Consideratii generale asupra detectarii radiatiilor nucleare

Consideratii generale asupra detectarii radiatiilor nucleare

1. Introducere

Detectarea radiatiilor nucleare se bazeaza pe procesele de interactie dintre radiatia nucleara si materie. De aceea, pentru orice tip de radiatie nucleara - particule cu sarcina de mase diferite (de la electroni la ioni grei), particule neutre cu masa de repaus nenula, radiatii electromagnetice s.a. - trebuie bine cunoscute aceste procese [12,14,15,31,32]. Prin procesul de interactie, radiatiile nucleare transfera o parte din energia lor - uneori, toata energia disponibila - mediului cu care interactioneaza. Acesta este principiul fundamental al detectarii radiatiilor nucleare. Particulele cu sarcina transfera energia lor materiei prin ciocniri directe cu electronii atomilor, ceea ce provoaca excitarea sau ionizarea atomilor. Radiatia neutra (fara sarcina electrica) trebuie sa sufere o reactie cu materia care sa conduca la particule cu sarcina care, la randul lor, excita si/sau ionizeaza atomii mediului respectiv. Forma sub care apare energia convertita in mediu depinde de structura si proprietatile detectorului.

Trebuie mentionat faptul ca, uneori, prin sistem de detectie se intelege detectorul de radiatii si sistemul de prelucrare a semnalului [31,32].

Remarca În curs, termenul de sistem de detectie este folosit, uneori, si pentru a descrie sisteme mari de detectori folositi in experimente complexe de Fizica nucleara relatvista, cu luarea in considerare a sistemelor de prelucrare a semnalelor.

Orice detector de radiatii nucleare este format din 3 parti componente importante, si anume:

volumul sensibil;

elementele de structura;

sistemul de formare a semnalului.

În volumul sensibil se produc interactiile dintre radiatiile nucleare si materie. În urma acestor interactii se obtine informatia necesara. Sistemul de formare a semnalului permite extragerea informatiei obtinute in volumul sensibil si pregatirea ei pentru sistemul de prelucrare a semnalului. Elementele de structura implica acea parte a detectorului de radiatii care permite mentinerea volumului sensibil, sistemului de formare a semnalului si, eventual, a sistemelor de alimentare cu curent electric sau tensiune electrica, intr-un tot unitar. La multi detectori de radiatii nucleare, printre elementele de structura se numara si fereastra de intrare. Aceasta fereastra de intrare trebuie sa fie transparenta la radiatia nucleara care este detectata. Trebuie remarcat ca orice detector trebuie sa dea un semnal de iesire.

Natura volumului sensibil al detectorului si natura semnalului de iesire dat de detector sunt doua criterii importante pentru clasificarea acestora. De aceea, se vorbeste despre detectori cu gaz, detectori lichizi (cu lichid), detectori solizi (cu corp solid), respectiv, de detectori cu semnal electric si detectori cu semnal neelectric. Pentru fiecare tip de detector se obtin diferite semnale de iesire, iar pentru fiecare tip de semnal exista metode diferite de prelucrare [12,14,15,31-35].

Prezentarea detectorilor de radiatii nucleare se poate face din mai multe puncte de vedere. Cele mai des folosite sunt cele care discuta tipurile de detectori in termeni de structura si mod de operare. O alta cale de interes este cea a functiilor specifice indeplinite de detectori. Prima cale este de interes mai mare pentru cei care gandesc si construiesc diferite tipuri de detectori, iar cea de a doua cale este de folos pentru cei care utilizeaza diferiti detectori. O tratare completa implica ambele cai.

2. Proprietatile si functiile detectorilor

Aspectele mentionate anterior referitoare la detectorii de radiatii nucleare pot fi intelese mai bine si sunt legate mai profund prin proprietatile fundamentale ale detectorilor si sistemelor de detectie. Trebuie aratat faptul ca tipul de detector determina proprietatile fundamentale, iar proprietatile detectorului permit stabilirea functiilor detectorului.

