UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

I

N» 3 7

TESE DE MESTRADO PRONUCLEAR

ESTUDO DAS CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS DE SISTEMAS DE ESPECTROMETRIA GAMA.

Marluce Cavalcanti de Melo

RECIFE

JULHO DE 1985

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

C i d a d e

I

ESTUDO DAS CARACTERÍSTICAS OPERACIONAIS DE SISTEMAS DE ESPECTRO METRIA GAMA

MARLUCE CAVALCANTI DE MELO

Tese apresentada ao Departamento de Energia Nuclear da Universidade Fe dera! de Pernambuco como parte dos j requisitos para obtenção do título

de Mestre em Ciências e Tecnologia 'luclear.

Prof. Orientador: HELDIO PEREIRA VILLAR

Dissertação apresentada ao Departamento de Energia Nuclear da Uni-versidade Federal de Pernambuco, fazendo parte da Comissão Examina dora os seguintes professores:

ClemèjTtè^ose G.Carneiro da Silva-Dr. Departamento de Energia Nuclear-UFPE

Helen Jamil Khoury^TJra.

Departamento de Energia Nuclear-UFPE

Carlos Egberto A.A. é Albuquerque-Dr. Departamento de Eletrônica e Sistemas-UFPE

Visto e permitida a impressão Recife, setembro de 1985

CoordenadoYa^do CursoTreWeStrado em Ciências e Tecnologia Nuclear do De-partamento de Energia Nuclear da Uni versidade Federal de Pernambuco.

ÍNDICE

INTRODUÇÃO 1 CAPÍTULO I - A DETECÇÃO DA RADIAÇÃO GAMA.

1.1 - A Detecção da Radiação..? 3 1.2 - A Interação da Radiação com a Matéria 6 1 . 3 - 0 Espectro Gama dos Detectores 7 1.4 - 0 Detector de Nal(Tl) 10 1.5 - 0 Detector de (.HP)Ge 16

CAPÍTULO II - PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL.

2.1 - Fontes 20 2.2 - Equipamento 20 2.3 - Metodologia 21 CAPÍTULO III - RESULTADO

3.1 - Detector a Cristal de Nal(Tl) 23 3.2 - Detector de C.HP)Ge 30 CAPÍTULO IV - COMENTÁRIOS E CONCLUSÜES

4.1 - Sistema a Crista] Cintilador 42 4.2 - Sistema a Semicondutor 45 4.3 - Forma de Pico 48 4.4 - Aplicações. ,Í 50 4.5 - Conclusões 52 APÊNDICES

APÊNDICE A - Obtenção das Propriedades do FotopicOí 54 APÊNDICE B - Programa de Analise de Espectro 57 REFERÊNCIAS 59

AGRADECIMENTOS

Em especial ao professor Heldio Pereira Vi liar pela o r i e n t a ç ã o o b j e t i v a e toda dedicação para o bom andamento dcs_

te trabalho.

A Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) pela bolsa de estudo recebida.

A p r o f e s s o r a Maria oscarina 6odoy pela colaboração prestada.

Ao programa de Mestrado do Departamento de Energia Nuclear da U n i v e r s i d a d e Federal de Pernambuco.

Aos colegas e amigos pelo apoio dado na fase final deste trabalho.

u

A aplicação de sistemas de espectrometria gama esta condido nada ao p e r f e i t o conhecimento de suas características opera -cionais. Dessa forma, um estudo das características mais signi^ f i c a t i v a s ( e s t a b i l i d a d e , linearidade, resolução e e f i c i ê n c i a de pico) foi levado a cabo em um sistema a c r i s t a l de N a l ( T l ) e em outro a detector de (HP)Ge. Fontes gama com energias de 60 a 1300 keV foram empregadas. Métodos numéricos simples foram £ pi içados aos dados, sendo observado o comportamento de cada sis_ tema, com relação as características mencionadas, em várias tensões de aplicação. Ficou evidente a superioridade do s i s t e -ma a (HP)Ge n o s aspectos de e s t a b i l i d a d e , linearidade e reso -lução, com vantagem para o sistema a N a l ( T l ) na e f i c i ê n c i a . Nos dois sistemas os resultados obtidos foram compatíveis com os encontrados na l i t e r a t u r a , concluindo-se que ambos estão fun cionando a contento, e que a metodologia empregada p r e s t a - se para o teste de t a i s equipamentos.

ABSTRACT

The application of gamma spectrometers i s tantamount to the perfect knowledge of t h e i r operational characteristics. Thus a study of ;the roost s i g n i f i c a n t characteristics ( s t a b i l i t y , l i n e a r i t y of response, energy r e s o l u t i o n and peak e f f i c i e n c y ) was carried out with an Nal(Tl) and an (HP)Ge systems.Gamma standards with an energy range of 60 to 130Q KeV were used.

Simple numerical methods were applied to the data, and the Behaviour of each system, with regard to the -aforementioned c h a r a c t e r i s t i c s , was observed for several operation voltages. I t was evident the superiority of the (HP)Ge system i n s t a b i l i t y , l i n e a r i t y and r e s o l u t i o n , whereas the Nal(TI) system showed a greater e f f i c i e n c y .

The results obtained for each system were consistent with the ones found elsewhere, so that i t may be concluded that both are working properly, and that the methodology proposed herein is appropriate for the t e s t of such equipments.

I N T R O D U Ç Ã O

Qualquer ciência S baseada na observação sistemática de fenô-menos. Partindo desse p r i n c i p i o , a ciência nuclear teve seu i n í c i o quando os processos de origem nuclear puderam ser de fa to observados. Dessa forma, um dos itens mais importantes da Ciincia Nuclear é a Instrumentação Nuclear, que diz respeito a todos os equipamentos para es* .*:!-• { s fenômenos nucleares.

A instrumentação abrange basicamente dois tipos de equipamen -t o s : equipamen-tos de produção de par-tículas subnucleares, que vão das mais simples fontes isotõpicas ate os grandes c i c l o -t r o n s , e equipamen-tos para moni-toração, que incluem as câmaras de bolhas, eraulsões nucleares e os variados instrumentos conh£ cidos como detectores de radiação.

A função primordial de ura detector ? indicar a presença de ra-diação. Para que t a l ocorra, os requisitos seguintes devem ser preenchidos:

1 - A radiação é emitida

2 - Ocorre uma interação entre a radiação e o detector

3 - A interação provoca uma alteração possível de ser registry da no material do detector.

Tornarse assim claro que a detecção da radiação baseiase e s -sencialmente na interação desta com o detector. Desde que as formas de interação variam com o tipo de radiação emitida . e sua energia, um detector tern em princípio condições de deter -minar essas duas c a r a c t e r í s t i c a s . Isso, somado ã freqüência das

interações, permite:

- A identificação da fonte de radiação - A avaliação de sua atividade

Tais, como se pode prever, são os objetivos f i n a i s dos detecto res de radiação.

opera 2 opera

-cionais de dois sistemas de espectrometria gama, um a cristal de NaI (TI) e o outro a cristal semicondutor de (HP)Ge. Espe -ra-se que os resultados obtidos mostrem de maneira clara as l v mitações e potencialidades desses sistemas, podendo a partir dai os usuários utilizá-los de forma adequada e assim extrair informações significativas.

CAPÍTULO I

A DETECÇÃO OA RADIAÇXO GAMA

1.1 - A DETECÇÃO DA RADIAÇÃO /2,10,12,16/

A radioatividade natural foi descoberta por Antoine Becquerel em 1896, durante seus estudos sobre fosforescincia com sais de urânio. Ele ficou impressionado quando percebeu que um pedaço de sal de urânio guardado em uma gaveta enegreceu uma chapa f£ togrãfica totalmente coberta.

