Detectarea radiatiilor X - nipne.ro · Golul- legatura covalenta nesaturata, avand o sarcina...

31
Detectarea radiatiilor X Cursul de Securitate Radiologica la Utilizarea instalatilor cu generatori de radiatii X M. Preda IFIN-HH Octombrie 2003

Transcript of Detectarea radiatiilor X - nipne.ro · Golul- legatura covalenta nesaturata, avand o sarcina...

Detectarea radiatiilor XCursul de Securitate Radiologica la Utilizarea instalatilor cu

generatori de radiatii X

M. Preda

IFIN-HH

Octombrie 2003

Producerea radiatiilor X

Electron

R X Nucleu tinta

Radiatie electromagnetica cu originea in exteriorul nucleuluiEnergia : intre ~ 1 keV - 10 MeV

Catod(-)

Anod (+)

Radiatii X

Schema unui generator de RX

electroni

Spectrul energetic al fotonilor se poate modifica prin variatia UNr. de fotoni emisi se poate modifica prin variatia IFiltru - folosit pentru a absorbi RX de energie joasa ( Al, Cu )

Filtru

Detectarea radiatiilor

Radiatiile sunt detectate folosind sisteme care masoaracantitatea sau numarul de evenimente de ionizare sauexcitare produse intr - un volum sensibil

RX interactioneaza puternic cu electronii

- efect fotoelectric- cedeaza intreaga energie unui electron

- imprastiere Compton - cedeaza o parte a energiei

- imprastiere Raylieght - isi modifica doar traiectoria

Caracteristici generale ale detectorilor

• Sensibilitatea -- capacitatea de aproduce un semnalmasurabil pentru un tip de radiatie si energie

- volumul sensibil este proiectat functie de caracteristicilecampului de radiatii de detectat

• Eficacitatea – raportul dintre numarul departicule/cuante care au dat un semnal inregistrabil la iesireadetectorului si numarul de particule/cuante din campul deradiatie care au intrat in volumul sensibil

Eficacitatea - intrinseca sau totala

• Rezolutia energetica − caracteristica adetectoarelor selective ce indica capacitatea de a discerne intredoua maxime apropiate

Caracteristici generale

• Rezolutia temporala – timpul de rezolutie ( τ )intervalul minim intre inceputul unui semnal electricprodus la iesirea detectorului si primul semnal ulterior cepoate fi inregistrat

Detectori – paralizabili - un nou eveniment

aparut intr-un interval < τ prelungeste timpul mort aldetectorului cu inca τ

- neparalizabili – un nou eveniment nu are nici unefect

Eleactronica asociata

Electronica asociata poate poate inregistra : - Evenimente individuale (pulsuri); - Media mai multor evenimente (curentul)

Contoare - selecteaza pulsurile de o anumita amplitudine si lenumara

Spectrometre- analizeaza amplitudinea pulsurilor pentru a determinadistributia lor

Detectori pentru radiatiile X

Detectori bazati pe ionizarea

• in gaze: camere de ionizare, contori proportionali

• in solide: detectori cu scintilatori, detectori cu semiconductori

Sisteme complexe - combinatii ale acestora

Detectori cu gaz

Gaz

Electronicaasociata

+

-

Catod (-)

Anod (+)

+ + +

- - -

+ -Radiatie

incidenta

Sursa de tensiune

Detectori cu gaz

Gazul Energia(eV)______________________Heliu 41Azot 36Aer 34.4Neon 36.3Argon 26Kripton 24Xenon 22

Detectori cu gaz

Eficacitatea unei camere de ionizare de 10 cm lungime in functie de energiepentru diferite gaze de umplere la presiunenormala

Energii medii necesare pentru formarea unei perechi electron-ion

Detectori cu gaz

Caracteristica de functionare

Regiunea A – recombinare a electronilor si ionilor datorita campului electric slab, detectorul colecteaza o fractiune din sarcina produsaRegiunea B – ionii formati sunt colectati inainte de recombinareCorespunde functionarii camerei de ionizareRegiunea C – multiplicarea in gaz este predominanta;Electronii primari prin ciocniri cu moleculele gazului produc ionizari secundare.Detectorii ce functioneaza in aceasta regiunesunt contorii proportionaliRegiunea D – predomina producerea de avalanse de electroni datorita multiplicarii in gaz. Detectorii ce functioneaza in aceasta regiune :contorii Geiger-MullerRegiunea E – gazul este strapuns, nu mai exista comportament de detector

