Detectori de radiatii gama

In scopul detectarii radiatiei gama, aceasta trebuie sa interactioneze cu materia, iar aceasta interactiune trebuie inregistrata. Natura electromagnetica a fotonilor radiatiei gama le permite sa interactioneze puternic cu electronii atomilor tuturor materialelor. Procesul prin care radiatia gama este detectata este ionizarea, in decursul careia cedeaza o parte sau intreaga sa energie unui electron. Electronul produs ciocneste alti atomi si elibereaza mai multi electroni. Sarcina libera este colectata, fie direct (detectorii proportionali sau cu semiconductor), fie indirect (detectorii cu scintilatii) in scopul inregistrarii prezentei radiatiei gama si a masurarii energiei sale. Rezultatul final consta intr-un puls electric al carui tensiune este proportionala cu energia cedata in mediul detector.

Tipuri de detectori

Diferite tipuri de detectori sunt utilizati pentru inregistrarea radiatiilor gama si a energiei lor. In analizele nedistructive este necesara nu numai masurarea cantitatii de radiatie emisa de proba ci si masurarea spectrului energetic. Din acest motiv detectorii utilizati in aceste tipuri de aplicatii sunt cei al caror semnal de iesire este proportional cu energia cedata de radiatia gama in volumul sensibil al detectorului.

1. Detectorii cu gaz

Volumul sensibil (pentru detectare) al acestui detector consta dintr-un gaz intre doi electrozi (fig. 1). La cele mai multe tipuri electrodul exterior este depus pe peretele exterior al vasului in care se afla gazul sub presiune, iar electrodul (pozitiv) interior este un fir subtire pozitionat in centrul cilindrului.

La alte tipuri (camera de ionizare) ambii electrozi sunt situati in gaz si separati prin peretii vasului.

Camera de ionizare este detectorul cu gaz la care tensiunea dintre electrozi este suficient de mica pentru a colecta numai sarcinile produse in urma ionizarii primare. Semnalul electric la iesire este proportional cu energia cedata in volumul de gaz.

Daca tensiunea dintre electrozi este ridicata, electronii produsi in urma ionizarii pot atinge energie cinetica suficienta pentru a produce ionizarii ulterioare. Acesta este detectorul proportional care este utilizat in aplicatii specifice prin varierea presiunii gazului si/sau a tensiunii aplicate. Detectorii proportionali sunt utilizati in spectrometria radiatiilor gama sau X a caror energie este suficient de mica (cateva zeci de keV) pentru a interactiona cu eficienta rezonabila in gazul detector.

Daca tensiunea de operare este ridicata in continuare, multiplicarea sarcinii in volumul de gaz creste (in avalanse) pana cand sarcina spatiala produsa de ionii reziduali blocheaza ionizarile ulterioare. Ca rezultat, cantitatea de ioni devine independenta de energia cedata initial gazului. Acest tip de detector poarta denumirea de Geiger-Mueller (GM). Un tub GM cu gaz nu diferentiaza tipurile de particule pe care le detecteaza sau energia lor, el inregistreaza numai numarul particulelor care intra in detector. Detectorul GM este utilizat in dozimetrele de radiatii β si γ.

Detectorii cu gaz nu sunt utilizati in detectia radiatiilor gama la analizele nedistructive a materialelor nucleare, ei fiind utilizati in mod special pentru detectarea neutronilor.

2. Detectori cu scintilatii

Volumul sensibil al detectorilor cu scintilatii consta intr-un material luminiscent (solid, lichid sau gaz) controlat optic de un dispozitiv care detecteaza emisiile luminoase induse de radiatia gama (de obicei un tub fotomultiplicator). Materialul scintilator poate fi organic sau anorganic (cel mai comun). Scintilatorii anorganici cei mai utilizati sunt: iodura de sodiu (NaI), iodura de cesiu (CsI) si iodura de litiu (LiI). Marea majoritate a detectorilor cu scintilatii sunt solizi cu cristale anorganice de NaI si CsI.

In urma interactiei radiatiei gama cu materialul scintilator, atomii ionizati (excitati) ai materialului se "relaxeaza" pe o stare energetica mai joasa emitand fotoni de lumina. Intr-un cristal anorganic pur, revenirea atomului pe o stare energetica joasa cu emisia unui foton, este un proces ineficient. Mai mult, fotonul emis are o energie prea mare pentru a-l situa in domeniul lungimilor de unda al sensibilitatii tubului fotomultiplicator. Pentru amplificarea emisiei fotonilor se introduc in toti scintilatorii cantitati mici de impuritati (denumite excitatori). Dezexcitarea cristalului canalizata prin aceste impuritati ridica numarul fotonilor care pot activa fotomultiplicatorul. O consecinta importanta a materialului luminiscent cu impuritati excitatoare este ca intregul cristal scintilator devine transparent pentru scintilatiile luminoase. Exemplu de scintilator cu excitator utilizat in masurarea radiatiilor gama este iodura de sodiu dopata cu taliu [NaI(Tl)].