A história da radioatividade mostra, então, que o primeiro detector de radiação foi o filme fotográfico.Como o efeito pro duzido no filme era similar ao dos raiosX, outras proprieda des destes foram testadas com os raios do urânio. Assim, des -cobriu-se que os raios de urânio descarregavam um eletroscõpio carregado e produziam fluorescincia em certos cristais. Esta ultima propriedade levou à construção do primeiro detector pra tico de radiação; o "spinthariscope". Por muitos anos os dete£ tores baseados em cintilações .«ram os únicos que indicavam as interações de partículas individuais. Uma grande desvantagem ' desses detectores era a forma manual de registrar as cintiIa -ções, além da impossibilidade de se identificar as radiações e suas energias. Muitos textos em instrumentação nuclear não a levam em conta, mas a câmara de Wilson (1911), que se baseia na formação de "trilhas de ionização" foi o primeiro detector car paz de identificar radiações.

As duas propriedades em que se baseiam os dois detectores mencionados, ou seja, a produção de cintilações e de Tons, são ainda hoje a base de funcionamento de todos os detectores de radiação. A ionização. por estar diretamente ligada ao movime£ to de cargas elétricas, teve grande ênfase com o advento dos sistemas eletrônicos de contagem,e na década de 30 os detecto-res Geiger-Müller e proporcionais e as câmaras de ionização ' levaram os cintiladores ao ostracismo. 0 surgimento dos tubos fotomuitipHcadores na década de 40 trouxe de volta os cinti -ladores, visto que agora era possível o registro eletrônico das

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-cintüações.Os retoque? f i n a i s no quadro atual dos detectores tj^ veram seu i n í c i o no f i n a l da década de 40 com o desenvolvimento dos detectores de condução sólidos, que culminaram nos de te et (> res - semicondutores de hoje, os mais avançados em seus campos de aplicação.

Entre as várias características dos sistemas de medidas nudea_ res há quatro que são as mais importantes devido ao fato de iri teressarem mais de perto ao problema de i d e n t i f i c a ç ã o e quanti^ ficação de emissores. Elas são a resolução, a e s t a b i l i d a d e , a e f i c i ê n c i a de contagem e a linearidade da resposta.

0 "Webster's Third International Dictionary" t r a z a seguinte de finição para resolução:

" 0 ato ou capacidade de tornar d i s t i n t a s as partes indivi.;-; duais de um objeto«imagens ópticas adjacentes (como com um t e

-lescópio), comprimentos de onda de luz quase idênticos ( como com um espectrógrafo), partículas com quase a mesma energia^par tículas com quaseca mesma massa (como comum espectrógrafo de ma£ s a ) , ou eventos ocorrendo quase ao mesmo temp o (como comum dete£ tor de radiação)".

No caso dos detectores de radiação, a resolução a p r e s e n t a - s e como:

- A capacidade de d i s t i n g u i r radiações quase simultâneas - r£ solução no tempo.

- A capacidade de distinguir radiações de energia ligeiramente diferente - resolução de energia.

A análise do espectro alfa ou gama de um emissor mostra que a resolução está condicionada a "largura" de cada pico. Em espe£ trometria gama, o fotopico é o resultado do acúmulo de pulsos resultantes de interações nas quais raios gama de uma mesma energia cederam toda sua energia; deveria assim ser formado de pulsos da mesma a l t u r a . Devido a flutuações e s t a t í s t i c a s todo fotopico tem a forma aproximada da curva normal ( 9 , 1 5 ) .

A resolução ê expressa pela largura do pico a mela a l t u r a ou FWHM. Como a FWHM cresce com a energia, normaliza-se a resolu-ção exprimindo-se a FWHM em unidades de energia e dividindo-a pela energia do raio gama:

FHHM x 100*

A estabilidade dos sistemas de espectrometria esta relaciona, da com a estabilidade do sistema eletrônico, somada a e f e i t o s de temperatura do cristal e do tubo fotoraul t i p l i cado j no caso do detector a cristal cintilador ( 2 , 4 , 9 ) . Um sistema de espectro_ metria ê dito estável quando a altura média dos pulsos correjs pondentes a energia cedida ao detector ê constante no tempo. Na pratica isso ê equivalente 5 constância da posição de cada pico.

A eficiência de contagem 5 importante para a determinação da atividade de emissores de radiação. Entre os fatores que inr fluenciam na eficiência de contagem, para amostras delqadas,a geometria e a eficiência intrínseca são os que têm papel pre-ponderante. Ha duas maneiras de se determinar a eficiência de um detector: a partir de cálculos que envolvem a geometria de contagem e as probabilidades de interação da radiação com o material ativo do detector ou então raedindo-se fontes padronj. zadas. Para a espectroinetría gama define-se nos dois casos d£ as e f i c i ê n c i a s : a eficiência t o t a l , que leva em consideração a probabilidade de qualquer interação cora o cristal e a eficiêii cia de pico, que leva em conta apenas as interações onde há absorção total da radiação gama.

Nas medidas com padrões, a eficiência total conduz a resulta-dos imprecisos devido ao fato de muitas Interações produzirem pulsos de amplitude tão baixa que podem ser sobrepostos aos ruídos terraiônicos do tubo fotomultiplicador, no caso dos detectores a NaI (TI), ou ao ruído eletrônico, no caso dos de -tectores a semicondutor.Já a eficiência de pico fornece resuj. tados mais úteis para comparações entre amostras, uma vez que a área de cada pico pode ser determinada com uma precisão ra-zoável. De posse da área S de cada fotopico e da atividade ga_ ma A de cada emissor, a eficiência de pico é dada por:

Eff (%) * —5 x

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-A eficiência de pico varia inversamente com a energia de radia_ ção gama dada a diminuição dos coeficientes de absorção do dete£ tor com a energia.

Quanto ã linearidade da resposta, pode-se dizer que a altura media dos impulsos que compSem cada pico devera ser proporcio -nal ã energia das radiaçSes respectivas, Com isto uma reta de calibraçâo pode ser obtida a partir de energias conhecidas e a determinação da energia correspondente a outros picos pode ser feita de maneira simples e precisa,

1,2 - A TNTERAÇÍO DA RADIAÇÃO GAMA COM A MATERrA /7,9,11,15/ Uma variedade de interaçSes pode ocorrer quando raios gama pene tram na matéria. Freqüentemente S possfvel isolar esses efeitos e considerados separadamente.Como ia faixa de interesse nas ex-periincias de física nuclear i aproximadamente 100 keVrhv'< 30 MeY, tr-Ss efeitos dominara as interaçSes nesta faixa de energia.Esses efeitos são: efeito fotoelétrico, efeito Compton e o processo de produção de pares; todos os outros efeitos combinados contri -buem menos que IX no total do coeficiente de absorção,

No efeito fotoelétrico, toda a energia do raio gama e transfe -rida para um elétron da coroa eletrSnica do átomo, fazendo com que ele seja ejetado, 0 efeito fotoelêtrico ocorre em 80% dos casos com elétrons da camada K. 0 elétron lançado tem espectro de energia bem definido. A energia do foton incidents pode rser determinada pela soma da energia cinStica do fotoe<1etron lança-do Ti cora a energia de ligação lança-do elétron Ni. 0 efeito fotoelS-trico predomina para raios gama com energia atS cerca de 250 fceV: No caso do efeito Compton um elétron livre do material é espa -lhado pelo fSton, que é defietido e tem sua energia original ' subtraTda da parcela cedida> ao elétron. No tratamento do efei-to Compefei-ton a energia do fõefei-ton é considerada como bastante gran-de comparada com energia gran-de ligação Vi; assim, os elétrons mais externos do ãtomo podem ser considerados como elétrons livres.o efeftó Corapton assume importância quando a energia da radiação incidente for maior que 0,5 MeV.