Detectori cu gaz

Detectori cu gaz

• Functioneaza in regim de saturatie- pe palier curentul nu depinde de tensiunea aplicata• Curentul obtinut este cu atat mai mare cu cat energia radiatiilor incidente sau intensitatea campului sunt mai mari• Dimensiunile se aleg in functie de energia RX de detectat• Utile in detectarea campurilor R X intense• Gazul de umplere poate fi ales astfel incat sa fie echivalent tesu• Aerul la presiunea atmosferica este cel mai utilizat. Presiuni mai mari à nr mai mare de perechi de ioni dar si probabilitate de recombinare mai mare

Camerele de ionizare

Detectori cu gaz

Alte tipuri constructive -electrozi planparaleli

Utile in campuri puternicneomogene

Contoare proportionale - inchise - fara fereastra

La energii joase raspunsul poate fi supraestimat din cauzaRX caracteristice a gazului de umplere ( 2.97 keV la Ar,12.6 keV la Kr, 29.7 keV Xe).Se poate remedia prin alegereaunui gaz cu energia caracteristica mai mare decat energiaradiatiei incidente ( daca se cunoaste)La energii mari ale fotonilor contoarele au eficacitate mica,probabilitatea de interactiune a fotonilor cu gazul scade cuenergia, sensibilitatea la astfel de radiatii provine dininteractiunile cu peretii contorului

Detectori cu gaz

Detectori cu gaz

Alte tipuri de detectori cu gaz • camere multifilare

• camere cu microstripuri

Detectori cu scintilatori

Radiatia X

Cristalscintilator

Fotocatod

Fereastra optica

- Electronicaasociata

Lumina Tub fotomultiplicator

Anod

Detectori cu scintilatori

Volumul sensibil - cristal scintilator; cel mai frecvent NaI (Tl)

Scintilatia : procesul prin care energia transferata de radiatia ionizantaeste absorbita si reemisa sub forma de fotoni din domeniul vizibil.

Scintilatiile sunt transformate in semnal electric ce este amplificat ulterior infotomultiplicator si analizat.

Intre dinode exista o diferenta de potential ce accelereaza electronii.Fotocatodul – substanta ce emite electroni la expunerea la lumina (CsSb) - Mentinut la potential 0 sau la pamant pentru a accelera electronii emisi- Fotoelectronii sunt indreptati spre dinode unde are loc emisia secundara de electroni, numarul lor multiplicandu-se pe dinodele urmatoare.- Intre fotocatod, dinode, si anod se colecteaza sarcina multiplicata Multiplicarea sarcinii initiale- de ordinul 104 - 108 ori.

Detectori cu scintilatori

Densitate mare 7.3 g/cm3 --> probabilitate mare de absorbtiefotoelectrica - nu sunt fragile sau higroscopice ca NaI(Tl)- prezinta conversie luminoasa de doar 10-20% din cea a NaI(Tl)- se folosesc atunci cand este mai importanta rezolutia decateficacitatea

BGO

NaI(Tl)

Scintilatori : NaI(Tl), CsI(Tl), BGO (Bi4Ge3O12)

Eficacitate de conversie luminoasa mareRaspuns aproape liniar pe spectru de energii semnificativePot fi produse cristale de dimensiuni mari si forme diverseCristalele sunt higroscopice

Detectori cu scintilaori

Avantaje

• Sensibilitatea la energie – raspuns liniar cu energia depozitate inscintilator; amplitudinea semnalului final proportionala cu energia• Raspunsul rapid - permite obtinerea cu mare precizie a diferenteitemporale dintre doua evenimente si are posibilitatea de inregistrare aunor rate de numarare mari.• Discriminarea dupa forma pulsului –raspunsuri diferite pentruenergii si partticule diferite – constructia de spectrometre

• Cristalele scintilatoare de NaI(Tl) sunt higroscopice• Raspunsul este influentat de campurile magnetice• Sensibilitate la socuri mecanice si termice

Dezavantaje

Detectori cu semiconductori

Semicondutoarele : energia medie de ionizare 3.62 eV

In functie de energia radiatiei incidente pierderea de energie poate fi dominata

de efectul fotoelectric sau de imprastierea Compton.

