Detectores de partículas: alguns modelos

Detectores de partículas: alguns modelos Prof. Marcelo Sant’Anna Sala A-310 (LaCAM) e-mail: mms@if.ufrj.br Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Lembrando....Uma descrição (muito) esquemática • A partícula deposita sua energia, ou parte dela, no detector. • Assim, gera cargas livres que são coletadas de alguma forma. • Meço d.d.p. ou corrente (um pulso ou uma medida contínua). detector d.d.p. ou corrente partícula Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Detectores de Ionização Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Detectores de Ionização • foram os primeiros aparelhos elétricos desenvolvidos para a detecção de radiação. • Durante a primeira metade do século XX, três tipos básicos de detectores foram desenvolvidos: a câmara de ionização, o contador proporcional e contador Geiger-Müller. Exceto para aplicações especificas como monitoração do nível de radiação, estes aparelhos não são mais utilizados em experimentos modernos. • Detectores de ionização são aparelhos projetados para medir a ionização produzida quando uma partícula incidente atravessa algum meio. O número de elétrons e de íons positivos detectados é uma medida da energia depositada no material, então deve-se evitar que qualquer par elétron-íon seja recombinado. Isto pode ser realizado aplicando-se um campo elétrico suficientemente alto no meio. Este campo irá separar as cargas, e empurrá-las para os seus respectivos eletrodos (coletores), prevenindo assim que recombinem. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Detectores de Ionização • Há uma câmara preenchida com gás próprio que pode ser devidamente ionizado. • A câmara possui um catodo e um anodo que são mantidos a uma diferença de potencial alta, caracterizando assim uma capacitância (C) que é determinada pela geometria dos eletrodos. • O gás deve ser quimicamente estável (inerte) de modo que os elétrons não sejam facilmente capturados pelas moléculas do meio. O meio deve também não ser sensível a danos por radiação de modo que sua resposta às partículas incidentes não deteriore com o tempo. • Outro fator importe é o baixo potencial de ionização (Ip) de modo a maximizar a número de eventos de ionização por energia depositada por uma partícula incidente. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Detectores de Ionização • Como mencionado anteriormente, quando uma partícula carregada atravessa uma região sensível do detetor, ela ioniza o meio e produz pares elétron-íon. Devido ao campo elétrico, os elétrons migram para o anodo e os íons para o catodo, produzindo assim um sinal, que dá origem a uma corrente pequena que flui através de um resistor R. • O resistor produz uma diferença de tensão que é sentida por um amplificador A. • O sinal do amplificador pode ser analisado de modo a obter uma altura de pulso que pode estar relacionada com a quantidade de ionização produzida, que por sua vez, depende da densidade e estrutura atômica do meio ionizável, da energia e da carga da partícula incidente. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Detectores de Ionização Comportamento com a voltagem aplicada • Diversas regiões características Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Região de recombinação • Quando a diferença de potencial entre os eletrodos é pequena, os elétrons e íons podem se recombinar logo após a ionização, e somente uma pequena fração dos íons e elétrons chegam aos eletrodos. • Isto produz um sinal que não corresponde na realidade o número de pares criados. • Esta faixa de valores de tensão é chamada de região de recombinação. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Câmara de ionização • Aumentando-se a tensão além da região de recombinação, obtemos um sinal que reflete a quantidade total de ionização produzida porque o campo é suficientemente alto de modo que todos os portadores de carga são coletados e um pequeno aumento do campo não tem nenhum efeito sobre o sinal. • Esta faixa de operação é chamada região de ionização. • O sinal de corrente nesta região é muito pequeno e deve ser medido com um eletrômetro. Câmaras de ionização são geralmente usadas para medir exposição a raios gama e monitoramento de altos fluxos de radiação. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Região proporcional • Aumentando ainda mais a tensão, os elétrons livres começam a ter energia suficiente para produzir novas ionizações. • Os elétrons liberados nestas ionizações secundarias, são também acelerados de modo a produzir mais ionizações. • Como resultado, temos uma avalanche de ionizações. No caso de uma câmara com um fio como anodo (próximo slide), o campo elétrico e mais intenso perto do fio, a avalanche ocorre perto do fio. • Este aumento na ionização é freqüentemente chamado de amplificação de sinal ou multiplicação. O sinal de saída é maior, mas ainda proporcional a quantidade inicial de ionização, e por razões óbvias, esta faixa de operação é chamada região proporcional. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Região proporcional Fig. Construção básica de um detector de ionização com um fio. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Região Geiger • Aumentando-se ainda mais a tensão chegamos a uma região onde produz-se uma avalanche de pares elétron-íon. • Neste modo, a energia dos elétrons ionizados primários aumenta tanto que eles podem imediatamente excitar ou ionizar outros átomos, produzindo mais elétrons livres. • Um detector Geiger Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Região Geiger • Região de descarga • Finalmente, aumentando a tensão alem da região Geiger, rompe-se a rigidez dielétrica do gás gerando descargas mesmo sem radiação presente e a câmara deixa de ser sensível a qualquer tipo de radiação. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Detectores Semicondutores Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Propriedades básicas dos semicondutores • Estrutura de bandas • Portadores de cargas: elétrons e buracos Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Algumas propriedades físicas do Si e Ge Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Junção n-p: camada de depleção • Na camada de depleção (depletion layer) há um campo elétrico mesmo sem a aplicação de voltagem ao detector. • Elétron ou buracos criados nesta região (pela partícula incidente) irão ser acelerados. • A variação com o tempo de carga coletada irá resultar em um pulso. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Resolução em energia • Gap ~ eV (comparar com potenciais de ionização atômicos ~10 eV) • Alta densidade se comparados a gases. • Muitos pares elétron buraco criados por particula incidente  boa resolução em energia Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Alguns tipos de detectores de diodo de Si • Diffused Junction Diodes • Barreira de superfície (Surface Barrier Detectors) Camada de ouro na superfície em semicondutor tipo-n Barreira Schottky • Ion-implanted diodes Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Detectores Multiplicadores de elétrons Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Fotomultiplicadora • Múltiplos estágios Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Channeltron • Comparação com fotomultiplicadora fotomultiplicadora x channeltron Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Sinais rápidos • Resolução em energia pobre Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Microchannel-plate • Placas de microcanais • Sinais rápidos • Resolução em energia pobre Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Fabricação das MCP Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

Há MCPs sensíveis a posição em x-y Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 7 - 2008.1 - IF - UFRJ

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