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-incidente excede 1,02 Me¥ e mesmo asstm com pequena probabtlt-dade; A produção de um par pôsitron-elétron I energettcamente1 possível;, porem unicamente na vizinhança de um campo ; elétri-co muito intenso, elétri-como próximo a um nOcleo pesado, 0 par p3st-tron--elétron possui uma energia etnittea igual a (hv -l,02]MeV, onde hv é arenergia do foton, 0 p3sttrón, ao atingir o estado de repouso* interage com um elétron também em repouso. Ambas as partfculas são aniquiladas, sendo emitidos dois fStons de .0,51 MeV em direções opostas. Na produção de pares ocorre absorção to tal do raio gama incidente.

1.3. - 0 ESPECTRO GANA DOS DETECTORES / 9,11,16/

A emissão de radiação7gama consiste de fotons de energtas bem definidas. Assim, seria de se supor que a interação dos fotons1 com um detector resultasse na produção de grupos de pulsos de varias alturas, a cada altura correspondendo cada energia da radiação gama incidente. 0 espectro de uma fonte ou conjunto de fontes radioativas teria a forma-de conjunto de raias discretas, uma para cada energia, e a intensidade de cada raia seria p r o -porcional ao número de fotons de uma dada energia que incidisse no detector (Fig,I.11. Nas na pratica tal não ocorre e o espec-tro real dtfere sob váVios aspectos do tdeal. No especespec-tro Ideal há uma perfeita linearidade entre energia de radiação incidente e altura de pulso e excelente precisão na altura de pulso para cada energia. Nos detectores reais as duas características são seguidas, mas com restrições. A linearidade não 3 perfeita, mas é de qualquer forma muito boa, mas o mesmo não ocorre com a pre cisão da altura de pulso, de forma que se observa um "espalha -mento" era torno de cada linha. Além dessas, mais uma caracterU ttea ê também preponderante nos detectores reais: a energia da radiação nem sempre 3-totalmente depositada no detector, de for_ ma que pulsos de varias alturas são gerados (F1g.1.2)

Um rato gama, ao interagir com a mataria, dependendo de sua e -nergta,poderá sofrer um ou mais dos processos de Interação já c£ tados. Se toda a energta do foton for cedida a elétrons da mat£ ria, dependendo do material detector, poderá haver emissão de luz ou a criação de pares de portadores, No primeiro caso a luz

L I L2 L3 847 1811 2113 Key Ktv Ktv L I L2 L3

Fig.I.I - Espectro ideal

PI P2 P3 847 1811 2213 Ktv Ktv Ktv

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darS origem a um pulso deialtüra proporcional i energia do f5 ton. No segundo cas» o pulso é* formado pelos pares de portado -res coletados. Ocorrências simila-res originário o acOmul o i - de contagens de pulsos dessa altura, formando o chamado fotopico . Se o foton, apôs certo nOraero de espalhamentos Compton abando* c-nar o material detector» o pulso resultante será de altura me r nor que os que formam o fotopico. Os elitrons de Compton pos -suem energias que variam de záro a um valor máximo; as contagens que dal resultam se espalham de maneira mais ou menos uniforme' do início do espectro atl um pouco antes do fotopico quando caem brus_ camehte, definindo o chamado " Compton edge".Essa faixa i chama_ da de "Compton Continuum".Poderio surgir no "Compton Continuum" outros picos menores:

a) - Pico de escape de rtalos-X - A emissão, apôs o efeito foto-elétrico, do raio-X característico do material detector pode ser retardada ou pode escapar sem interagir, nà*o contribuindo para o fotopico.

b) - Pico de "backscattertng" (retroespalhamento) - Formado por alguns raios gama do emissor que não chegam diretamente ao ele-mento detector, mas depois de serem espalhados em blindagens ou suportes.

c) "Twoscape peak", "onescape peak" Para fStons inctden -tes de energia hv superior a 1,02 MeV h3 a probabilidade de for_ nação de um par positron - elétron com energia cinittca ' (hv -1,02} MeV gerando um pulso de intensidade correspondente a essa energia. 0 positron, ao atingir o repouso interage com um elétron também em repouso. 0 positron e o elétron desaparecem e são emitidos dois fStons de 0,51 MeV em sentidos opostos (radia_ ção de aniquilação}. Caso os dois fotons escapem do elemento de_ tector sem interagir, surgtri na repetição desses eventos o pi-co do espectro pi-correspondente i energia ( hy -1,02)MeV, o chama, do "two-scape peak". Se um foton for absorvido e outro escapar, o pico resultante ftcarH correspondendo 3 energia (hv -0,51)Mev formando o "one-scape peak".

d) - Pico devtdo 3 produção de pares na vizinhança do detector* A subsequente aniquilação trará a emissão de dois ralos gama de 0,51 MeV; como saem em sentidos opostos hS a probabilidade de

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-apenas um a chegar ao elemento detector; surgira entSo um pico correspondente a 0,51 MeV, denominado pico de aniquilação. e) Pfco soma formado pela interação simultânea, ou em pe -queno intervalo de tempo, proveniente da absorção total de raios gama. diferentes (emissor com varias energias). 0 pul-so resultante teri altura equivalente i pul-soma dos pulpul-sos corre£ pondéntes às intensidades luminosas, no caso da detector a cris_ tal Nal(Tl), ou a soma de portadores, no caso de um detector de (HP) Se,

A formação do fotopico e dos outros ptcos i uma característica1 do espectro gama. A forma similar 3 curva normal em vez de uma linha reta deve-se 3 flutuação de natureza aleatória nos vários processos que tem lugar na formação do pulso somadas a flutua -ções introduzidas pelo sistema eletrônico associado. A Pig.I. 3 esquematiza a produção dos vários elementos de interesse em um espectro gama.

1.4.- 0 DETECTOR DE NaT ("M ) 1.4.1. - FUNCIONAMENTO

0 funcionamento dos detectores de NaI (TI) ba-seia-se na fotocondutividade característica dos cristais de ha-logenetos de metais alcalinos. Uma vez que ocorra a interação ' de partículas carregadas com o cristal, como, no caso da detec-ção da radiadetec-ção gama, os elétrons emitidos no efeito fotoe1itrj_ co, no espalhamento Compton ou na produção de pares, os fenôme-nos seguintes tSm lugar /l4,15/:

- A passagem da partícula carregada produz excitações e ioniza-ções ao longo da trajetória.

- Na ionização, um elétron da banda de Valencia da estrutura e-letrSnica do cristal adquire a energia suficiente para atingir' a banda de condução ( Pig.1.4), podendo caminhar livremente pe-lo retícuio cristalino. Na banda de Valencia surge um buraco, ' também livre para caminhar pelo cristal.

- Na excitação, um elétron adquire energia suficiente apenas pa_ ra atingir um dos níveis permitidos de excitação,deixando na banda de vaiSncta um buraco. Tal estrutura, denominada "exciton"

FORMAÇÃO DO ESPECTRO GAMA

-A

Tt

o CL U l z Ul FAIXA DE CONDUÇÃO •^ELECTRONS

V ~

Fia.1.4- Faixas de energias de ura c r i s t a l c i n t i l a d o r com ativador

NV

F1g.I.5 - Si-stema de espectror.ietria gama a c r i s t a l d n t i l j t dor ~*

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-pode também caminhar pelo cristal.

- A captura de am elétron e um buraco (em qualquer ordem] ou do "exciton" levando 2 liberação da energia sob forma de fõtons de luz caracteriza o cristal como "cintilador". Nos cristais "pu -ros" de haiogenetos de alcalinos, a probabilidade de emissão de luz, à temperatura ambiente, é baixa e usualmente se faz na re-gião ultravioleta, dada a grande largura da faixa proibida (... ~ 6 e V ) . A introdução de "ativadores" (como o TI no NaI) leva ao aparecimento de níveis permitidos dentro da faixa proibida . A captura de elétrons e buracos ou de "excitons" nos ativadores conduz a uma maior probabilidade de emissão de luz na faixa do visível, dada a menor largura da faixa proibida ( ~ 3 e V ) .

1.4.2, - SISTEMAS DE ESPECTROMETRIA GAMA A CRISTAL CINTILADOR 0 sistema de espectrometria de gama ê composto' dos seguintes elementos (Fig.1.5).

