CAPITOLUL 3 TRADUCTOARE DE RADIAŢII NUCLEARE

1. CAPITOLUL 3TRADUCTOARE DE RADIAŢII NUCLEARE Clasificarea radiaţiilor nucleare: După modul de alcătuire: - Radiaţii electromagnetice, formate din particule fără masă de repaus: radiaţii X( = 10-8 … 10-11 m), radiaţii (.= 10-11 ... 10-14 m); - Radiaţii corpusculare, formate din particule cu masă de repaus: fascicule de particule elementare: electroni, neutroni, protoni, etc; fascicule de nuclee de atomi: deuteroni, helioni, etc; fascicule de atomi ionizaţi în mişcare: He+ , Li+ , etc. Radiaţii nucleare cu importanţă deosebită în industrie: - radiaţii  (nuclee de He42încărcate), - radiaţii  (electroni), - radiaţii Xşi - radiaţii . Un fascicul de particule se caracterizează prin: - numărul de particule, - energia particulelor sale.

2. În timpul interacţiunii între radiaţia nucleară şi substanţă, particula incidentă iese din fascicul sau cedează energie atomilor substanţei respective. • Interacţiunea depinde de proprietăţile particulei incidente şi ale substanţei şi are rol decisiv în alegerea detectorului de radiaţii. • Interacţiunile particulelor încărcate electric cu substanţa (ionizarea şi excitarea atomilor din mediu) duc la pierderi de energie pentru particula incidentă, datorită ciocnirilor cu e- sau nucleele atomilor din substanţă • Sursele de radiaţii nuclearesunt simple, specifice radiaţiei emise. • Izotopii radioactivi sunt surse nucleare artificiale care emit spontan radiaţii. • Sursele şi sursele de neutroni sunt construite din cilindri de Pb sau oţel inoxidabil, cu fereastră pentru iradiere, incluşi în ecrane de Pb sau oţel inoxidabil de grosime impusă de radiaţia admisă pentru mediul înconjurător. Surse tipice de radiaţii : • Co60, cu timp de înjumătăţire 5,3 ani, foarte puternică, necesită ecranare şi protecţie şi se foloseşte tot mai puţin, • Cs137, cu timp de înjumătăţire 30 ani şi radiaţie scăzută. • Sursele sunt puţin penetrante, nu au condiţii speciale de ecranare, • Sursele  au construcţii specifice, în funcţie de energia electronilor emişi.

3. Detectoare de radiaţii nucleare • Convertesc particulele incidente pe suprafaţa activă în semnal electric tip impulsuri. • După modul de interacţiune a radiaţiei cu partea activă a detectorului: • detectoare cu ionizare directă - camere de ionizare, - contoare proporţionale, - contoare Geiger – Muller, • detectoare cu semiconductoare, • detectoare cu ionizare indirectă (cu scintilaţie, Cerenkov, etc.). • Pentru radiaţiile X se folosesc: • detectoare umplute cu gaz, • tip numărător proporţional, • calorimetre, • plăci microcanal, • suprafeţe de fotodetectoare, • detectoare superconductoare cu joncţiune tunel, etc.

4. Caracteristicile specifice detectoarelor de radiaţii nucleare: • amplitudinea impulsului de ieşire, • viteza de numărare = raportul între nr. total de impulsuri şi timpul de măsurare, • putere de rezoluţie = nr. de impulsuri de ieşire în unitatea de timp, • eficacitate = raportul între nr. particule ce dau impulsuri la ieşire şi nr. particule incidente, • selectivitate faţă de radiaţie, • volumul sensibil al detectorului.

