PROIECT LA FIZICĂ Tema: Detectoare de radiatii ionizate Efectuat de: Bîrladeanu Ana şi

Cocîrla Olga Controlat de: Zavtur Ludmila Liceul Teoretic “Liviu Rebreanu”,

clasa a XII-a “B”

1. NoŢiuni gener a l e2. Cl asifi car ea det ect or il or de r adia Ţii

nucl ear e3. Tipur i de det ect or i

3.1. Camer a de ionizar e3.2. Cont or ul Geiger – MŰLLER3.3. Det ect or UL cu scint il a Ţii. FOTOMULTIPLICATORUL3.4. DETECTORII CU SEMICONDUCTORI3.5. CAMERA CU CEAŢĂ

3.6. CAMERA CU BULE

2

Una dintre problemele principale, de a cărei soluţionare depinde dezvoltarea civilizaţiei noastre, problemă care a revenit pe planul I al preocupărilor din ultimii ani, este asigurarea cu energia necesară dezvoltării activităţilor de baza care condiţionează evoluţia progresivă a nivelului de trai al populaţiei globului terestru. Cantitatea de energie consumată de omenire a crescut, din epoca primitivă până acum de 2,5 milioane de ori .Este evident că o astfel de creştere, nu poate să nu conducă la o problemă a energiei necesare pentru dezvoltarea viitoare a omenirii .

Unica sursa de energie care a alimentat civilizaţia noastră până în acest secol a fost energia solară, înmagazinată sub formade energie chimică, prin procesul de fotosinteză, în surse regenerative (lemnul, apele, vântul) sau în combustibili fosili (cărbune, petrol, gaze) a căror constanţa de formare este de ordinul milioanelor de ani.

De-a lungul timpului s-au făcut cercetări pentru obţinerea de detectoare cu scintilaţie anorganice şi plastice organice; s-a încercat realizarea de sisteme de detecţie cu scintilatoare pentru experimente de fizică nucleară. S-au făcut totodată cercetări privind obţinerea de detectoare cu plăci rezistive (RPC detectors) aplicabile în măsurători de timp de zbor pentru identificarea de particule în interacţii cu ioni grei la energii relativiste şi ultrarelativiste (FOPI experiment). În final s-a încercat dezvoltarea unor sisteme de detecţie cu RPC pentru utilizari în tomografia computerizată cu emisie de pozitroni (PET- Tomography).

În cadrul cercetărilor şi activităţilor desfăşurate de-a lungul timpului s-au obţinut detectoare de radiaţii pentru alfa, beta, gama, neutroni termici şi rapizi similare celor realizate de BICRON Corporation. S-au obtinuţ şi atestat sonde detectoare cu scintilatori plastici pentru radiaţii alfa, beta, gama, neutroni termici şi rapizi care s-au utilizat în construcţia de aparatura pentru controlul contaminării radioactive şi în măsurători dozimetrice, dar au apărut totodată şi ecrane luminiscente sensibile la raze X pentru aplicaţii în unităţi industriale şi medicale la investigări radiografice. Sistemele de detecţie sensibile la poziţie pe baza de scintilatori plastici şi fotodiodele PIN sunt alte realizări ce au încurajat detectarea 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 He42 încărcate), - radiaţii (electroni), - radiaţii X şi - radiaţii . Un fascicul de particule se caracterizează prin: - numărul de particule, - energia particulelor sale.

Radioactivitatea nuclee instabile emit radiatii spontan

Naturala Artificiala

elemente nuclee stabile

radioactive bombardate

naturale cu fotoni,neutroni,particule

incarcate

Radiaţii

q naturale • radiaţii cosmice• radiaţii terestre elemente radioactive naturale

- roci - sol - structura clădirilor (radonul)

q artificiale• proceduri medicale (radioterapie, radiodiagnoză)

• laboratoare – dispozitive electrocasnice (televizoare, ceasuri luminoase, detectoare de fum etc.)

• accidente nucleare• poluare etc.