(C) Cristal - onde ocorre a interação com a conseqüente emissão de luz.

(AO) Acoplamento óptico - dirige a luz produzida para o fotocâ-todo do tubo fotomultiplicador,

(P) Tubo fotomultiplicador - onde a luz § convertida no fotocã-todo em fotoelétrons que são multiplicados pela aplicação de um campo elétrico fornecido pela fonte de tensão (HV), de maneira' a obter na sua saída um pulso de tensão possível de ser anali-sado.

(PA) Pré - amplificador - onde ocorre a amplificação preliminar do pulso proveniente do tubo fotomultiplicador; funciona como elemento de casamento de impedSncía entre detector e amplifi-cador.

(A) Araplificador linear - amplifica o pulso fornecido pelo prS-amplificador, dando-lhe uma conformação compatível com o siste-ma de análise empregado.

(AN] Sistema de analise - fornece informações, de acordo com os pulsos recebidos, sobre a fonte radioativa. Os sistemas de ana-lise podem ser simples ou sofisticados como um analisador muiti canal computadorizado.

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-1,4.3, - CARACTERtSTtCAS

O cristal de NaT ( T U foi desenvolvido 63 mats de 35 anos, mas afnda ê o mats empregado em sistemas para espe£ trometria gama, Apesar das limitações inerentes a qualquer cri£ tal cinttlador, alem de outras que lhe são próprias, o Nal(Tl) possuf certas vantagens que justificai» seu amplo emprego.

0 principal aspecto positivo dos cristais da NaI(Tl] 5 seu baixo custo. As técnicas de produçio atuais permitem que se obte -nha cristais de grande tamanho a uma fração do custo de um cri£ tal de germSnio muitas vezes menor. Para aplicações em espec -trometria gama, outras vantagens fundamentais são-a rei ativamente alta densidade (-3,5) com a presença de um material de nOmero1 atSmico razoavelmente alto (o iodo, com Z- 5 3 ) , e a transparen cia i luz emitida, o que permite o uso de cristais grandes,melh£

rando a eficiência de contagem.

A linearidade da resposta dos detectores de Nal(Tl) £ boa o su-ficiente para aplicações práticas convencionais. Desvios da li: nearidade foram observados para bafxas energias (- 80-100 keV), sendo mais notSrios em cristais grandes /15/, 0 tempo de resolui ção dos sistemas de espectrometria gama 2 menor que o de mui tos sistemas de detecção ( - 10 s ) , de forma que seu emprego na medida de fontes de certa atividade e recomendado.

A mais importante deficiência dos sistemas a cristal de Nal(TI) ê sua pobre resolução em energia. Mesmo sob as melhores condi -çoes possíveis, a resolução nunca e melhor que, por exemplo, 6-7* para 662 tieV 78,9/, Q principal fator na mã resolução do detector a Nal(Tl) 3 o baixo número de portadores efetivamente' analisados resultantes de cada interação. No caso de um raio gama que cede toda a sua energia E keV a um cristal, apenas 13% da energia depositada será convertida em luz. Os fõtons emiti -dos têm uma energia mídia de 3eV, de forma que sio emiti-dos 40E fõtons.

Perdas causadas por absorção ou reflexão de f3tons no cristal e na interface crfstal/tubo fotomuitiplícador podem atingir 4056 , de forma que 24 E fõtons chegam ao fotocãtodo. A eficiência de conversão dos melhores fotocltodos é de cerca de 30Í, o que faz com que 7E fotoeiStrons sejam produzidos. Esse ê o número de pqo

R E 6 I Í 0 DE DEPLEÇÍO BURACOS 9 RADIAÇÃO ELECTRONS in1 I+V HO SINAL

Fig. 1.6 - Oiagrana de urn detector a diodo semicondutor

PA Fig. * 1.7 VASO DEWAR COM Mt LÍQUIDO - Sistema de espectronetria • gana a (HP) Ge

tadores efetivamente analisados, posto que, a partir daT, ape* nas processos multiplicativos terão lugar. Torna-se importante, então, conhecer a dispersão na repetição de tais eventos. A va-riancia no numero de portadores é usualmente dada por

s2 = Jo F

onde Jo é o numero de portadores, no caso 7E,e F e o "Fano factor", que corresponde a relação entre a variãncia realmente* observada e a que serfa resultante da aplicação, ao processo,da estatística de Poisson (no caso.Jo}/ 5/, No caso dos detectores cinttladores.F -1 /9/. Com isso, a resolução intrínseca do dete£ tor será

R = 100 F B B M = 1QQ x 2,35 x J T F x 90 Jo 7E |/T

Para 662 Kev, tem-se R= 3,5%. Flutuações introduzidas pelo pro-cesso de multiplicação /3/ e pelo sistema eletrônico levam a resolução ao seu valor final. Outras desvantagens incluem uma certa sensibilidade a variações de temperatura, que influem no ganho do tubo fotomuitiplicador e na eficiência do fotocãtodo, /2,4/ a alta higroscopicidade do cristal, exigindo o encapsuia* mento, e a existência de uma radiação de "background" intrTnseca razoável dada a presença, difícil de ser evitada, de potãs -sio

1 . 5 - 0 DETECTOR DE

1.5.1. - FUNCIONAMENTO

0 detector de lti?\&e est3 classificado entre os detectores semicondutores de junção e, como tal, baseia-se na criação da "região de depleção" na junção n-p. Ao se aplicar ã junção uma tensão de polarização inversa, tal região se amplia. Tem-se assim uma faixa livre de qualquer portador de corrente e suficientemente extensa para ter utilidade na detecção de ndiã çâo« 0 funcionamento do detector torna-se assim análogo ao de uma câmara de ionização a g2s (Fig.t.6):

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-retamente, se partícula carregada, eu indi-retamente, como os e-lêtrons produzidos na interação da radiação gamai.

- Desde que a radiação possua energta superior a uns poucos ev (como é sempre o caso), pares elêtrons^buracos sa*o criados no semicondutor,

- 0 campo elétrico aplicado impede a recomiinação e proporciona a coleta de elétrons e buracos, que possuem grande mobilidadeno material, com a formação de um pulso de altura proporcional ao número de pares formados.

Observa-se que o ponto básico para o funcionamento do um detec-tor a semicondudetec-tor ê a existência de uma região de depleção li-vre de quaisquer portadores, No caso do Ge, isso significa operação a baixa temperatura, pois 3 temperatura ambiente os ele -trons de Valencia do Ge adquirem energia suficiente para atin-gir a banda de condução (~ °»7 ev}. Além disso, deve-se ter no material um grau de pureza bastante elevado, de forma que sua resistividade seja alta o suficiente para que, a uma tensão que permita a formação de uma região de depleção razoável, a correr^ te produzida seja muito inferior a resultante da interação da radiação. Um menor numero de impurezas conduz também a uma me -nor concentração de "armadilhas" (Straps." l,que tendem a reter e-lêtrons e buracos, reduzindo assim a carga total coletada. Nos primeiros detectores de Ge as condições ideais para o fun -cionamento eram conseguidas através de um processo denominado "lithium drifting", em que Iftio era, através de um processo f£ sfco-quTraico complexo, tornado parte da estrutura cristalina do Ge, criando uma região quase que exatamente "compensada".Meto -dos de depuração." modernos conduziram aogerroânio. h1per-puro,ou (HP) Ge, onde a região de depleção pode atingir uma espessura compa_ rãvel 3 do cristal tratado com Ittío, ou Ge (Li) ( ., 10-15mm). A grande vantagem de (HP)Ge sob-re o Ge(Li) e que o primeiro sõ precisa ser resfriado no momento de apitcaçio da tensão de ope-ração, ao passo que o Ge(Li) deve ser mantido continuamente a baixa temperatura (- 80KJ para que seja mantida a estabilidade1 da compensação,

18

-O sistema de espectroraetria gama ê composto dos seguintes elementos

C - Cristal detector de gerraínio hiper-puro HV- Pente de alta tensão

D - Vaso "Devar" com N» liquido, para manutenção da baixa tempe_ ratura (77KJ

PA- Prê-amplificador A - Amplificador

AN- Dispositivo de saTda

1.5.3.T CARACTERTSTrCAS

Desde sua introdução, no inicio dos anos 60, os de_ tectores dt& Ge: vem ocupando um espaço cada vez mats significativo* entre os detectores para radiação gama, Isso se deve ã sua ca -racterística mais marcante: soa excelente resolução.