5. 1. Detectoare semiconductoare de radiaţii nucleare • Energia necesară formării unei perechi de purtători este mai mică cu un ordin de mărime faţă de energia necesară în camerele de ionizare. • În funcţie de cristalul semiconductor folosit, detectoarele sunt: • omogene (n sau p) – sunt din material cu rezistivitate mare (>108cm), pentru a avea zgomot mic. Sunt folosite la detecţia particulelor penetrante. • heterogene (joncţiuni p-n) - sunt polarizate invers şi se deosebesc de joncţiunile diodelor uzuale, printr-o regiune de sarcină spaţială mai groasă apropiată de suprafaţă (pentru ca fereastra detectorului să aibă o grosime neglijabilă). Timpul de răspuns este mic şi se poate micşora prin modificarea dimensiunilor geometrice ale joncţiunii. • Pentru detecţia radiaţiilor X de energie mică se folosesc fotodiode Schottky din Si, cu electrozi transparenţi şi acoperiri antireflectorizante. • Pentru detecţia radiaţiilor electromagnetice de mare energie şi a particulelor nucleare se foloseşte fotodioda PIN cu substraturi semiconductoare intrinseci. La tensiune de polarizare inversă mare, volumul detectorului e egal cu volumul dintre electrozi. • Se folosesc şi fotodiode cu avalanşă datorită câştigului intern mare, dar necesită circuite de procesare pentru control. Ca adaptor electronic se utilizează un convertor sarcină-tens. cu AO cu rezistenţă mare de intrare, cu TECMOS sauTECj. • Pentru detecţia radiaţiilor nucleare cu fototranzistoare bipolare enevoie de joncţiune mare colector-bază.

6. Fotodiode pentru energii mari • Pentru detecţia radiaţiei de mare energie şi a particulelor nucleare se folosesc fotodiode PIN. • Materialele utilizate în construcţia lor: • Si (pentru energii mai mici) şi • Ge (pentru energii mai mari). Se aleg cristale de mare puritate, rezistivitate mare şi concentraţie mică la defecte structurale. Pentru a reduce concentraţia de dopant se folosesc ioni de Li. Alte materiale folosite pentru fotodiode PIN la temperatura camerei: - CdTe şi GaAs. Din cauza dificultăţii obţinerii cristalelor de mare puritate, aceste fotodiode sunt mult mai lente decât cele din Si sau Ge.

7. p p p n n Radiatii X p p p Senzori de poziţie pentru radiaţii X • Pentru deteţia radiaţiei nucleare pe o singură dimensiune, se divide electrodul superior al senzorului în benzi.Fiecare bandă reprezintă un element de detecţie separat, ceea ce dă o rezoluţie spaţială pe o singură dimensiune, de ordinul 5 m. Se folosesc senzori din Si - SSD (Silicon Strip Detector). • Pentru detecţia bidimensională a radiaţiei nucleare, se folosesc SSD cu două feţe, cu benzi p pe faţa superioară supusă radiaţiei şi benzi n pe faţa posterioară, perpendiculare pe benzile p. Dimensiunile senzorului sunt de 5 cm. Dezavantaj: trebuie citite mii de canale, fiecare cu circuite de preamplificare de zgomot redus, convertoare analog-numerice şi circuite de memorare şi analiză. Pentru a reduce nr. canalelor citite, se folosesc senzori cu cameră de deviaţieSDC (Semiconductor Drift Chamber).

8. ID0 VS Poarta Sursa Poarta Drena (VD < 0) IDS Sursa SiO2 Si p Si p Si n Măsurarea dozei de radiaţii cu tranzistoare TECMOS • Pentru măsurarea cantităţii de radiaţii emise se folosesc dozimetre: tranzistor MOS cu poartă izolatoare, cu canal n sau p (cele cu canal p au zgomot mai mic). • Avantaje: preţ scăzut, dimensiuni şi greutate mici, robusteţe, acurateţe, gamă dinamică mare, sensibilitate la radiaţii de energii scăzute, citire în timp real sau întârziată, memorarea informaţiei, posibilitatea integrării monolitice cu alţi senzori şi circuite de măsurare, condiţionarea semnalului, procesarea informaţiei şi posibilitatea folosirii fără tensiune de polarizare.

