorii care duc la inrautatirea acestei rezoutii sunt zgomotele detectorului si zgomotul electronicii aferente acestuia. In cazul in care actele de ionizare nu pot fi considerate independete, eroarea absoluta a numarului de purtatori este mai mica decat ?N . Se introduce de obicei un factor de corectie F<1, numit factorul Fano, care este raportul dintre dispersia experimentala a numarului de purtatori si dispersia teoretica. In felul acesta relatia de mai sus devine: Spre exemplu pentru camerele de ionizare F=0.7, pentru detectorii cu semiconductori F=0.1, iar pentru detectorii de scintilatori F=0.1. Intervalul de timp dintre inceputul unui semnal produs la iesirea detectorului si primul semnal ulterior care poate fi inregistrat se numeste timp mort (?). Timpul mort este o masura rezolutiei temporale a detectorului. Exista doua tipuri limita de detectori. Tipul 1, paralizabil. In care o particula sosita intr-un interval de timp mai scurt decat timpul mort extinde pe acesta cu inca un interval Tipul 2 neparalizabil, in care particula sosita in intervalul tU ionii si electronii produsi in procesul primar de ionizare care se deplaseaza spre electrozi castiga energie suficienta pentru a provoca la randul lor noi ionizari producandu-se astfel o asa numita avalansa .Astfel , pentru fiecare pereche electronion produsa de radiatie in procesul in primar de ionizare ajung la electrozi un nr de M perechi, M fiind coeficientul de amplificare caracteristic gazului, cu valori cuprinse intre 10 si 10 . Sa analizam in detaliu aceasta avalansa: Notam cu ? sectiune totala de interactiune a electronilor cu atomii si ? ?? sectiunea de ionizare. Fie I=?w/eE lungime minima a drumului parcus de electroni fara ciocnire, unde ?W este energia de ionizare , si E este campul electric de accelerare. Probabilitatea ca electronul sa parcurga drumul X si sa ionizeze un atom pe intervalul dx este ? nexp(-xn? )dt unde n este concentratia de atomi . Probabilitatea ca ionul sa ionizeze pentru x>1 este P=? Tinand seama ca drumul liber mediu este gasim probabilitatea de ionizare in unitatea de lungime Din aceasta relatie rezulta ca probabilitate de ionizare in unitate de lungime depinde de campul electric si tipul gazului. Campul intr-un condensator cu fir central depinde de distanta r a axului firului . Dependenta ?(r) se poate afla din relatia de mai sus cunoscand E(r) . Sa presupunem ca la distanta r avem N(r) electroni , rezulta ca numarul de electoni secundari aparuti in intervalul [r, r+dr] este: dN=?(r)N(r)dr Integrand ecuatia diferentiala de mai sus rezulta ca numarul total de electroni ce ating nodul de raza r este: N=N exp[ Definim coeficientul de multiplicare prin relatia: M= Coeficientul de amplificare depinde de distanta r . Dar, datorita faptului ca gradientul campului are o crestere puternica in apropierea anodului , regiunea in care are loc ionizarea secundara poate fi limitata la un strat foarte subtire in jurul anadului. Coeficientii mari de amplificare fac insa sa apara in timpul ionizarii un numar mare de ioni , a caror viteza de transport fiind mai mica cu aproximativ trei ordine de marime decat a electronilor ce inconjoara anodul si astfel intensitatea capului electric scade. La proiectarea contorilor proportionali se estimeaza o limita permisa pentru factorul de multiplificare , pentru care nu avem o scadere a campului care sa poate duca la o micsorare a insusi factorului de multiplificare. Pentru tensiuni U 3A) se utilizeaza contoarele proportionale cu scurgere. La aceste contoare fereastra de intrare a radiatiei X este foarte subtire(~0,1m) ceea ce face necesara reimprospatarea gazului de umplere ce difuzeaza prin ea . In cazul detectiei neutronilor termici gazul de umplere al detectorului este trifluorura de bor, BF [19]. Izotopul B sufera sub actiunea neutronilor o reactie nucleara ale carei produse finale sunt atomul Li si o particula de He . Probabilitatea ca aceasta reactie sa aiba loc este de numai 6% . Cu probabilitatea de 94% se obtine o particula si un atom de Li al carui nucleu este excitat, dezexcitarea acestuia din urma fiind insotita de emisia unei cuante gamma de energie 0.47 MeV. Sectiunea eficace de absorbtie a B , determinate de posibilitatea participarii lui la aceasta reactie nucleara , depinde liniar de inversul vitezei neutronilor termici; pentru viteza de 220 m/s (?~1.8A) aceasta sectiune are valoarea de 3480 barni. Detectarea neutronilor cu acesti detectori se realzeaza astfel prin absorbtia lor (in urma reactii nucleare ) si ionizarea gazului de umplere de catre particulele rezultate . Eficacitatea de detectie a acestor particule este apropiata de 100% asa incat eficacitatea detectorului este determinat doar de absorbtia neutronilor. Borul natural nu contine decat 19.8% B . Pentru ca probabilitatea de absorbtie , la aceeasi presiune a gazului de umplere , sa fie mai mare este necesara o cantitate mai mare de B . Se realizeaza astfel detectori a caror gaz de umplere este imbogatit pana la 96% cu B , la o presiune de 300-600 mmHg. La detectia neutronilor termici se mai utilizeaza , cu rezultate foarte bune, contorii proportionali ai caror gaz de umplere este He . Reactia nucleara utilizata in acest caz este n Sectiunea eficace de absorbtie a He , in domeniul neutronilor termici , este de aproximativ 5500 barni. Proprietatie functionale ale detectorilor cu He permit marirea presiunii gazului de umplere pana la 10 atm. Sectiunea eficace de absorbtie a He considerabil mai mare decat B si posibilitatea cresterii presiunii de umplere constituie avantajele certe ale acestui tip de detectie . Heliul natural contine insa izotopul He numai in proportie de 0.0004%, iar obtinerea lui pentru producerea curenta a detectorilor este costisitoare. Factorul de amplificare la detectorii proportionali este de aproximativ 10 , ceea ce corespunde la un plus de iesire de ~1mV . Datorita fluctuatiilor ce apar in procesele de ionizare si multiplicare se obtine o distribute gaussiana a amplitudinilor impulsurilor in jurul valorii medii. In regiunea U < U