Detectorii pot avea sase proprietati fundamentale, si anume:

1. Detectia

2. Formarea semnalului de iesire

3. Discriminarea

4. Masurarea de energie

5. Masurarea de timp

6. Masurarea de pozitie

Din cele 6 proprietati prezentate numai 2 sunt comune tuturor detectorilor, anume: detectia si formarea semnalului de iesire.

Cele sase proprietati fundamentale mentionate determina cinci functii de baza pentru detectorii de radiatii. Acestea sunt:

1. Numararea

2. Masurarea de energie (Spectrometria de amplitudine a pulsurilor)

3. Masurarea de pozitie (Formarea de imagini si traiectorii)

4. Masurarea de timp (Obtinerea de informatii temporale)

5. Dozimetria radiatiilor nucleare

Fiecare proprietate fundamentala este caracterizata printr-un parametru asociat si printr-o variabila asociata. Variabila asociata stabileste domeniul de aplicare a unei proprietati, iar parametrul asociat da o masura cantitativa a acesteia.

Parametrul asociat proprietatii de detectie este eficacitatea de detectie. Variabila asociata acestei proprietati este numarul de semnale/pulsuri inregistrate. Pentru proprietatea de formare a semnalului exista diferiti parametrii asociati, iar variabila asociata este, pentru oricare dintre ei, continutul de informatie. O situatie similara se intalneste si in cazul proprietatii de discriminare; si in acest caz exista diferiti parametrii asociati, iar variabila asociata este, pentru oricare dintre ei, natura radiatiei. Rezolutia energetica este parametrul asociat proprietatii de masurare de energie. Variabila asociata este, in acest caz, energia. Cea de a cincea proprietate din lista prezentata anterior, masurarea de timp, are ca parametru asociat rezolutia temporala, variabila asociata fiind timpul. În ceea ce priveste proprietatea de masurare de pozitie, parametrul asociat este rezolutia spatiala, iar variabila asociata este pozitia.

În multe situatii se prefera tratarea globala a unor aspecte legate de performantele detectorilor si se foloseste termenul de caracteristici generale ale detectorilor. Prin aceasta formulare se regasesc parametrii asociati proprietatilor detectorilor, cu unele componente ale lor. Printre aceste caracteristici generale ale detectorilor se numara: sensitivitatea, raspunsul detectorului, rezolutia energetica, functia de raspuns a detectorului, timpul de raspuns, eficacitatea de detectie si timpul mort al detectorului.

Prin sensitivitate se intelege capacitatea unui detector de radiatii nucleare de a produce un semnal de iesire utilizabil pentru un tip de radiatie dat si o energie data. Nici un detector nu este sensibil la toate tipurile de radiatie si la toate energiile radiatiilor nucleare. Sensitivitatea unui detector depinde de sectiunile eficace ale proceselor de ionizare in volumul sensibil al detectorului, masa volumului sensibil al detectorului, zgomotul detectorului, natura elementelor de structura (natura materialului care inconjoara volumul sensibil al detectorului), inclusiv a materialului din care este realizata fereastra de intrare. Aceasta caracteristica este legata, in principal, de proprietatea de formare a semnalului.

Raspunsul detectorului este definit ca fiind relatia dintre energia radiatiei si sarcina totala sau amplitudinea pulsului pentru semnalul de iesire. Este legat de proprietatea de masurare de energie. Relatia dintre energia radiatiei si sarcina totala sau amplitudinea pusului pentru semnalul de iesire este, in cele mai multe situatii de interes, una liniara sau aproximativ liniara, pe anumite domenii de energie sau pentru anumite tipuri de radiatii. Raspunsul detectorului este, de aceea, dependent si de mecanismele de reactie declansate in volumul sensibil al detectorului de diferite particule, sau de acelasi tip de particula dar cu energii in domenii diferite.

