Upload
ellyzaelly
View
295
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
1/19
1
DETECTORI DE RADIAIINUCLEARE
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
2/19
CUPRINS
Noiuni generale
Clasificarea detectorilor de radiaii nucleareTipuri de detectori
3.1. Camera de ionizare
3.2. Contorul GeigerMLLER
3.3. DetectorUL cu scintila
ii. FOTOMULTIPLICATORUL
3.4. DETECTORII CU SEMICONDUCTORI
3.5. CAMERA CU CEA
3.6. CAMERA CU BULE
2
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
3/19
1. NOIUNI GENERALE
3
Detector i i de radiaii nucleare reprezint sisteme care pun n
eviden existena radiaiilor nucleare i permit determinarea
calitativ sau cantitativ a unora dintre caracteristicile lor:
numrul de particule nucleare, energia, masa particulelor, etc.
Detectorul de radiaii nucleare convertete particulele incidentepe suprafaa sa activ n semnal electric (sarcin sau tensiune)
sub form de impulsuri.
Detectorul de radiaii este format, de regul, din dou pri
componente:
corpu l dedetecie propriu-zisconst dintr-un mediu n careradiaia nuclear produce un efect specific
sis tem u l de nreg is trarea efectului produs de particul asigur
amplificarea i prelucrarea semnalului obinut
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
4/19
4
Procesul fundamental al interaciunii radiaiilor nucleare cu materialul
detectorului, este dat de faptul c energia implicat n procesul deinteraciune este mai mare dect energia de legtur a electronilor din
atom i poate genera schimbri sau transformri n structura atomilor
componeni ai substanei.
mecanismele care stau la baza interaciuni radiaiilor nucleare cu
materia sunt ionizarea i emisia/conversia luminii
Particulele ncrcate produc ionizare i scintilaii iar particulele carenu au sarcin electric sunt detectate indirect prin intermediul
particulelorncrcate pe care le produc n materialul detectorului. Spre
exemple:
- fotonii produc electroni (prin efect fotoelectric extern sau efect
Compton) care la rndul lor produc ionizare- neutronii produc reacii nucleare n care apar particule ncrcate ce
produc ionizare
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
5/19
2. CLASIFICAREA DETECTORILOR DERADIAII NUCLEARE
5
Dup mecanismulde interaciune
Ionizare
GazoiMediul: gaze
nobile,
hidrocarburi
Solizi Mediul: siliciu,germaniu
Camere cubule
Mediul:hidrogen lichid
Emisie /Conversie de
lumin
ScintilatoriMediul: sticl,
plastic
FotomultiplicatoriMediul:
cadmium,pmnturi rare
DetectoriCerenkov
Mediul: gaz,plastic
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
6/19
3. TIPURI DE
DETECTORI
6
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
7/19
3.1. CAMERA DE IONIZARE
7
Camera de ionizare este o incint nchis, de form cilindric, n care se
gsesc doi electrozi plan paraleli i un gaz aflat n condiii normale. Ceidoi electrozi formeaz un condensator plan cu electrozii aflai la distanade 3 6 cm unul de altul.
n lungul traiectoriei particulei nucleare ncrcate care strbate gazulcamerei se produc ioni pozitivi i electroni.
Numrul perechilor de sarcini care se produc
depinde de natura radiaiei care a interacionatcu moleculele gazului i de energia lorcinetic.
Curentul de ionizare este amplificat i msurat.
Eleste proporional cu numrul total de perechi ion - electron creai departicule n unitatea de timp.
Dezavantaje:n camera de ionizare curentul obinut este mic, fapt ceduce la necesitatea folosirii unui sistem de nregistrare complicat.
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
8/19
3.2. CONTORUL GEIGER -MLLER
8
Contorul GeigerMller face parte din categoria de detectori cuionizare in gaz.
Acest detector are o construcie
simpl, fiind alctuit din doi
electrozi introdui ntr-un tub
de sticl sau de metal.
Tubul conine i un gaz nobil la presiune joas ( zeci de torri).
De obicei, electrozii au geometrie cilindric, anodul fiind un fir metalic,subire, dispus pe axul unui cilindru care constituie catodul. Acesta dinurm poate fi un strat conductor depus pe peretele interior al tubului de
sticl, iardac tubul exterior este metalic, va servi chiar el drept catod.ntre cei doi electrozi se aplic o diferen de potenial.
n regiunea din jurul firului central se obine un cmp electric intens ncare electronii sunt accelerai puternic i n deplasarea lor spre anodproduc ionizri n avalan.