Scintilatiile luminoase sunt emise in toate directiile, pentru reducerea pierderilor fotonilor luminosi scintilatorul este inconjurat cu un material reflectator (MgO) si cuplat optic la fotocatodul unui fotomultiplicator (fig. 2). Fotonii incidenti elibereaza din fotocatod electroni prin efect fotoelectric, fotoelectroni care sunt accelerati si se ciocnesc cu electrozii (dinode) din tub eliberand electroni in plus. Acest flux marit de electroni este accelerat pentru a ciocnii electrozii urmatori, producandu-se o multiplicare larga (de ordinul 10⁴ sau chiar mai mult) fata de valoarea initiala de la suprafata fotocatodului. In final, acest impuls amplificat de sarcina ajunge la anodul tubului. Marimea impulsului de sarcina este proportionala cu cantitatea initiala de sarcina eliberata la fotocatodul tubului.

Conform efectului fotoelectric numarul initial de fotoelectroni eliberati la fotocatod este proportional cu cantitatea fotonilor luminosi incidenti la fotocatod, care la randul lor sunt proportionali cu cantitatea de energie cedata scintilatorului de radiatia gama (presupunand ca nu exista pierderi de lumina in volumul scintilatorului). Deci, semnalul produs la iesire este proportional cu energia cedata mediului scintilator de radiatia gama. In orice caz, spectrul

energetic (chiar si pentru un flux de fotoni monoenergetici) este destul de variat, datorita prezentei efectului fotoelectric, efectului Compton, diferitelor fenomene de imprastiere in mediul scintilator si a fluctuatiilor statistice asociate acestor procese.

3. Detectorii cu solid (semiconductor)

In acesti detectori sarcina produsa in interactiile fotonilor este colectata direct. Rezolutia energetica pentru radiatiile gama a acestor detectori este mult mai mare decat a detectorilor cu scintilatori. Figura 3 indica o reprezentare generica a detectorilor cu semiconductor.

Printre primele detectoare de acest tip si cel mai uzual este detectorul de germaniu dopat cu litiu [Ge(Li)] ca mediu de detectie. Litiu este utilizat in scopul obturarii captarii sarcinii la nivelul impuritatilor in reteaua cristalina, in timpul procesului de colectare a sarcinii. In ultimii ani s-a produs detectorul cu cristale de germaniu hiperpur (HPGe), fiind eliminata doparea cu litiu.

Detectorii solizi sunt produsi, de obicei, in doua configuratii: coaxial si planar (fig. 4). Acesti termeni se refera la forma cristalului detector si la modul in care acesta este conectat in circuitul detectorului.

Detectorii coaxiali sunt produsi in doua variante (fig. 4 a. si b.). In ambele cazuri campul electric pentru colectarea sarcinii este in principal radial, cu unele componente axiale prezente in configuratia cristalului semideschis. Acesti detectori pot fi produsi cu volume sensibile mari, si deci cu o mare eficienta de detectie pentru radiatii gama cu energii inalte.

Detectorii planari sunt constituiti din cristale cu sectiune rectangulara sau circulara (fig. 4 c.), avand regiunea sensibila de grosime 1-20 mm, iar campul electric perpendicular pe aria sectiunii cristalului. Detectorii planari au cea mai buna rezolutie energetica fiind preferati in analiza spectrelor complexe ale radiatiilor gama de energii joase si radiatiile X ale uraniului si plutoniului.

Un alt tip de detector cu material semiconductor utilizat in spectroscopia fotonica este siliciu dopat cu litiu [Si(Li)]. Numarul atomic mai mic al siliciului comparativ cu al germaniului, reduc eficienta fotoelectrica a acestuia cu un factor de aproximativ 50. Acest tip de detector este utilizat in masurarea spectrelor de radiatii X situate in domeniul energetic 1 - 50 keV, cu unele aplicatii in masuratorile de fluorescenta de raze X. Eficienta fotoelectrica redusa a siliciului reprezinta un avantaj in masurarea radiatiilor X si gama de energii joase, deoarece sensibilitatea la energii inalte este redusa substantial. Detectorii cu siliciu sunt frecvent utilizati in spectroscopia particulelor incarcate si in spectroscopia Compton de recul a radiatiilor gama de energii inalte.