9. -Vp [V] Eir = 0,25MV/cm Eir = 0,4MV/cm 30 20 Eir = 1MV/cm 10 d = 0,1m Doza [Gy] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 • Partea sensibilă a tranzistorului MOS este poarta izolatoare. • Iradierea crează perechi e- - gol în întreg volumul, care se recombină, celelalte sunt separate. Electronii sunt respinşi de izolator iar golurile se mişcă lent spre catod, unele fiind prinse în regiunea îngustă de lângă catod, în capcane de goluri generate anterior. Rezultatul este o sarcină pozitivă permanentă, ce modifică tensiunea de prag Vp a tranzistorului cu o cantitate Vp, în funcţie de doza de radiaţii absorbită, polarizarea porţii în timpul iradierii, tipul şi energia radiaţiei şi grosimea izolatorului. Parametrul măsurat este Vr, obţinut în timpul şi după iradiere. ID0= sursă de c.const. • Vp se obţine prin măsurarea tensiunii de ieşire Vs înainte şi după iradiere. • Răspunsul dozimetrului la iradieredepinde de polarizarea aplicată porţii faţă de substrat:

10. Catod Anod Gaz Benzi de colectare a sarcini Electod de deviere Particula incidenta Un element 3.Detectoare de radiaţii cu gaz cu microbenzi • Detectorul de radiaţii cu gaz cu microbenzi este o suprafaţă paralelă de numărătoare proporţionale realizate fotografic pe un substrat rigid. • La pătrunderea radiaţiei în volumul detectorului, electronii ionizaţi sunt atraşi spre anozi, unde câmpul electric puternic duce la multiplicarea nr. de electroni.

11. Este o îmbunătăţire faţă de camera proporţională cu multe fire. Datorită spaţierii fine, de 0,2 mm între anozi, rezoluţia spaţială e mai bună decât la camera proporţională cu multe fire. Apropierea catozilor de anozi produce evacuarea rapidă a ionilor pozitivi din regiunea de multiplicare a gazului. • Viteza de numărare este mai mare, peste 106 s-1m-2, acurateţe mare. • Folosit în radiografia numerică, la măsurarea energiei şi poziţiei fotonilor individuali de radiaţie X la viteze de numărare radiologice. • Tehnica radiografică: o combinaţie de ecran fluorescent şi film fotografic. Are rezoluţie bună şi este optimizată, dar are limitări în eficienţa de detecţie cuantică scăzută şi zgomotul granulaţiei filmului, care elimină detaliile imaginii la frecvenţe spaţiale mari. Cu contrast de afişare fix şi gamă dinamică limitată, detaliile sunt pierdute în zonele de supraexpunere sau subexpunere din imaginea de pe film. • Sistemele radiografice numerice care elimină limitările sistemului cu ecran şi film: • fluoroscopie numerică, • radiografie pe calculator, • sisteme bazate pe dispozitive cuplate prin sarcină (CCD), • tehnici de conversie directe bazate pe Se amorf. Toate aceste sisteme funcţionează în modul de integrare a energiei. Nici una din tehnologiile enumerate nu are posibilitatea de numărare a fotonilor la vitezele sistemelor de preluare a imaginilor în domeniul radiaţiilor X.

12. Un sistem numeric de preluare a imaginilor bazat pe detector cu microbenzi are contrast ajustabil al imaginii, gamă dinamică determinată de statistica de numărare a fotonilor, un avantaj faţă de film. În plus, acest sistem are şi alte avantaje: - eficienţă cuantică de detecţie mare, - posibilitatea de îmbunătăţire ulterioară a caracteristicilor imaginii folosind energia măsurată a radiaţiilor X. • Detectoarele cu gaz cu microbenzi sunt folosite şi pentru microdozimetrie, în centralele nucleare care au câmpuri complexe de radiaţie (spectru larg de câmpuri de neutroni în prezenţa unei radiaţii  de fond).