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
9/19
9
La trecerea unei radiaii prin volumul contorului se produce excitarea i ionizareamoleculelor gazului.
n funcie de natura radiaiei incidente, ionizarea se poate face direct, n cazulparticulelor cu sarcin electric, sau indirect, prin intermediul electronilor smulidin peretele contorului de radiaiile X i , respectiv al unei particule ncrcaterezultate dintr-o reacie nuclear produs de neutroni. Ionii i electronii formai,dac sunt accelerai n cmp electric, pot produce la rndul lor ionizrisecundare. Caracterul descrcrii interioare depinde de tensiunea aplicat pecontor.
Sarcinile electrice aprute n urma trecerii unei particule sunt colectate iprovoac variaia ntr-un timp scurt a tensiunii aplicate pe contor, deci un puls detensiune care apare la bornele contorului i care este transmis prin condensator la
instalaia de numrare. In cazul contorului GeigerMller apare multiplicarea n gaz a sarcinilor prin
ionizri secundare, adic descrcarea n avalan. Dar, funcionarea contoruluiGeigerMller se bazeaz pe existena unui cmp electric de intensitate mare,astfel c descrcarea n avalan se intensific i este nsoit de avalanesecundare. Astfel, pulsurile de tensiune care apar au amplitudine mare (1-10 Vsau mai mult) i pot fi numrate direct, fr amplificare prealabil.
Acest detector permite numai numrarea particulelor nucleare fr adetermina alte proprieti ale acestora.
http://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=TCqsnap6a1A&feature=related7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
10/19
10
Msurarea radiaiilor din strlucirea mnerelor de la un ceas vechi.Materialul strlucitor este radiu si este utilizat pentru iluminarea mnere.Ceasul a fost fcut n anii 60 i 70.
Contorul Geiger contra indica un nivel maxim de radiaie aproximativ 1.23 USV.
http://translate.google.ro/?hl=ro&tab=wThttp://www.youtube.com/watch?v=YQnZWCwWgCU&feature=related7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
11/19
3.3. Detector cu scintilaii. FOTOMULTIPLICATORUL
11
Fenomenul pe care se bazeaz funcionarea acestor detectori constn apariia de scintilaii n cristale anorganice sau substane organice.
La baza construciei unui scintilatorstfenomenu l defluorescen care const n schimbul
de energie dintre particulele nucleare i materialul
scintilatorului. Lumina produs de scintilator este
transportat la fotomultiplicator.Fotomultiplicatorul este un instrument care
transform un semnal lum inos ntr -un
semnal electric.
El este construit dintr-un tub de sticl vidat ncare se afl: un fotocatod, un ansamblu de
dinode, un divizor de tensiune i un anod.
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
12/19
12
Fotonii aprui n scintilator (scintilaiile) cad pe fotocatod, caretransform fotonii n electroni (numii i fotoelectroni) prin efectfotoelectr ic. ntre fotomultiplicator i prima dinod, ntre dinode i
ntre ultima dinoda i anod se aplic diferene de potenial, cu ajutorulunui divizor de tensiune. Aceste valori cresc, ntre 900 V i 2500 V.
Sub aciunea cmpului electric, fotoelectronii sunt accelerai spreprima dinod de unde extrag prin emisie secundar mai muli electronicare sunt accelerai spre urmtoarea dinod, unde produc din nou
emisie secundar de electroni i procesul se repet. Deci dinodele au rolul de a multiplica curentul produs de fotonii
iniiali pe fotocatod (scinilatiile).
Amplitudinea pulsului de tensiune, obinut cu ajutorulfotomultiplicatorului, este proporional cu numrul de scintilaii
produse de particula ncrcat la trecerea prin cristal, deci cu energiaacesteia.
Datorit acestui fapt, detectorul cu scintilaie se folosete att lanumrarea radiaiilor nucleare ct i la msurarea energiei
acestora.
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
13/19
3.4. DETECTORII CU SEMICONDUCTORI
13
Interaciunea unei radiaii nucleare cu semiconductorul,genereaz electroni n banda de conducie i goluri n banda devalen care vor fi colectai i transformai n semnal ca urmarea scderii rezistivitaii jonciunii.
n funcie de numrul de perechi de sarcin formate (care suntdependente de energia radiaiei), avem intensiti diferite aleimpulsurilor nregistrate.
Purttoriidesarcin colectai, prin apl icarea uneidiferene
depotenial, formeaz un puls acrui ampl i tudine este
proporional cu energ ia part iculelor nucleare nregis trate. Datorit rezoluiei energetice foarte bune, detectorii cu
semiconductori nlocuiesc treptat ceilali detectori n cercetrilede fizic nuclear.