A notável resolução dos detectores de germãnio se deve quase que exclusivamente a um fator: ao elevado número de pares produzidos a cada íirrte ração* Como o "Fano factor" para o Ge ê 0,179/,tem-se, seguindo o mesmo raciocínio usado para o NaI(T1],

2,35 xvfr,! Jo x 10Q . U

Jo vJo onde Jo e dado por

JO

.

IMS

2,96

desde que 2,96 eV I a energia media necessária para a criação ' de um par ne germSnio. Da?,

D 74 4

-R = %

Para 662 KeV, tem-se R» 0,16%, um valor que sofre apenas o acrSscimo do ruTdo eletrônico, atingindo usualmente valores In-feriores a 0,25%.

Outras vantagens dos detectores de germínio são o baixo tempo' de resolução ( ~ 10 s) e a <

numa larga fatxa de energias.

19

-Seus aspectos negativos sSo o elevado preço, a necessidade de refrigeração, a deterioração com o uso e, mesmo podendo atin -gir volumes ativos superiores a 200 cm na configuração coaxi-a l , sucoaxi-a bcoaxi-aixcoaxi-a eficiêncicoaxi-a, compcoaxi-arcoaxi-ado coaxi-a c r i s t coaxi-a i s dé Ncoaxi-at(TI) de mesmas dimensões.

CAPITULO II

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL t.l - FONTES

As fontes empregadas na elaboração do presente trabalho eram fa bricadas pela New England Nuclear e tinham as características ' apresentadas na tabela II.1:

EMISSOR 241Am 1 0 9C d1 0 9% 57Co 1 3 7Cs1 3 7 mBa 54Mn TABELA I I . 1 . ENERGIA OE INTERESSE 59.54 88,03 122.08 661,66 834.84

sY) -. ATIVIDAOE GAMAfs"1]

7,38 x IO4 3,57 x IO2 79,0 2,75 x IO4 2,06 x IO2 22Na 1274,54 6,85 x IO3 *Em 24.08.84 2.2 - EQUIPAMENTO

2.2.1- SISTEMA A CRISTAL CINTILADOR

Esta sistema possuía os seguintes componentes: 1- Detector a cristal cinttlador NaI (TI) de 1 1/2" x 1"

(3,76 x 2,54cm), com tubo fotomultiplicador e pré-amplifíca_ dor acoplado, de marca CANBERRA.

2- Um amplificador linear CANBERRA

3- Um analisador multicanal com 4096 canais de marca CANBERRA série 40.

21

-2*2:2. SISTEMA A SEMICONDUTOR

Este sistema possuta os seguintes componentes: 1- Detector a semicondutor de (HP} 6e (volume ativo:49cm } com

pre-amplífícador acoplado da marca ORTEC. 2- Um amplifícador linear CANBERRA

3- Um analisador multicanal com 1024 canais de marca NORLAND mo_ delo IT 5300

4- Um terminal impressor DIGITAL LA-34. 2.3 - METODOLOGIA

Neste trabalho foram estudadas as principais características fun_ cionais de sistemas de espectrometria gama: estabilidade,Hnea -ridade da resposta, resolução em energia e eficiência de con_ tagem. Cada um dos procedimentos descritos a seguir foi executa_ do para os dois sistemas em estudo.

2.3.1 - ESTABILIDADE

0 sistema era ligado com uma fonte de Cs já na... posição ideal e sendo mantida a mesma geometria. Eram feitas v£ rias medidas a ti? que o sistema atingisse a estabilidade. Os re-sultados eram levados a ura gráfico (canal de pico x tempo).

Este procedimento foi seguido para varias tensões. 2.3.2 - LINEARIDADE

Uma vez atingida a estabilidade, o número do ca -nai de pico era obtido para cada uma das fontes. Através de um procedimento numérico era obtida a determinação precisa do ca -nal de pico (Ver Apêndice A ) . Isso foi feito para várias ten^ soes e os grSftcos energia x canal para cada tensão foram tra -çados. Por meio de um programa de regressão linear simples era feito o ajustamento dos dados, 0 coeficiente de regressão forn£ cia o fator de calibração do sistema em k-eV/canal e o coeficieji te de correlação permitia a aferição da linearidade da resposta.

2.3.3 - RESOLUÇÃO EM ENERGIA

A resolução em energia, definida como: - • F W H M x 100%

22

-onde;

FWHM = íargura do pico na metade da altura E - energia do rafo gama,

foi determinada a partir da retificação da curva normal corres_ pondente a cada pico (ver Aplndice A ) . As curvas resolução x energia para cada tensão eram assim obtidas,

2.3.4 - EFICIÊNCIA DE CONTAGEM NO PICO

A area de cada pico era obtida a partir da areada curva normal correspondente (ver Apêndice A } . Como as ativida des de cada amostra eram conhecidas (Tabela II1), as eficien -cias correspondentes a cada energia foram calculadas através de:

S = area do pico (contagem] Ay= atividade gama (s~ ) t = tempo de contagem (s)

2.3.5 - RELAÇÃO PICO-COMPTON

Foi obtida a relação Pico-Compton como o quociente entre as contagens do canal de pico e as contagens do canal cor-respondente ao "Compton edge".

NOTA DO ORIENTADOR

O leitor dotado de um senso de observação mais apurado ira certamente estranhar o emprego de um analisador multicanal de 4096 canais com um detector de baixa resolução, bem co-mo o uso de um analisador de 1024 canais com o detector de melhor resolução já construído. Antes que o leitor comece a levantar suspeitas sobre a competência do orientador,ele deve ser esclarecido sobre um asnecto importante: o detec-tor de (HP)Ge pertencia a um grupo e o analisador de 4096 canais a outro. Quando o orientador solicitou o acoplamen-to dos dois, foi-lhe informado pelos "donos" do analisador que, se ele fosse levado para a sala do detector, de lã ja mais retornaria, vindo fatalmente a ser danificado pelos "donos" do detector; jã os "donos" do detector jamais per mitiriam o empréstimo do precioso equipamento aos "donos" do analisador, e pelos mesmos motivos. Apanhados no meio de tal guerra fria, orientador e aluna tiveram de se suje^ tar â lei do "direito de propriedade", e realizar o traba-lho com o equipamento disponível. Isso de forma alguma in-valida o trabalho, mas sem dúvida serve para mostrar um dos obstáculos que o pesquisador sério deve enfrentar em certas instituições científicas do País.

CAftTULO III

RESULTADOS

3.1 - DETECTOR A CRISTAL DE NaI (T1\ 3.1.1 - ESTABILIDADE

Os resultados para cada tensão estão na figura III.1. Foi fefta uma normalização já que o canal inicial não i o mesmo para as várias tensSes.

3.1.2 - LINEARIDADE DA RESPOSTA

A f i g u r a I I I . 2 mostra a r e t a de c a l i b r a ç ã o e n e r -gia X canal para cada tensão a p l i c a d a , A t a b e l a I I I . 1 apreser^ ta a i n c l i n a ç ã o e o c o e f i c i e n t e de c o r r e l a ç ã o da r e t a para c a da tensão a p l i c a d a . N a f i g u r a I I I . 3 podese ver como a i n c l i n a -ção da r e t a de c a l i b r a ç ã o v a r i a com a tensão a p l i c a d a .