Rezolutia energetica este parametrul asociat proprietatii de masurare de energie. Nu toti detectori au aceasta proprietate. Se defineste ca fiind extinderea in energie pentru care detectorul de radiatii mai poate detecta doua radiatii nucleare ca distincte. În mod ideal, maximul care trebuie observat la o masurare de energie ar trebui sa aiba forma unei functii d (Dirac). Datorita fluctuatiilor in numarul de excitari si ionizari, specifice proceselor la nivel atomic si nuclear, forma maximului este de tip gaussian. De aceea, rezolutia energetica absoluta este definita ca largimea totala la semiinaltimea maximului. Rezolutia energetica relativa este definita ca raportul dintre rezolutia energetica absoluta si energia pentru care a fost determinata rezolutia energetica absoluta. Rezolutia energetica relativa are o anumita dependenta de energie. Forma acestei dependente este determinata de tipul de detector de radiatii nucleare folosit. Este una din caracteristicile cele mai importante ale unui detector de radiatii nucleare.

Functia de raspuns a unui detector este legata tot de proprietatea de masurare de energie. Ea ia in considerare faptul ca forma spectrului de energie masurat prezinta dependenta de tipul radiatiei nucleare detectate. Functia de raspuns a unui detector la o energie data este determinata de mai multi factori, si anume: natura interactiilor pe care radiatiile nucleare le sufera in volumul sensibil al detectorului, natura volumului sensibil, forma detectorului si geometria de detectare. În mod obisnuit functia de raspuns a detectorului ia forma spectrului de amplitudini ale pulsurilor radiatiilor nucleare detectate. Ea este diferita de la un tip de detector la altul. De exemplu, forma functiei de raspuns pentru energia de 661 keV a unor radiatii g este diferita pentru un detector cu semiconductor (cu germaniu, de exemplu) si pentru un detector cu scintilatie (scintilator organic, de exemplu). În primul caz, datorita faptului ca sectiunea eficace pentru producerea efectului fotoelectric este mare in raport cu sectiunea eficace pentru imprastiere Compton, la energia considerata, se va observa un maxim datorat efectului fotoelectric foarte inalt si ingust si o distributie continua datorata imprastierii Compton foarte mica. În cel de al doilea caz, datorita faptului ca scintilatorul organic are un numar atomic Z mic, se va observa in functia de raspuns a detectorului numai distributia continua datorata imprastierii Compton, imprastiere care este predominanta pentru situatia considerata.

Timpul de raspuns al detectorului reprezinta timpul necesar pentru formarea unui semnal de iesire, timp considerat de la ajungerea radiatiei nucleare pe volumul sensibil al detectorului. Timpul de raspuns al detectorului este asociat proprietatii de masurare de timp. Pentru a indeplini in conditii optime functia de masurare de timp este necesar ca semnalul de iesire sa fie format rapid astfel incat sa aiba o largime mica (sa fie ingust), cu un front de crestere cat mai rapid, aproape vertical. Este importanta si durata semnalului, deoarece in acest interval de timp nu mai poate fi inregistrat un al doilea eveniment. În functie de natura volumului sensibil al detectorului pe durata inregistrarii unui eveniment pot interveni doua situatii, si anume:

(a) detectorul este insensibil pentru un al doilea eveniment;

(b) din cauza prezentei primului eveniment, cel de al doilea eveniment se va suprapune peste primul eveniment; apare asa numitul fenomen de "ingramadire" ("pile-up") care contribuie la cresterea timpului mort al detectorului de radiatii nucleare si la limitarea ratei de numarare.

Eficacitatea de detectie este parametrul asociat proprietatii de detectie. Se pot intalni mai multe tipuri de eficacitate de detectie. Cele mai des folosite sunt eficacitatea de detectie absoluta si eficacitatea de detectie intrinseca. Eficacitatea de detectie absoluta sau eficacitatea de detectie totala se defineste ca raportul dintre numarul de radiatii emise de catre sursa si inregistrate (evenimente), in realitate, de catre detector si numarul de radiatii emise de sursa. De aceea, eficacitatea de detectie totala depinde de geometria detectorului, de distanta de la sursa de radiatii la detector, precum si de probabilitatea de interactie in volumul sensibil al detectorului. În cazul in care lungimea traiectoriei strabatute de radiatie prin detector nu variaza prea mult pentru un anumit detector sau drumul liber mediu este foarte mic, eficacitatea de detectie absoluta poate fi factorizata in doua componente, si anume: eficacitatea de detectie intrinseca, e_int si eficacitatea de detectie geometrica, e_g Se poate scrie urmatoarea relatia de legatura: e e_int e_g Trebuie amintit aici faptul ca eficacitatea de detectie geometrica este denumita si acceptanta.

