PROFESOR MARTIN AMELIA

LICEUL TEORETIC CONSTANTIN NOICA - ALEXANDRIA*

Noiuni generaleClasificarea detectorilor de radiaii nucleareTipuri de detectori 3.1. Camera de ionizare 3.2. Contorul Geiger MLLER 3.3. DetectorUL cu scintilaii. FOTOMULTIPLICATORUL 3.4. DETECTORII CU SEMICONDUCTORI 3.5. CAMERA CU CEA 3.6. CAMERA CU BULE *

1. NOIUNI GENERALE Detectorii 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 incidente pe suprafaa sa activ n semnal electric (sarcin sau tensiune) sub form de impulsuri. Detectorul de radiaii este format, de regul, din dou pri componente: corpul de detecie propriu-zis const dintr-un mediu n care radiaia nuclear produce un efect specific sistemul de nregistrare a efectului produs de particul asigur amplificarea i prelucrarea semnalului obinut *

Procesul fundamental al interaciunii radiaiilor nucleare cu materialul detectorului, este dat de faptul c energia implicat n procesul de interaciune 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 luminiiParticulele ncrcate produc ionizare i scintilaii iar particulele care nu au sarcin electric sunt detectate indirect prin intermediul particulelor ncrcate 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*

2. CLASIFICAREA DETECTORILOR DE RADIAII NUCLEARE

*

*

3.1. CAMERA DE IONIZARECamera de ionizare este o incint nchis, de form cilindric, n care se gsesc doi electrozi plan paraleli i un gaz aflat n condiii normale. Cei doi electrozi formeaz un condensator plan cu electrozii aflai la distana de 3 6 cm unul de altul. n lungul traiectoriei particulei nucleare ncrcate care strbate gazul camerei se produc ioni pozitivi i electroni.

Numrul perechilor de sarcini care se produc depinde de natura radiaiei care a interacionat cu moleculele gazului i de energia lor cinetic.Curentul de ionizare este amplificat i msurat. El

este proporional cu numrul total de perechi ion - electron creai de particule n unitatea de timp.Dezavantaje: n camera de ionizare curentul obinut este mic, fapt ce duce la necesitatea folosirii unui sistem de nregistrare complicat.

*

3.2. CONTORUL GEIGER - MLLERContorul GeigerMller face parte din categoria detectorilor cu ionizare 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 din urm poate fi un strat conductor depus pe peretele interior al tubului de sticl, iar dac 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 n care electronii sunt accelerai puternic i n deplasarea lor spre anod produc ionizri n avalan.

*

La trecerea unei radiaii prin volumul contorului se produce excitarea i ionizarea moleculelor gazului. n funcie de natura radiaiei incidente, ionizarea se poate face direct, n cazul particulelor cu sarcin electric, sau indirect, prin intermediul electronilor smuli din peretele contorului de radiaiile X i , respectiv al unei particule ncrcate rezultate dintr-o reacie nuclear produs de neutroni. Ionii i electronii formai, dac sunt accelerai n cmp electric, pot produce la rndul lor ionizri secundare. Caracterul descrcrii interioare depinde de tensiunea aplicat pe contor.Sarcinile electrice aprute n urma trecerii unei particule sunt colectate i provoac variaia ntr-un timp scurt a tensiunii aplicate pe contor, deci un puls de tensiune 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 contorului GeigerMller se bazeaz pe existena unui cmp electric de intensitate mare, astfel c descrcarea n avalan se intensific i este nsoit de avalane secundare. Astfel, pulsurile de tensiune care apar au amplitudine mare (1-10 V sau mai mult) i pot fi numrate direct, fr amplificare prealabil.Acest detector permite numai numrarea particulelor nucleare fr a determina alte proprieti ale acestora.

*

3.3. Detector cu scintilaii. FOTOMULTIPLICATORUL Fenomenul pe care se bazeaz funcionarea acestor detectori const n apariia de scintilaii n cristale anorganice sau substane organice. La baza construciei unui scintilator st

fenomenul de fluorescen 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 luminos ntr-un semnal electric. El este construit dintr-un tub de sticl vidat n care se afl: un fotocatod, un ansamblu de dinode, un divizor de tensiune i un anod. *

Fotonii aprui n scintilator (scintilaiile) cad pe fotocatod, care transform fotonii n electroni (numii i fotoelectroni) prin efect fotoelectric. ntre fotomultiplicator i prima dinod, ntre dinode i ntre ultima dinoda i anod se aplic diferene de potenial, cu ajutorul unui divizor de tensiune. Aceste valori cresc, ntre 900 V i 2500 V. Sub aciunea cmpului electric, fotoelectronii sunt accelerai spre prima dinod de unde extrag prin emisie secundar mai muli electroni care 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 ajutorul fotomultiplicatorului, este proporional cu numrul de scintilaii produse de particula ncrcat la trecerea prin cristal, deci cu energia acesteia. Datorit acestui fapt, detectorul cu scintilaie se folosete att la numrarea radiaiilor nucleare ct i la msurarea energiei acestora.