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
14/19
3.5. CAMERA CU CEA
14
Camera cu cea, cunoscut i sub numele de camer Wilson, esteutilizat pentru detecia particulelor de radiaie ionizant.
n cea mai elementar form, o camer cu cea este un mediusigilat care conine vapori de ap sau alcool, superrcii,suprasaturai. Cnd o particul alfa sau o particul beta
interacioneaz cu vaporii, i ionizeaz. Ioni irezultaisecomportca nuc le i de condensare, n jurul creia se va forma cea(deoarece amestecul este n pragul condensului).
Energiile mari ale particulelor alfa i beta nseamn c rmne ourm, datorit faptului c se produc muli ioni de-a lungul cii
particulei ncrcate electric. Aceste urme au forme distincte (deexemplu, urma unei particule alfa este larg i dreapt, iar cea a unuielectron este mai ngust i prezint semne de deviere). Cnd seaplic un cmp magnetic vertical, particulele ncrcate pozitiv inegativ vor avea traiectorii curbate n direcii opuse.
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
15/19
15
Traiectori i le part iculelorncrcate apar n camera cucea sub
fo rma unor u rme v i z i b i l e la o i l um ina re lateral i po t f i
fotograf iate. Traiectoriile particulelor alfa apar n majoritatea cazurilorpractic rectilinii (figura alturat).
Traiectoriile se caracterizeaz prin grosimea i continuitatea lor, carese datoreaz puternicei ionizri specifice, adic a numrului mare deperechi de ioni formai pe unitate de lungime de drum.
Pe fotografii mrite se pot vedea amnunte importante: multe traiectorii se pot termina
printr-o cotitura brusca (crlig), n alte
cazuri se vd deviaii sub unghi mic n puncte
mai mult sau mai puin deprtate de captultraiectoriei. Foarte rar, unghiul de deviaie este
mai mare; mai rar, nc, traiectoria se termin
printr-o furc.
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
16/19
3.6. CAMERA CU BULE
16
O camer cu bule este un vas umplut cu un lichid transparent supranclzit(cel mai adesea hidrogen lichid) folosit pentru a detecta particule ncrcate
electric care se deplaseaz prin el. A fost inventat n 1952 de Donald Glaser, pentru care acesta a primit n 1960
Premiul Nobel pentru fizic.
Camera cu bule este similar camerei cu cea n aplicaii i principiul de baz.
n mod normal este realizat prin umplerea unui cilindru mare cu un lichid nclzit
pn aproape de punctul su de fierbere.
n timp ce particulele intr n camer, un piston i reduce brusc presiunea, iarlichidul intr ntr-o faz de supranclzire, metastabil.
Particulele ncrcate creeaz o urm de ionizare n ju ru l
creia lichidul se evapor, formndbule micros copice.
Densitatea bu lelor n ju rul un ei urm e esteproporional cu
cantitatea de energie pierdut de particul.
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
17/19
17
Bulele cresc n mrime cu ct camera i crete volumul, pn devindestul de mari pentru a fi vzute sau fotografiate.
Cteva camere foto sunt montate n jurul ei, furniznd o imaginetridimensional a experimentului. Au fost folosite camere cu bule curezoluii pn la civa micrometrii.
ntreaga camer este supus unui cmp magnetic constant, ceea cedetermin particulele ncrcate s se deplaseze n spiral, cu razadeterminat de raportul sarcin-mas. Dat fiind c pentru toate particulelesubatomice ncrcate electric i cu via lung, sarcina lor este cea a unui
electron, iar raza de curbur este astfel proporional cu impulsul. n fotografia urmtoare se vd traseele unor particule n camera cu bule.
Camera cu bule e plasata ntr-un cmp magnetic omogen iperpendicular pe figur, astfel nct traiectoriile apar curbate ca urmare aforei Lorentz ce acioneaz asupra lor.
Traseele care parcurg camera orizontal i sunt puin curbate n sus,aparin unui fascicul de protoni.
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
18/19
18
Traseele spirale (n sus i n jos) aparin unui electron i unui pozitron, produica pereche sub influena unei radiaii gamma care nu este vizibila n imagine
7/28/2019 Detectori Radiatii Nucleare
19/19
BIBLIOGRAFIE
19
E. Badarau, I. Popescu - "Gaze ionizate", Editura tehnic, 1965
M. Oncescu - "Fizica", Ed. didactica i pedagogic, 1975
D. Poenaru, N. Vlcov - "Msurarea radiaiilor nucleare cu dispozitive
semiconductoare", Ed. Academiei, 1967
K.Mihin - "Fizica nuclear experimental", Ed. Tehnica, 1982
Internet - wikipedia.org