Eficacitatea detectorilor cu semiconductori depinde de puterea de stopare a RX

si va fi mai mare cu cat grosimea va fi mai mare

Din punctul de vedere al conductiei materialele pot fi : conductoare, semiconductoare sau izolatoare.Materialele cristaline -nivele atomice externe grupate in douabenzi energetice: banda de conductie (BC) si banda de valenta(BV) intre care exista o banda energetica interzisa (BI)Largimea BI este- 0 la conductoare

< 5 eV la semiconductoare > 5 eV la izolatoare

Detectori cu semiconductori

• Purtatorii de sarcina : electronii si golurile Golul- legatura covalenta nesaturata, avand o sarcina relativa pozitiva fata de mediul in care exista• Elemente tetravelente, reteaua este formata din legaturi covalente intre atomi.• Semiconductori folositi la detectie : Si, Ge, GaAs Diverse forme constructive adaptate utilizarii. Si: grosimi tipice 300 µm GaAs grosimi de 200 µm are eficacitate de absorbtie mai mare fata de unul din Si de grosime 300 µm in domeniul 10 keV - 100 keV

Detectori cu semiconductori

Intr-un semiconductor pur perechile e-g sunt generate termic.Pentru a ajuta conductia cristalele se dopeaza: introducerea unor atomi trivalenti( B) sau pentavalenti (P).

Dopant pentavalent – un electron care nu participa la legaturi covalente, cuenergia mai mare decat a electronilor din legaturile covalente. Un nivel apropiat deBC apare in banda interzisa. Impuritatiel de acest tip se numesc impuritati de tipdonor ca si nivelul introdus de acestea.Numarul electronilor ce participa la conductie este mai mare decat insemiconductorul intrinsecà semiconductor de tip nDopant trivalent – are un electron de valenta mai putin ceea ce conduce laapritia de legaturi covalente nesaturateadica un exces de goluri. Corespunzator in banda interzisa va aparea un nivel foarteapropiat de BV – nivel acceptor ca si dopantul care il genereaza.Numarul golurilor care participa la conductie este mai mare decat celcorespunzator semiconductorului intrinsec-à semiconductor de tip p

Pentru construirea unui detector se utilizeaza ambele tipuri de semiconductori: jonctiunea pn rezultate din alaturarea unei zone de tip cu una de tip n.Diferenta de concentratii de electroni si goluri in cele doua materiale determina difuzia acestora si aparitia unei zone golite de sarcini mobile : regiunea de sarcina spatiala avand proprietatea ca un electron sau un gol creati sau care intra in aceasta zona vor fi imediat ’ ’expulzati” .Aceasta este proprietatea care se foloseste in detectieContactele electrice plasate la extremitatile jonctiunii vor permite intregistratea unui semnal proportional cu ionizarea produsa.

Structura tipica a unui detector este p+n n+, p+ i n+ (PIN)

Detectori cu semiconductori

Detectori cu semiconductori

Reprezentare schematica a unei diode din siliciu

Detectori cu semiconductori

Detectorii din siliciu sunt diode polarizate invers cu zona golita de sarcina mobila actionanad ca o camera de ionizare in care volumul sensibil este in stare solida

Detectori cu semiconductori

Sisteme complexe:

O serie (sir)de fotodiode din siliciu pe care s-au montat materiale

scintilatoare. RX stopate de scintilator conduc la emisia de

lumina care va produce aparitia sarcinilor electrice in fotodioda.

Sarcinile se colecteaza iar semnalul este prelucrat electronic

rezultand un semnal proportional cu intensitatea radiatiei

incidente.

Detectori cu semiconductori

Avantaje

• Rezolutie foarte buna• Stabilitate in timp• Caracteristici temporale bune• Simplitate in functionare

Detectori pentru RX

Contor proportionalpentru RX