Detectarea radiatiilor X Cursul de Securitate Radiologica la Utilizarea instalatilor cu generatori de radiatii X M. Preda IFIN-HH Octombrie 2003
Producerea radiatiilor X Electron Nucleu tinta R X Radiatie electromagnetica cu originea in exteriorul nucleului Energia : intre ~ 1 kev - 10 MeV
Schema unui generator de RX Catod (-) electroni Anod (+) Filtru Radiatii X Spectrul energetic al fotonilor se poate modifica prin variatia U Nr. de fotoni emisi se poate modifica prin variatia I Filtru - folosit pentru a absorbi RX de energie joasa ( Al, Cu )
Detectarea radiatiilor Radiatiile sunt detectate folosind sisteme care masoara cantitatea sau numarul de evenimente de ionizare sau excitare 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 semnal masurabil pentru un tip de radiatie si energie - volumul sensibil este proiectat functie de caracteristicile campului de radiatii de detectat Eficacitatea raportul dintre numarul de particule/cuante care au dat un semnal inregistrabil la iesirea detectorului si numarul de particule/cuante din campul de radiatie care au intrat in volumul sensibil Eficacitatea - intrinseca sau totala Rezolutia energetica caracteristica a detectoarelor selective ce indica capacitatea de a discerne intre doua maxime apropiate
Caracteristici generale Rezolutia temporala timpul de rezolutie ( τ ) intervalul minim intre inceputul unui semnal electric produs la iesirea detectorului si primul semnal ulterior ce poate fi inregistrat Detectori paralizabili - un nou eveniment aparut intr-un interval < τ prelungeste timpul mort al detectorului cu inca τ - neparalizabili un nou eveniment nu are nici un efect
Eleactronica asociata Electronica asociata poate poate inregistra : - Evenimente individuale (pulsuri); - Media mai multor evenimente (curentul) Contoare - selecteaza pulsurile de o anumita amplitudine si le numara Spectrometre- analizeaza amplitudinea pulsurilor pentru a determina distributia 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 Sursa de tensiune Radiatie incidenta + + + + + - - - - - Anod (+) Electronica asociata Gaz Catod (-)
Detectori cu gaz
Detectori cu gaz Gazul Energia(eV) Heliu 41 Azot 36 Aer 34.4 Neon 36.3 Argon 26 Kripton 24 Xenon 22 Eficacitatea unei camere de ionizare de 10 cm lungime in functie de energie pentru diferite gaze de umplere la presiune normala Energii medii necesare pentru formarea unei perechi electron-ion
Detectori cu gaz Caracteristica de functionare
Detectori cu gaz Regiunea A recombinare a electronilor si ionilor datorita campului electric slab, detectorul colecteaza o fractiune din sarcina produsa Regiunea B ionii formati sunt colectati inainte de recombinare Corespunde functionarii camerei de ionizare Regiunea C multiplicarea in gaz este predominanta; Electronii primari prin ciocniri cu moleculele gazului produc ionizari secundare.detectorii ce functioneaza in aceasta regiune sunt contorii proportionali Regiunea D predomina producerea de avalanse de electroni datorita multiplicarii in gaz. Detectorii ce functioneaza in aceasta regiune :contorii Geiger-Muller Regiunea E gazul este strapuns, nu mai exista comportament de detector
Detectori cu gaz Camerele de ionizare 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 nr mai mare de perechi de ioni dar si probabilitate de recombinare mai mare
Detectori cu gaz Alte tipuri constructive -electrozi planparaleli Utile in campuri puternic neomogene
Detectori cu gaz Contoare proportionale - inchise - fara fereastra La energii joase raspunsul poate fi supraestimat din cauza RX caracteristice a gazului de umplere ( 2.97 kev la Ar, 12.6 kev la Kr, 29.7 kev Xe).Se poate remedia prin alegerea unui gaz cu energia caracteristica mai mare decat energia radiatiei incidente ( daca se cunoaste) La energii mari ale fotonilor contoarele au eficacitate mica, probabilitatea de interactiune a fotonilor cu gazul scade cu energia, sensibilitatea la astfel de radiatii provine din interactiunile cu peretii contorului
Detectori cu gaz Alte tipuri de detectori cu gaz camere multifilare camere cu microstripuri
Detectori cu scintilatori Radiatia X Lumina Tub fotomultiplicator - Electronica asociata Cristal scintilator Fotocatod Fereastra optica Anod
Detectori cu scintilatori Volumul sensibil - cristal scintilator; cel mai frecvent NaI (Tl) Scintilatia : procesul prin care energia transferata de radiatia ionizanta este absorbita si reemisa sub forma de fotoni din domeniul vizibil. Scintilatiile sunt transformate in semnal electric ce este amplificat ulterior in fotomultiplicator 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 10 4-10 8 ori.
Detectori cu scintilatori Scintilatori : NaI(Tl), CsI(Tl), BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ) NaI(Tl) Eficacitate de conversie luminoasa mare Raspuns aproape liniar pe spectru de energii semnificative Pot fi produse cristale de dimensiuni mari si forme diverse Cristalele sunt higroscopice BGO Densitate mare 7.3 g/cm3 --> probabilitate mare de absorbtie fotoelectrica - 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 decat eficacitatea
Avantaje Detectori cu scintilaori Sensibilitatea la energie raspuns liniar cu energia depozitate in scintilator; amplitudinea semnalului final proportionala cu energia Raspunsul rapid - permite obtinerea cu mare precizie a diferentei temporale dintre doua evenimente si are posibilitatea de inregistrare a unor rate de numarare mari. Discriminarea dupa forma pulsului raspunsuri diferite pentru energii si partticule diferite constructia de spectrometre Dezavantaje Cristalele scintilatoare de NaI(Tl) sunt higroscopice Raspunsul este influentat de campurile magnetice Sensibilitate la socuri mecanice si termice
Detectori cu semiconductori Din punctul de vedere al conductiei materialele pot fi : conductoare, semiconductoare sau izolatoare. Materialele cristaline -nivele atomice externe grupate in doua benzi 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 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
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, cu energia mai mare decat a electronilor din legaturile covalente. Un nivel apropiat de BC apare in banda interzisa. Impuritatiel de acest tip se numesc impuritati de tip donor ca si nivelul introdus de acestea. Numarul electronilor ce participa la conductie este mai mare decat in semiconductorul intrinsec semiconductor de tip n Dopant trivalent are un electron de valenta mai putin ceea ce conduce la apritia de legaturi covalente nesaturate adica un exces de goluri. Corespunzator in banda interzisa va aparea un nivel foarte apropiat de BV nivel acceptor ca si dopantul care il genereaza. Numarul golurilor care participa la conductie este mai mare decat cel corespunzator semiconductorului intrinsec- semiconductor de tip p
Detectori cu semiconductori 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 detectie Contactele 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 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 proportional pentru RX