TABELA I I I . 1

ESTUDO DA LINEARIDADE DA RESPOSTA

TENSÃO (V] INCLINAÇÃO CkeV/canai) COEFICIENTE DE CORRELAÇÃO

600 63 0.9996 700 21 0.9999 800 9,6 0.9999 900 4,8 0.9999 1000 2,5 0.9999 3 . 1 , 3 - RESOLUÇÃO

A tabela III.2 mostra a resolução para varias ter^ soes,A figura 111,4 apresenta a variação da resolução com a ener_ gia.

24 -c OI .ri E O O, w fr-i o O O u o o o u d. o O • CO t» •H CA O O. CS O ICO CS • H ca Í M 0 0 o (Vi o M fa OY5VIMVA

1900 1000 SOO 100 200 900 400 F I G U R A I I I . 2 - R e t a s d e c a l i b r a ç ã o p a r a v á r i a s t e n s õ e s - D e t e c t o r a c r i s t a l d e N a l ( T l )

soo

10 -V a r i a ç ã o da i n c l i n a ç ã o da r e t a de c a l l b r a ç i o com a tensão a p l i cada 1000 Ttn«flo(V.) *P

4 0 20 10 Tfik «00 V. - • roo v. - a too v. -O 000 V. -« IOO0 V. O 230 900 790 F i g . I I I . 4 - V a r i a ç ã o da r e s o l u ç ã o com a e n e r g ia - D e t e c t o r de N a l ( T l ) 1000 U90

28

-TABELA I I I . 2

RESOLUÇÃO;EN ENERGIA - DETECTOR Na I CT1}

E CkeVl 59t54 88,03 122,Q6 661,66 834,84 1.274,54 6QQ FttM ND ND ND 144 171 204 ¥ R ND ND ND 22 20 16 700 FWHM ND ND ND 84 96 112 V R ND ND ND 13 11 8,8 800 FHHH ND 35 38 56 63 72 V R ND 40 31 8, 7, 5, ,5 ,5 6 900 FWHM ' 20 21 23 48 54 68 V R 33 24 19 7, 6, 5, 3 5 3 1000 FWHM 18 18 2Q 46 53 68 y R 30 20 16 6 6 5 ,9 ,3 ,3

OBS: a) FWHM em keV, R era X b) ND: não determinado 3.1.4 - EFICIÊNCIA

A figura II1.5 mostra a variação da eficiência de pico éom a energia, segundo os resultados mostrados na tabela I I I . 3 . Os valores foram calculados para 1000V. Discrepancias entreieficiencias calculadas para várias tensões não foram s i g n i f i -cativas.

TABELA I I I . 3

EFICIÊNCIA DE CONTAGEM NO PICO - DETECTOR NaI ( T I )

E (fceV) Eff 59,54 88,03 122,06 661,66 834,84 1.274,54 21 37 35 3,4 2,7

u c u 20 10

I

da p^lciêncifl com a snerfria D e t e c t o r a c r i s t a l de M«TÍ TI 1

30

-3.1.5 - RELAÇÃO PICQ-COHPTON

A figura I I I . 6 apresenta a~variação da relação pico-Compton com a tensão aplicada?

3.1.6 - FORMA DO PICO

A figura II1.7 mostra a composição do fotopico' para 662 KeV cora a tensão de 10Q0V.

3.2 - DETECTOR DE CHPJ Ge.

3.2.1 - ESTABILIDADE

A f i g u r a I I I . 8 mostra os resultados para cada ' tensão.

3.2.2 - LINEARIDADE

A figura III.9 mostra a reta de calibração pa -ra a tensão de 4500V. As retas pa-ra as out-ras tensões não fo-ram mostradas para evitar a superposição» posto que as inclinações eram virtualmente as mesmas.

3.2.3 - RESOLUÇÃO

A tabela III.4 apresenta a resolução determinada para várias tensões. A figura III. 10 mostra a variação da resolução com a energia e a tensão aplicada. Apenas as curvas cor -respondentes a 500V e 45QOV foram mostradas, pois acima de 15Q0V elas praticamente se superpõem.

TABELA II1.4

RESOLUÇÃO EM ENERGIA - DETECTOR ( H P ) G e .

500 V 1 5 0 0 y 2500 V 3500 V 45QQ V E (kjeVl FWHM R FWHM R FiMM R FWHM R FWHM R 59,54 2,2 3,7 1,0 1,7 0,81 1,4 0,78 1,3 0,79 1,3 88,03 2,0 2,3 1,0 1,1 0,80 0,91 0,82 0,93 0,82 0,93 122,06 2,0 1,6 1,0 0,82 0,84 0,69 0,83 0,68 0,82 Q,67 661,66 4,1 0,62 1,7 0,26 1,6 0,24 1,5 0,23 1,5 0,23 834,84 4,4 0,53 1,9 0,23 1,7 0,20 1,7 0,20 1,7 0,20 1.274,54 4,6 0,36 2,4 0,19 2,2 0,17 2,1 0,16 2,1 0,16 OBS: FWHM em k e V , R em *

P/c 31

-4,0

2,0

5W 500 TQÕ 8ÕÕ 9ÕÕ

Fig.III.6 - Relação pico/Compton para o detector a crista de Nal(Tl)

: 3 2 -u 10' FOTOPICO 10' GAUSSIANA 2 -10 100 120 140 160 180 200 CANAL FIG) I I I ! . 7 - C o m p o s i ç ã o do f o t o p i c o

oc > 0.2 0.1 800 V. -m i.soo v. -« 4.800V. 100 t («In) F I G U R A I I I . 8 - F l u t u a ç ã o da p o s i ç ã o do p i c o de 6 6 2 Key c o m o t e m p o - D e t e c t o r ( H P ) G e u> I

34

-E(KeV), ,

1000

750

500

1 para todas as tensões

250.-500 _{1000 1500}

cunal do Pio

Fig. I I I . 9 - Reta de calibraçao energia x canal detector de (HP) Ge. -4500 v

35

-- » SOO V. • 4 5 0 0 V.

•O

> O 250 500 750 1000 1250 1900 (Ui<)

36

-900 1900 Z900 3900 4900

T«n«óo ( V:

FIGURA III.11 - Variação da eficiência de contagem com a tensão aplicada.

37 -W 20 10 L. 10 20 I 50 10' 200 500 10" 2000 Qiergia(KeV) P i g . I I I . 1 2 Variação da e f i c i ê n c i a de pico com a energia - Detector (HP) Ge.

38 -± ± 500 1500 F i e . T T I . J 3 - W f l H a c f l O 7. k e v 7500 4500 TensaofV)

rfilflçâo pi co/Tor-nton com a tensão PptRctor (Ho] r9

5000-2000 fotopico 10" 500 <3U>0 10 50 20 pausslana 630 1632 1638 1643 1649 _Canal

Fig. I I I . 14 Gcmposição do fotopioo de 662KeV para 4500V -- Detector (HP) Ge.

40 -a» C 4J O O 2000 10' 580 200 • P o t o n l c o •50 10 798 « 9 0 . T I T . 1 5

flO4 8 0 6 flOfl fllO P I ? B 1 « fl1*5 8 1 5 8 2 0 C a n a l - - C o m o o s i c ã o rio f o t o p i c o o « r a 6FB7K.éi/ - D e t e c t o r Í H P ) G e

41

-3.2.4 - EFICIÊNCIA

Os resultados para a e f i c i ê n c i a de pico estão i n -dicados na tabela I I I . 5 . A figura I I I . 1 1 mostra a variação da e f i c i ê n c i a coro a tensão,e a figura I I I . 1 2 a variação da eficiêin c i a , a 4.5QQ V, com a energia.