- Radiatii de particule incarcate - materiale cu densitate mare

- Neutroni - ecran pe baza de hidrogen: apa, D2O, parafina, grafit- ecran de cadmiu captura neutronilor termici:

Cd113 + n Cd114 +

- ecran de Pb/Fe absoarbe radiatia

- Radiatie - ecran foarte usor si subtire (chiar hârtie)

- Radiatii mixte β + - un ecran de plastic/Al- un ecran de Pb/Fe

RADIAŢII IONIZANTE radiaţii electromagnetice

X, , UV dure ( < 120 nm)

radiaţii corpusculare

- radiaţii de particule încărcate electric

- particule ( )

- protoni (1p ≡ ioni de H)- deuteroni (1p, 1n)- ioni de Ne, Ar, Xe etc.

radiaţia - (electroni)

+ (pozitroni)

- radiaţii de particule fără sarcină electrică

radiaţii de ioni grei

He24

neutroni

o Detecţia radiaţiilor nucleare se

bazează pe proprietatea acestora

de a ioniza substantele străbătute.

Cele mai utilizate detectoare sunt:

contoarele cu ionizare (camera de

ionizare, contorul Geiger-Müller),

contoarele cu scintilaţie (detectori

cu fosfor, cristale cu scintilaţie,

scintilatori cu lichid) şi dispozitivele

care vizualizează urmele

particulelor (camere cu ceaţă,

camere cu scânteie, camere cu

bule).

Detectorul Geiger-Müller este constituit din doi electrozi: catodul, cilindric, construit din metal, sticlă metalizată sau grafitată, iar anodul fiind un fir metalic subţire (de obicei din wolfram, cu diametrul de 0,1-0,2 mm), situat pe axa cilindrului.

Prin caracteristica unui detector Geiger-Müller se înţelege graficul care exprimă dependenţa vitezei de numărare n a detectorului de tensiunea aplicată acestuia, în condiţiile unui flux constant de particule ajunse la detector (viteza de numărare se notează cu n şi se dă în impulsuri pe minut).

• Există mai multe tipuri de detectoare Geiger-Müller: - cu gaze inerte şi vapori organici - sau gaze inerte şi halogeni• Între electrozii detectorului Geiger-Müller se aplică tensiune electrică continuă. • Pătrunzând în volumul sensibil al detectorului, radiaţia nucleară interacţionează cu atomii gazului, pe care îi ionizează, creând astfel un anumit număr de perechi de ioni pozitivi şi electroni. • Ionii pozitivi sunt atraşi de catod.• Ca rezultat în circuitul detectoruluiia naştere un impuls electric de scurtădurată care se anulează atunci cândtoţi electronii ajung la anod.

Notiuni generale: Detectorii de radiaţii nucleare reprezintă sisteme care

pun în evidenţă existenţa radiaţiilor nucleare şi permit determinarea calitativă sau cantitativă a unora dintre caracteristicile lor: numărul de particule nucleare, energia, masa particulelor, etc.

Detectorul de radiaţii nucleare converteşte particulele incidente pe suprafaţa sa activă în semnal electric (sarcină sau tensiune) sub formă de impulsuri.

Detectorul de radiaţii este format, de regulă, din două părţi componente:

corpul de detecţie propriu-zis constă dintr-un mediu în care radiaţia nucleară produce un efect specific

sistemul de înregistrare a efectului produs de particulă asigură amplificarea şi prelucrarea semnalului obţinut

Detectoare de radiatii 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.

Caracteristicile specifice detectoarelor de radiatie nucleara:

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.

Procesul fundamental al interacţiunii radiaţiilor nucleare cu materialul detectorului, este dat de faptul că energia implicată în procesul de interacţiune este mai mare decât energia de legătură a electronilor din atom şi poate genera schimbări sau transformări în structura atomilor componenţi ai substanţei.

mecanismele care stau la baza interacţiuni radiaţiilor nucleare cu materia sunt ionizarea şi emisia/conversia luminii

Particulele încărcate produc ionizare şi scintilaţii iar particulele care nu au sarcină electrică sunt detectate indirect prin intermediul particulelor încărcate pe care le produc în materialul detectorului. Spre exemple:

- fotonii produc electroni (prin efect fotoelectric extern sau efect

Compton) care la rândul lor produc ionizare - neutronii produc reacţii nucleare în care apar particule

încărcate ce produc ionizare

Clasificarea detectorilor de radiatie nucleara:

Tipuri de detectoare:

3.1. CAMERA DE IONIZARE Camera de ionizare este o incintă închisă, de formă cilindrică, în

care se găsesc doi electrozi plan – paraleli şi un gaz aflat în condiţii normale. Cei doi electrozi formează un condensator plan cu electrozii aflaţi la distanţa de 3 – 6 cm unul de altul.

În lungul traiectoriei particulei nucleare încărcate care străbate gazul camerei se produc ioni pozitivi şi electroni.

Numărul perechilor de sarcini care se produc depinde de natura radiaţiei care a interacţionat cu moleculele gazului şi de energia lor cinetică. Curentul de ionizare este amplificat şi măsurat. El este proporţional cu numărul total de perechi ion - electron creaţi

de particule în unitatea de timp. Dezavantaje: în camera de ionizare curentul obţinut este mic, fapt

ce duce la necesitatea folosirii unui sistem de înregistrare complicat.

3.2. CONTORUL GEIGER - MŰLLER Contorul Geiger–Műller face parte din categoria detectorilor cu

ionizare in gaz. Acest detector are o construcţie simplă, fiind alcătuit din doi electrozi introduşi într-un tub de sticlă sau de metal. Tubul conţine şi un gaz nobil la presiune joasă ( zeci de torri). De

obicei, electrozii au geometrie cilindrică, anodul fiind un fir metalic, subţire, dispus pe axul unui cilindru care constituie catodul. Acesta din urmă poate fi un strat conductor depus pe peretele interior al tubului de sticlă, iar dacă tubul exterior este metalic, va servi chiar el drept catod. Între cei doi electrozi se aplică o diferenţă de potenţial.

În regiunea din jurul firului central se obţine un câmp electric intens în care electronii sunt acceleraţi puternic şi în deplasarea lor spre anod produc ionizări în avalanşă.

La trecerea unei radiaţii prin volumul contorului se produce excitarea şi ionizarea moleculelor gazului. În funcţie de natura radiaţiei incidente, ionizarea se poate face direct, în cazul particulelor cu sarcină electrică, sau indirect, prin intermediul electronilor smulşi din peretele contorului de radiaţiile X şi , respectiv al unei particule încărcate rezultate dintr-o reacţie nucleară produsă de neutroni. Ionii şi electronii formaţi, dacă sunt acceleraţi în câmp electric, pot produce la rândul lor ionizări secundare. Caracterul descărcării interioare depinde de tensiunea aplicată pe contor.

Sarcinile electrice apărute în urma trecerii unei particule sunt colectate şi provoacă variaţia într-un timp scurt a tensiunii aplicate pe contor, deci un puls de tensiune care apare la bornele contorului şi care este transmis prin condensator la instalaţia de numărare.

In cazul contorului Geiger–Műller apare multiplicarea în gaz a sarcinilor prin ionizări secundare, adică descărcarea în avalanşă. Dar, funcţionarea contorului Geiger–Műller se bazează pe existenţa unui câmp electric de intensitate mare, astfel că descărcarea în avalanşă se intensifică şi este însoţită de avalanşe secundare. Astfel, pulsurile de tensiune care apar au amplitudine mare (1-10 V sau mai mult) şi pot fi numărate direct, fără amplificare prealabilă.

Acest detector permite numai numărarea particulelor nucleare fără a determina alte proprietăţi ale acestora.

3.3. Detector cu scintilaŢii. FOTOMULTIPLICATORUL

Fenomenul pe care se bazează funcţionarea acestor detectori constă în apariţia de scintilaţii în cristale anorganice sau substanţe organice. La baza construcţiei unui scintilator stă

fenomenul de fluorescenţă care constă în schimbul de energie dintre particulele nucleare şi materialul scintilatorului. Lumina produsă de scintilator este transportată la fotomultiplicator. Fotomultiplicatorul este un instrument care transformă un semnal luminos într-un semnal electric. El este construit dintr-un tub de sticlă vidat în care se află: un fotocatod, un ansamblu de dinode, un divizor de tensiune şi un anod.