13. 3.Detectoare numerice pentru radiaţii X • Un detector cu suprafaţă mare este esenţial în radiologia medicală. • Există două tendinţe principale pentru realizarea radiografiilor numerice: • digitizarea semnalului de la o cameră video cuplată la un intensificator de imagini pentru radiaţii X (instalaţie voluminoasă) şi • sistemul cu material fosforescent stimulabil. • Ambele sisteme sunt disponibile în variante care permit citirea instantanee, cu toate că varianta cea mai uzuală a sistemului cu material fosforescent stimulabil necesită transportul casetei la scaner cu laser pentru citire. • Calităţile acestor sisteme nu le fac acceptabile pentru toate utilizările. De aceea, există detectoare numerice care pot funcţiona în toate modalităţile radiologice curente, inclusiv radiografia şi fluoroscopia. • Detectorul este o suprafaţă mare, plată, cu unul sau mai multe straturi pentru absorbţia radiaţiilor X. Converteşte energia în sarcină electrică folosind o suprafaţă integrată matricială activă pentru autoscanarea sarcinii electrice a imaginii. • Conversia se face prin: • metoda directă – o suprafaţă fotorezistivă converteşte radiaţiileX în sarcini electrice, • metoda indirectă, cu strat din material fosforescent şi suprafaţă de fotodiode. Fluoroscopia este dificilă datorită semnalelor mici şi citirii în timp real.

14. Comparaţia între senzorii medicali convenţionali pentru radiaţii X (cu strat din pudră de material fosforescent şi cu material fosforescent structurat, sau cu straturi fotorezistive) arată creşterea rezoluţiei la cei din urmă. • Radiaţiile X absorbite de un ecran fosforescent eliberează lumină care crează o imagine la suprafaţă. Împrăştierea laterală a luminii este limitată de difuzie. • Diametrul elementului de imagine este comparabil cu grosimea ecranului. Cu cât ecranul este mai gros (pentru a creşte eficienţa de absorbţie cuantică) scade rezoluţia imaginii. Folosind ecran fosforescent, creşte rezoluţia imaginii. • Altă metodă: Radiaţiile X interacţionează cu o placă fotorezistivă şi eliberează electronii şi golurile spre suprafeţele plăcii fotorezistive. • Cerinţele unui detector de radiaţii X numeric, ideal sunt: • să accepte imaginea în acelaşi timp (detector cu integrarea imaginii), • citirea trebuie să fie imediată şi electronică (fără casetă în mişcare), • calitatea imaginii să fie apropiată de limita teoretică pentru toţi parametrii operaţiunilor de preluare de imagini (eficienţă cuantică mare de absorbţie a radiaţiilor X, să nu se degradeze semnificativ imaginea prin zgomotul excesiv de fluctuaţie al câştigului, zgomotul amplificatorului folosit sau zgomotul cuantic secundar). • Într-o structură cu citire şi autoscanare imaginea creată într-un anumit plan este citită în acelaşi plan. • Când sunt necesare dispozitive cu suprafaţă foarte mare (ex. 30 cm x 30 cm), nu se pot folosi CI din Si pur. Se folosesc circuite simple, numite matricial active, cu substraturi ieftine, de exemplu sticlă.

15. 4.Dozimetre cu fibre optice • Dacă absorbţia optică indusă într-o FO multimod de radiaţia ionizantă depinde doar de doza absorbită, FO conectată la un reflectometru optic în domeniul timp (OTDR) este folosită la monitorizarea distribuită la distanţă, pe termen lung a dozei de radiaţii pe o suprafaţă mare. • Se pot folosi: • FO din silică dopate cu P, • pământuri rare sau Pb, • dopanţi care produc centre de culoare stabile induse de radiaţie. • Informaţia dată de dozimetru depinde de doză şi de temperatură, fiind parţial ştearsă când se opreşte radiaţia. La creşterea dozei de radiaţii, absorbţia este saturată. Exemplu, FO de silică dopată cu P nu poate fi folosită la măsurarea dozelor mari. • Un efect reversibil indus de radiaţie este difuzia hidrogenului din învelişul cu nr. mare de grupări hidroxil OH spre miezul cu nr. mic de grupări OH a unei FO, determinând creşterea benzilor de absorbţie ale grupărilor OH. Amplitudinea benzilor de absorbţie ale grupării OH creşte. • Pentru a determina variaţia benzii de absorbţie optică a grupării OH se măsoară pierderile optice la două lungimi de undă apropiate, aflate pe unul din flancurile benzii. Altă cale de a extrage semnalul util este să se folosească trei lungimi de undă.