TABELA 111,5

EFICIÊNCIA DE CONTAGEM NO PICO ( í ) DETECTOR E((çeV) 5QQV 15QQV 25QQV 350QV 45OQV 59,54 88,03 122,06 661,66 4 13 12 1 ,9 ,2 4,7 13 16 2,0 4 13 16 2 ,8 ,2 4 13 16 2 ,9 ,2 4 13 16 2 ,8 ,3 834,84 0,75 1,7 1,8 1,9 1,9 1.274,54 0,34 0,79 0,87 0,91 0,91 3.2.5 - RELAÇÃO PICO-COMPTON

A figura I I I . 1 3 apresenta a variação da relação ' Pico-Corapton com a tensão.

3.2.6 - FORMA DO PICO

As figuras I I I . 1 4 e I I I . 1 5 apresentara a coraposi -ção do fotopico para 662 keV para 500V e 4500V.

CAPÍTULO IV

COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES

4.1. - SISTEMA A CRISTAL CINTILADOR

Os resultados obtidos para o sistema a Nal(Tl) estão perfeita -mente compatíveis com o que se obtêm na literatura. 0 fenômeno* da flutuação do ganho e conhecido ha vários anos, sendo atribuí do a efeitos térmicos e de carga espacial produzidos pela cor- . rente de elétrons no tubo fotomultiplicador /4,9/. Tais efeitos seriam logicamente mais notados a tensões mais altas, de forma

que maiores flutuações seriam ai observadas. Isso esta confirnu do n* figura III.1. A influência do fenômeno em espectrometria ê óbvia, especialmente quando se emprega sistemas monocanais de análise. Métodos baseados em fontes de luz /9/ ou em fontes ga-ma padrões /17/ podem ser utilizados. A segunda alternativa já foi empregada com sucesso em análise por ativação / 6 / .

Como esperado, a linearidade da resposta dentro da faixa de ener-gia do trabalho ("60-1300 keV) foi muito boa (figura III.2). Ficou evidente a influência de variações, mesmo pequenas,da ten_ são aplicada na declividade da reta de calibração (figura Eli.3), fato jã reconhecido anteriomente /19/.

A resolução em energia na tensão de operação (1000V) foi compatível com a de sistemas semelhantes / 8 / . A variação da resolu -ção com a tensão é bastante acentuada a baixas tensões e ten-de a um valor constante para tensões mais altas (fig.III.4).Fi-ca claro que tensões superiores a 1000V em pouco melhorariam a resolução (fig.IV.l), vindo a acrescentar efeitos negativos a^ sociados ã carga espacial no tubo fotomultiplicador e mesmo des^ cargas entre dinodos. A figura IV.2 mostra as diversas formas do fotopico de 662 keV nas varias tensões empregadas, com resulta-dos similares aos encontraresulta-dos na literatura /l/.

Quanto i eficiência absoluta de contagem de pico, a comparação cora a literatura tornou-se difícil, dadas as diferenças em geo-metria. A eficiência relativa, por outro lado, pode ser comparai da, e é representada pela forma da curva obtida (fig.III.5). Tal

•30

44 -> > > > > o o o o o o o o o o o <£> r-- oo m r-i 1 O ( > i > O " ô + " o ICO c <D •-> CO e o o o o •H a. o O •o ca e nS O leu C8 > »' CM C» waovxNOD

45

-curva mostra o decréscimo da e f i c i ê n c i a de pico coin a energia . A curva aponta um máximo em -. lQQkeV. Para energias menores, a eficiência deyeria crescer, mas a afisorção da radiação na b l i n -dagem do detector reduz a eficiência de contagem. Não foram ob-servadas diferenças s i g n i f i c a t i v a s na e f i c i ê n c i a de contagem p^ ra as varias tensões aplicadas, v i s t o que a e f i c i ê n c i a está l i -gada exclusivamente a geometria, que era a mesma era cada caso,i energia da radiação e ao tamanho do c r i s t a l .

A relação pico-Compton não e um parâmetro de grande importância para sistemas a N a I ( J l ) . Sua variação com a tensão r e f l e t e o es^ treitamento do pico cora o aumento da tensão ( f i g . I I I . 6 ) . Como a área do pico se mantém para um mesmo tempo de contagem, o pico se torna mais alto a medida que sua largura diminui.

4 . 2 . - SISTEMA A SEMICONDUTOR

A influência da tensão aplicada I muito mais s i g n i f i c a t i v a no caso do detector de (^HP)Ge» Por se t r a t a r de um detector a dio-do semicondutor, o volume dio-do detector aumenta com a tensão. Além disso, o aumento do campo e l é t r i c o reduz a probabilidade de "trapping" e recombinação, melhorando consideravelmente a reso-lução em energia.

Não foram encontrados na l i t e r a t u r a dados referentes ã estabilj[ dade dos detectores a semicondutor. Os resultados aqui obtidos' ( f i g , I I I . 8 ) apontam para um desempenho excelente nesse aspecto: a estabilidade é alcançada em um tempo muito curto em todas as tensões estudadas.

Poder-se-ia esperar flutuações maiores para tensões mais eleva-das, mas ocorre que a elevação da tensão deve ser lenta; o tem-po que decorre é então longo o suficiente para que a estabiliza-ção seja alcançada, de forma que virtualmente nenhuma flutuaestabiliza-ção f o i aí obtida.

A resolução para várias energias C^*9- I I I -10 J está em perfeito', acordo coro os dados da l i t e r a t u r a para c r i t a i s de mesmas dimen-sões /9/» A variação da resolução com a tensão aplicada mostra a influência do fenômeno de "trapping" nas taixas tensões. Para os detectores a semicondutor, sua excelente resolução i n t r í n .

-1.0 0 . 5 129 Ktv 6 6 8 K«V - • 1S79 K«V \ 500 1500 2 500 3 500 F . e . n . 3 . v . r . i ç l o da r e s o l u ç ã o eon a t e n s ã o a p l i c a d a - D e t e c t o r (HP)Ge 4 500 T«mSo ( V)

-o

1 $

i

^

'

A

/ ' #

/ $

#

% \

1

\\V\

48

-seca faz com que a p a r t i r de determinada tensão a FWHM seja qu£ se que exclusivamente dominada pela resolução do sistema eletrçi n i c o . Dessa forma, a r e s a l u ç ã o - l i r o i t e do sistema de espectrome-t r i a é* alcançada a espectrome-tensões baixas comparadas com a espectrome-tensão de o-peração Cfig.IV.3). A figura IV.4 mostra a variação da forma do fotopico de 662 keV para as v á r i a s tensões estudadas.

A linearidade da r e s p o s t a , como esperado, foi e x c e l e n t e , ( f i g . I I I . 9 ) . 0 c o e f i c i e n t e de correlação obtido foi d e s c r i t o como "tendendo a i " , s i g n i f i c a n d o que (.r-1} < 10 .

A forma da curva da e f i c i ê n c i a de contagem. (_fig.III. 12) é seme-lhante ã encontrada na l i t e r a t u r a para d e t e c t o r e s s i r a i l a r e s / 9 / . A variação da e f i c i ê n c i a com a tensão aplicada mostra

claramen-t e o aumenclaramen-to da região de d e p l e c a o C f i g . H I . i l ) ; fica e v i d e n claramen-t e1

que para 500V o volume a t i v o j á ê s u f i c i e n t e para obtenção da e f i c i ê n c i a maxima para 60 e 88 key-, o mesmo ocorre a 15Q0V para 122 keV. Volumes a t i v o s bem maiores são necessários para que o mesmo ocorra para energias elevadas.

A variação da relação pico-Compton para 662kéV cora o aumento da tensão ( f i g . I I I . 1 3 } mostra a combinação dos e f e i t o s da melhor re solução e do maior volume a t i v o .

4.3 - FORMA DO PICO

O programa empregado na a n a l i s e do pico gama gera uma guassiana a p a r t i r dos dados, s u b t r a i n d o a a s e g u i r do pico o b t i d o . O r e -sultado e uma função complexa usualmente denominada " t a i l " . Ho caso do pico de 662 keV obtido com o NaICT1) a função " t a i l " se desvanece, dada a l a r g u r a do pico C f i 9 . H I . 7 )

No caso do d e t e c t o r de ÇH?)Get a função " t a i l " é s i g n i f i c a t i v a

(.fig. I I I . 1 4 ] , principalmente a baixas t e n s õ e s , quando se eviden_ cia o e f e i t o de " t r a p p i n g " OHg.111.15).