Fotonii apăruţi în scintilator (scintilaţiile) cad pe fotocatod, care transformă fotonii în electroni (numiţi şi “fotoelectroni”) prin efect fotoelectric. Între fotomultiplicator şi prima dinodă, între dinode şi între ultima dinoda şi anod se aplică diferenţe de potenţial, cu ajutorul unui divizor de tensiune. Aceste valori cresc, între 900 V şi 2500 V. Sub acţiunea câmpului electric, fotoelectronii sunt acceleraţi spre prima dinodă de unde extrag prin emisie secundară mai mulţi electroni care sunt acceleraţi spre următoarea dinodă, unde produc din nou emisie secundară de electroni şi procesul se repetă. Deci dinodele au rolul de a multiplica curentul produs de fotonii iniţiali pe fotocatod (scinţilatiile).

Amplitudinea pulsului de tensiune, obţinut cu ajutorul fotomultiplicatorului, este proporţională cu numărul de scintilaţii produse de particula încărcată la trecerea prin cristal, deci cu energia acesteia. Datorită acestui fapt, detectorul cu scintilaţie se foloseşte atât la numărarea radiaţiilor nucleare cât şi la măsurarea energiei acestora.

3.4. DETECTORII CU SEMICONDUCTORI Interacţiunea unei radiaţii nucleare cu semiconductorul,

generează electroni în banda de conducţie şi goluri în banda de valenţă care vor fi colectaţi şi transformaţi în semnal ca urmare a scăderii rezistivitaţii joncţiunii.

În funcţie de numărul de perechi de sarcină formate (care sunt dependente de energia radiaţiei), avem intensităţi diferite ale impulsurilor înregistrate.

Purtătorii de sarcină colectaţi, prin aplicarea unei diferenţe de potenţial, formează un puls a cărui amplitudine este proporţională cu energia particulelor nucleare înregistrate.

Datorită rezoluţiei energetice foarte bune, detectorii cu semiconductori înlocuiesc treptat ceilalţi detectori în cercetările de fizică nucleară.

3.5. CAMERA CU CEAŢĂ Camera cu ceaţă, cunoscută şi sub numele de cameră

Wilson, este utilizată pentru detecţia particulelor de radiaţie ionizantă. În cea mai elementară formă, o cameră cu ceaţă este un mediu sigilat care conţine vapori de apă sau alcool, superrăciţi, suprasaturaţi. Când o particulă alfa sau o particulă beta interacţionează cu vaporii, îi ionizează. Ionii rezultaţi se comportă ca nuclei de condensare, în jurul căreia se va forma ceaţă (deoarece amestecul este în pragul condensului).

Energiile mari ale particulelor alfa şi beta înseamnă că rămâne o urmă, datorită faptului că se produc mulţi ioni de-a lungul căii particulei încărcate electric. Aceste urme au forme distincte (de exemplu, urma unei particule alfa este largă şi dreaptă, iar cea a unui electron este mai îngustă şi prezintă semne de deviere). Când se aplică un câmp magnetic vertical, particulele încărcate pozitiv şi negativ vor avea traiectorii curbate în direcţii opuse.

Traiectoriile particulelor încărcate apar în camera cu ceaţă sub forma unor urme vizibile la o iluminare laterală şi pot fi fotografiate. Traiectoriile particulelor alfa apar în majoritatea cazurilor practic rectilinii (figura alăturată). Traiectoriile se caracterizează prin grosimea şi continuitatea lor, care se datorează puternicei ionizări specifice, adică a numărului mare de perechi de ioni formaţi pe unitate de lungime de drum. Pe fotografii mărite se pot vedea amănunte importante: multe traiectorii se pot termina

printr-o cotitura brusca (“cârlig”), în alte cazuri se văd deviaţii sub unghi mic în puncte mai mult sau mai puţin depărtate de capătul traiectoriei. Foarte rar, unghiul de deviaţie este mai mare; mai rar, încă, traiectoria se termină printr-o furcă.