*

3.4. DETECTORII CU SEMICONDUCTORIInteraciunea unei radiaii nucleare cu semiconductorul, genereaz electroni n banda de conducie i goluri n banda de valen care vor fi colectai i transformai n semnal ca urmare a scderii rezistivitaii jonciunii. n funcie de numrul de perechi de sarcin formate (care sunt dependente de energia radiaiei), avem intensiti diferite ale impulsurilor nregistrate. Purttorii de sarcin colectai, prin aplicarea unei diferene de potenial, formeaz un puls a crui amplitudine este proporional cu energia particulelor nucleare nregistrate. Datorit rezoluiei energetice foarte bune, detectorii cu semiconductori nlocuiesc treptat ceilali detectori n cercetrile de fizic nuclear.

*

3.5. CAMERA CU CEACamera cu cea, cunoscut i sub numele de camer Wilson, este utilizat pentru detecia particulelor de radiaie ionizant. n cea mai elementar form, o camer cu cea este un mediu sigilat care conine vapori de ap sau alcool, superrcii, suprasaturai. Cnd o particul alfa sau o particul beta interacioneaz cu vaporii, i ionizeaz. Ionii rezultai se comport ca nuclei 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 o urm, datorit faptului c se produc muli ioni de-a lungul cii particulei ncrcate electric. Aceste urme au forme distincte (de exemplu, urma unei particule alfa este larg i dreapt, iar cea a unui electron este mai ngust i prezint semne de deviere). Cnd se aplic un cmp magnetic vertical, particulele ncrcate pozitiv i negativ vor avea traiectorii curbate n direcii opuse.

*

Traiectoriile particulelor ncrcate apar n camera cu cea sub forma unor urme vizibile la o iluminare lateral i pot fi fotografiate. Traiectoriile particulelor alfa apar n majoritatea cazurilor practic rectilinii (figura alturat). Traiectoriile se caracterizeaz prin grosimea i continuitatea lor, care se datoreaz puternicei ionizri specifice, adic a numrului mare de perechi 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 captul traiectoriei. Foarte rar, unghiul de deviaie este mai mare; mai rar, nc, traiectoria se termin printr-o furc.*

3.6. CAMERA CU BULEO 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 n 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, iar lichidul intr ntr-o faz de supranclzire, metastabil. Particulele ncrcate creeaz o urm de ionizare n jurul creia lichidul se evapor, formnd bule microscopice. Densitatea bulelor n jurul unei urme este proporional cu cantitatea de energie pierdut de particul.*

Bulele cresc n mrime cu ct camera i crete volumul, pn devin destul de mari pentru a fi vzute sau fotografiate. Cteva camere foto sunt montate n jurul ei, furniznd o imagine tridimensional a experimentului. Au fost folosite camere cu bule cu rezoluii pn la civa micrometrii. ntreaga camer este supus unui cmp magnetic constant, ceea ce determin particulele ncrcate s se deplaseze n spiral, cu raza determinat de raportul sarcin-mas. Dat fiind c pentru toate particulele subatomice 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 este plasata ntr-un cmp magnetic omogen i perpendicular pe figur, astfel nct traiectoriile apar curbate ca urmare a forei Lorentz ce acioneaz asupra lor. Traseele care parcurg camera orizontal i sunt puin curbate n sus, aparin unui fascicul de protoni. Traseele spirale (n sus i n jos) aparin unui electron i unui pozitron, produi ca pereche sub influena unei radiaii gamma care nu este vizibila n imagine*

BIBLIOGRAFIEE. Badarau, I. Popescu - "Gaze ionizate", Editura tehnic, 1965M. Oncescu - "Fizica", Ed. didactica i pedagogic, 1975D. Poenaru, N. Vlcov - "Msurarea radiaiilor nucleare cu dispozitive semiconductoare", Ed. Academiei, 1967K.Mihin - "Fizica nuclear experimental", Ed. Tehnica, 1982Internet - wikipedia.org

*