A comparação do desempenho de ambos os sistemas pode s e r f e i t a por meio da f i g . I V . 5 , que mostra a resposta ao fotopico de 662keV

para sistemas de e s p e c t r o m e t r i a a CH P)G e e Nal(Tl) de roesma efi.

c i ê n c i a de contagem. As areas de cada fotopico são i d ê n t i c a s , m a s a s u p e r i o r resolução do sistema a c r i s t a l semicondutor faz com' que o fotopico se s o b r e s s a i a muito mais. Essa c a r a c t e r í s t i c a 5 fundamental na aplicação de d e t e c t o r e s a (HP)Ge em amostras com plexas o j na determinação da r a d i o a t i v i d a d e ambiental / 1 8 / .

A

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-4 . -4 . - APLICAÇÕES

O presente trabalho, a par de sua simplicidade aparente, apre-senta alguns aspectos verdadeiramente relevantes:

- Com hase no estudo das características dos dois sistemas em pauta, o trabalho mostra aos usuários a influência de alguns fa tor.es nessas c a r a c t e r í s t i c a s . O melhor conhecimento da forma de operação de t a i s sistemas trará a melhor compreensão das suas potencialidades e limitações, tornando seu emprego mais adequa do e proveitoso. A conscientização -de que os sistemas analisa-dos são equipamentos de a l t a sofisticação que merecera um estu-do aprofundaestu-do por parte estu-dos que pretendem emprega-los f o i um dos grandes objetivos do trabalho.

- A metodologia proposta para analise do espectro I simples,ru dimentar mesmo, mas pode, dentro de certos l i m i t e s , ser empre-gada em espectroraetria. de forma geral.

- O aspecto técnico maís s i g n i f i c a t i v o e a proposição de uma ' metodologia para teste de equipamentos. Desde que os sistemas1 analisados mostramse em Soas condições operacionais, eles po -dem servir de padrões nos ensaios de sistemas s i m i l a r e s .

Como prova, empregou-se a metodologia aqui desenvolvida ao en-saio de um araplificador para espectrometria acoplado ao detec-tor de CH P)G e operando a 45Q0V. O pico de 662 keV obtido, com a mesma fonte do trabalho, es.tã mostrado na figura I V . 6 . A cora paração com o pico obtido com o sistema empregado neste traba-lho ( F i g . I I I . 1 4 } mostrou que:

- O araplificador era teste confere ao sistema uma resolução mais pobre C 0,29% vs. 0,23%)

- 0 pico mostra uma aberrante assimetria, indicada por um "tail" muito relevante.

Isso demonstra que o amplificador testado não possuía as carac-t e r í s carac-t i c a s requeridas para o siscarac-tema* Encarac-trecarac-tancarac-to, vinha sendo u t i l i z a d o rotineiramente com detectores de (HP)Ge e de barreira de superfície para, respectivamente, espectrometria gama e es -pectrometria alfa de alta resolução.

\ \> 1526 1340 tíC füfcCpiCG -1546 1550 GRTE -1554 ISCO Fig.IV.6

52

-4 . 5 . - CONCLUSÕES

Cora base nos resultados o&tídos:, pode-se concluir que:

Ambos os sistemas estão funcionando dentro das caracterTsti -cas operacional'' que lh.es são compatTveis.

Existe una natural instabilidade nas primeiras horas de ope -ração dos sistemas a c r i s t a l de NaI (TU °.ue d e v e s e r levada em

conta ao se empregar t a i s sistemas.

Flutuações, mesmo pequenas, na tensão aplicada têm grande i n -fluência na operação de sistemas a c r i s t a l de N a I ( T I ) , de forma que uma fonte de a l t a tensão de grande estabilidade é um requi-s i t o bárequi-sico para t a i requi-s requi-sirequi-stemarequi-s.

- A metodologia, embora l i m i t a d a , tem emprego em certas aplica-ções de espectrometria gama, prestando-se sera restriaplica-ções ao te£ te de sistemas.

APÊNDICE A

OBTENÇÃO DAS PROPRIEDADES DO FOTOPICO

A forma ideal do fotopico e a de uma curva normal. Entretanto, a curva resultante, como observada em um analisador multicanal, não corresponde exatamente a uma gaussiana /12,13/. Dois fato-res são os principais fato-responsáveis por isto:

- A flutuação estatística das contagens por canal.

- A predominância de pulsos de altura inferior á média, causa-da especialmente por coleta incompleta de cargas e limitações do sistema eletrônico.

Estes fatores fazem coro que a forma do fotopico seja aproxima-damente a de uma curva normal com uma sensível distorção em sua metade esquerda. Dessa forma, para permitir o cálculo de parâmetros como FWHM e área, cada fotopico foi recomposto na forma de uma curva normal, Como o traçado da guassiana é com -plexo, cada fotopico foi retificado através do seguinte proce-dimento, desenvolvido por Zimmermann/20/:

- A cada canal foi associado um parâmetro Q.. dado por:

«,-'»-§&-onde,

Ci-1 = contagens no canal 1-1 Ci+1 = contagens no canal i+1

Das propriedades da curva normal vem,

Ci'1 = exp 2 ( i - io ) onde,

iQ - constante

55

-Ci+1 ' • 2 J>

Esta é a equação de uma reta com declividade 2 o2

Com os dados extraídos do mui ti canal eram obtidos os vários Qi.

Num papel milimetrado, construía-se um gráfico Q^ x i . Aplicandose a regressão linear simples aos pontos que aproximadamen te se alinhavam, era obtida a equação de uma reta. A inter secção dessa reta com a reta 0^=0 fornecia, o canal correspon -dente ao pico, e sua declividade permitia o calculo de o . A partir daT, a FWHM era obtida, pois FWHM = 2,35a e a área do pico era calculada como

A = 7,064 x FWHM x C onde CD = contagem no canal de pico.

— R I T A AJUSTADA

- 1

1560 1565

Fig. Al

APÊNDICE a

PROGRAMA DE AüXLISE OE ESPECTRO

Um programa de computador foi elaborado para automatizar a ana-lise de cada fotopico. A partir das contagens por canal, o pro-grama determinaya a posição do fotopico, sua FHHM, resolução e área. Ao mesmo tempo, era gerada a curva normal ajustada ao fo-topico e calculado o "tail" correspondente, definido como a di-ferença entre as contagens de fotopico e da curva normal. A Fig. ai mostra a forma de saTda de dados do programa para o fotopico de 1275 KeV obtido com o detector de (HP)Ge a 5G0 V.

NA-22 23.08.84 500V ₅₈ PEAK CHANNEL= 1570.52 FMHM= 5.71S41 ENERGY RESOLUTION= 0.363982 7. PEAK AREA= 7021 CHANNEL 155B 1557 1558 1559 1560 1561 1562 1563 1564 1565 1566 1567 1568 1569 1570 1571 1572 1573 1574 1575 1576 1577 1578 1579 1580 1581 1582 1583 1584 1585 1586 DATA 45 39 60 46 57 53 78 88 148 217 272 502 733 378 1150 1158 988 709 439 238 144 60 53 39 41 29 33 33 29 30 23 GAUSS 0 0 0 0 0 0 2 9 31 87 204 403 673 949 1128 1132 958 684 412 210 90 32 9 2 0 0 0 0 0 0 0 TAIL 44 38 59 45 56 52 75 78 116 129 67 98 59 28 21 25 30 24 26 27 53 27 43 36 40 28 32 32 28 29 22 ST DEV 6 6 7 6 7 7 8 9 12 14 16 22 27 31 33 34 31 26 20 15 12 7 7 6 6 5 5 5 5 5 4 Fig. Bl TIME! 0.46 SECS.