Eficacitatea de detectie intrinseca este data de raportul dintre numarul de radiatii cazute pe detector si inregistrate de acesta si numarul total de radiatii cazute pe detector. Cea mai importanta dependenta a eficacitatii de detectie intrinseca este cea de sectiunea eficace de interactie a radiatiei nucleare cu volumul sensibil al detectorului. De aceea, ea este o functie de tipul de radiatie, energia radiatiei si natura substantei din care este facut volumul sensibil. În consecinta, in multe situatii de interes se pune problema dimensiunilor detectorilor pentru a avea o probabilitate de interactie suficient de mare pentru detectarea unor radiatii nucleare.

Eficacitatea de detectie geometrica (acceptanta) se poate defini ca fractia din radiatia emisa de catre o sursa de radiatii nucleare care este interceptata ("vazuta") de catre detector. Ea depinde de configuratia geometrica a detectorului si sursei. Pentru determinarea ei corecta este necesara cunoasterea distributiei unghiulare a radiatiei nucleare a sursei considerate in experiment.

În cazul aranjamentelor experimentale complexe este necesara realizarea unor simulari Monte Carlo pentru stabilirea acceptantei. În Fig.I.2 este prezentata acceptanta pentru un astfel aranjament experimental. Este vorba de experimentul BRAHMS de la Collider-ul de Ioni Grei Relativisti (RHIC) de la Laboratorul national Brookhaven (BNL) din SUA. El va fi prezentat mai detaliat in curs.

O alta caracteristica de baza a unui detector este timpul mort. El este legat de proprietatea de detectie si de parametrul asociat acesteia, eficacitatea de detectie. Timpul mort reprezinta timpul necesar unui detector de a prelucra un eveniment (radiatia nucleara inregistrata). Acest timp este finit si depinde de durata semnalului pentru pulsul considerat. Asa cum s-a mai aratat, un detector de radiatii nucleare poate sa ramana sau nu sensibil pe perioada prelucrarii informatiei de la un eveniment inregistrat. În cazul in care detectorul nu este sensibil, orice alta radiatie care ajunge in aceasta perioada in volumul sau sensibil este pierduta. Daca detectorul ramane sensibil, atunci radiatiile care ajung in intervalul de timp necesar prelucrarii informatiei pentru o radiatie nucleara inregistrata se pot "ingramadi" (suprapune) peste radiatia inregistrata, ceea ce va determina distorsionarea semnalului de iesire obtinut si pierderi ulterioare de informatie pentru ambele radiatii. Sunt afectate astfel ratele de numarare obtinute (variabila asociata proprietatii de detectie). De asemenea, este distorsionata distributia temporala a sosirii radiatiilor nucleare pe volumul sensibil al detectorului, ceea ce poate conduce la pierderea unor informatii importante. De exemplu, pentru o sursa care emite radiatii nucleare in conformitate cu caracterul statistic al dezintegrarilor radioactive se poate ajunge la distributie temporala care sa nu mai fie descrisa de o distributie de probabilitate de tip Poisson. Pentru reducerea valorilor timpului mort si pentru reducerea efectelor asupra informatiei experimentale obtinute se prefera rate de numarare mai mici care sa scada probabilitatea aparitiei unui alt eveniment pe perioada inregistrarii celui anterior. Exista mai multe metode de determinare si masurare a timpului mort, in functie de tipul de detector (paralizabil - cu timp mort care se poate extinde, respectiv, neparalizabil - cu timp mort care nu se poate extinde) [14 -37].

În folosirea oricarui detector trebuie avute in vedere proprietatile si functiile enumerate, precum si diferitele lor caracteristici. Trebuie tinut seama de faptul ca un detector poate sa nu aiba toate proprietatile mentionate si, de aceea, nu poate indeplini toate functiile. În plus, caracteristicile lor de baza ii pot face mai utili pentru anumite radiatii nucleare sau pentru anumite energii ale acestora. În acest mod se poate obtine o informatie corecta si completa asupra proceselor si fenomenelor fizice investigate.