3.6. CAMERA CU BULE O cameră cu bule este un vas umplut cu un lichid transparent

supraîncălzit (cel mai adesea hidrogen lichid) folosit pentru a detecta particule încărcate electric care se deplasează prin el. A fost inventat în 1952 de Donald Glaser, pentru care acesta a primit în 1960 Premiul Nobel pentru fizică.

Camera cu bule este similară camerei cu ceaţă în aplicaţii şi în principiul de bază. În mod normal este realizată prin umplerea unui cilindru mare cu un lichid încălzit până aproape de punctul său de fierbere. În timp ce particulele intră în cameră, un piston îi reduce brusc presiunea, iar lichidul intră într-o fază de supraîncălzire, metastabilă. Particulele încărcate creează o urmă de ionizare în jurul căreia lichidul se evaporă, formând bule microscopice. Densitatea bulelor în jurul unei urme este proporţională cu cantitatea de energie pierdută de particulă.

Bulele cresc în mărime cu cât camera îşi creşte volumul, până devin destul de mari pentru a fi văzute sau fotografiate. Câteva camere foto sunt montate în jurul ei, furnizând o imagine tridimensională a experimentului. Au fost folosite camere cu bule cu rezoluţii până la câţiva micrometrii. Întreaga cameră este supusă unui câmp magnetic constant, ceea ce determină particulele încărcate să se deplaseze în spirală, cu raza determinată de raportul sarcină-masă. Dat fiind că pentru toate particulele subatomice încărcate electric şi cu viaţă lungă, sarcina lor este cea a unui electron, iar raza de curbură este astfel proporţională cu impulsul.

În fotografia următoare se văd traseele unor particule în camera cu bule. Camera cu bule este plasata într-un câmp magnetic omogen şi perpendicular pe figură, astfel încât traiectoriile par curbate ca urmare a forţei Lorentz ce acţionează asupra lor.

Traseele care parcurg camera orizontal şi sunt puţin curbate în sus, aparţin unui fascicul de protoni. Traseele spirale (în sus şi în jos) aparţin unui electron şi unui pozitron, produşi ca pereche sub influenţa unei radiaţii gamma care nu este vizibila în imagine

Efectele biologice ale radiaţiilor ionizante: moarte celulară, mutaţii, inducerea cancerului

Depinde de:• Sistemul biologic• Tipul radiatiei• Doza• Debitul dozei

Efectele biologice ale radiatiilor: La nivelul ADN: – alterări la nivelul bazelor azotate – dimerizarea timinei – rupturi ale catenei cu peroxidarea capetelor – formare de legături cu molecule proteice

• Mutaţii

• Erori de transcriere a codului genetic

• Erori de replicare a ADN-ului

• Erori de diviziune celulara

• Producere de fragmente de cromozomi

Obiectele contaminate radioactiv devin la

rândul lor surse de radiaţii nucleare ceea ce

presupune decontaminarea lor. Cele mai sensibile organe umane la radiaţiile

nucleare sunt organele hematopeice, ochii şi

organele de reproducere, iar cele mai puţin

sensibile sunt mâinile şi picioarele.

Protecţia fizică- distanţă mare faţă de sursă- reducerea timpului de expunere- ecrane protectoare

Ecranare:

Radiatia X, materiale cu Z mare (Pb, Fe)

Radiatia βmateriale cu Z mic (polistiren, Al)

Evitate materiale cu Z mare (in care electronii produc r.e.m.)

Radiatia βmateriale cu Z mare

Absorb radiatia de anihilare ()

Protecţia chimică Inaintea iradierii se administreazăsubstanţe chimice radioprotectoarecare măresc radiorezistenţa organismului

- micşorează conţinutul în apă, mai ales în organele radiosensibile

- micşorează temperatura organismului, diminuează metabolismul

- diminuează cantitatea de oxigen intra şi extracelular - inhibă/fixează radicalii liberi- împiedică alte organe să amplifice efectele

... SFÎRȘIT