Proiectarea unui sistem de monitorizare continua ale radiatiilor nucleare din aer Coordonator Absolvent Dr. Fiz. Radu Vasilache Dumitru Ioan Daniel… [626474]

Universitatea Politehnica București
Facultatea de Stiinte Aplicate
Departamentul de Fizica

LUCRARE DE LICENȚĂ

Proiectarea unui sistem de monitorizare
continua ale radiatiilor nucleare din aer

Coordonator Absolvent: [anonimizat]

1. Introducere 1
2. Detectori de radiatii
2.1. Noțiuni introductive
2.2. Detectori de natriu -iod cu scintilatie
2.3. Detectori de siliciu
2.4. Detectori de germaniu hiperpur
3. Monitorizarea radioactivitatii atmosferice
3.1. Motivele monitorizarii radioactivitatii atmosferice
3.2. Componentele necesare unui sistem
3.3. Program de monitorizare
4. Proiectarea unui sistem de monitorizare ale radiatiilor nucleare din
aer
4.1. Prezentarea ansamblului
4.2. Rezultate si spectre inregistrate
5. Concluzii
6. Anexa A. Standarde de asigurarea calitatii
7. Anexa B. Descrierea instalatii lor utilizate si scheme logice
8. Bibliografie

2. Detectori de radiatii

2.1. Notiuni introductive
2.1.1. Interactiile radiatiilor ionizante cu substanta

Efectul fotoelectric
Bazele teoriei efectului fotoelectric extern au fost puse de Albert Einstein in
1905 cu ajutorul teoriei cuantelor , acesta fiind descoperit de Heinrich Hertz in 1887 ,
cand a observat ca descarcarea intre doua sfere se produce mai usor in prezenta
radiatiei ultraviolete. Ulterior a fost studiat experimental de catre Phillip Lenard care
a descoperit legile efectului fotoelectric extern :
1. Curentul de fotoelectroni apare numai daca frecventa radiatiiei incidente
este mai mare decat frecventa de prag p. Aceasta frecventa este specifica fiecarei
substante si corespunde lucrului mecanic de extractie a electronului din material L
sau altfel spus energiei de legatura a ele ctronului de pe nivelul respectiv prin relatia
ℎ𝜈𝑝=𝐿 ,
si ℎ este constanta lui Planck.
2. Curentul d e saturatie I s este direct proportional cu fluxul radiatiei , la
frecventa consta nta a undei electromagnetice. Odata cu cresterea numarului de
fotoni creste si numarul de interactii foton -electron, ceea ce conduce la cresterea
numarului de electroni scosi din material.
3. Energia cinetica a fotoelectronilor emisi creste odata cu frecvent a undei
electromag netice incidente, deoarece creste energia fotonilor. Din relatia lui Einstein
ℎ𝜈=𝐿+𝑚𝑣2
2 ,
unde,
𝐸𝑐=𝑚𝑣2
2 ,
se observa ca surplusul de energie provenita de la un foton care a cedat
energia unui electron, este transformat in energie cinetica respectand astfel legile de
conservare a energiei.
4. Efectul fotoelectric se produce aproape instantaneu, cu o intarziere de
10−9 𝑠, intervalul in care se produce interactiunea dintre foton si electron.

Efectul fotoelectric extern este intalnit in cazul materialelor conductoare
electric , care la temperatura camerei au nivelul Fermi in banda de conductie.
Efectul fotoelectric intern apare in general in cazul materialelor
semiconductoare, care au nivelul Fermi in interiorul benzi int erzise la temperaturi de
300 𝐾. Materialele semiconductoare au latimea benz ii interzise pana la maxim 3 𝑒𝑉
si electronii legati in atom, de aceea nu pot conduce curentul electric. Odata cu
cresterea temperaturii, banda interzisa se ingusteaza, incep sa scape electroni in
banda de conductie care vor ajuta la conductia curentului electric.
La iradiere cu o radiatie electromagnetica , materialul semiconductor, daca
este semiconductor intrinsec va incepe sa genereze perechi gol -electron , adica
electronii din banda de valenta care interactioneaza cu fotonii incidenti, primesc
energia de la fotoni, facand saltul peste banda interzisa direct in banda de conductie ,
ramanand un loc vacant in banda de valenta, doar atunci cand fotoni i care cad pe
suprafata materialului au energia
ℎ𝜈≥𝐸𝑔 ,
𝐸𝑔 fiind energia benzii in terzise a materialului, ea fiind diferita de la un material
la altul. In cazul semi conductorilor dopati cu impuritati, cand se respecta conditia de
existenta a fenomenului, o part e din fotonii care interactioneaza cu electronii vor
genera doar goluri in banda de valenta pentru semiconductorii dopati cu impuritati
acceptoare, ori doar electroni in banda de conductie de pe nivelele donoare la
semiconductorii dopati cu impuritati dono are. Electronii stransi in banda de conductie
contribuie la formarea curentului electric, iar golurile din banda de valenta ajuta si ele
la conductie.

Efectul Compton (http://www.scientia.ro/fizica/mecanica -cuantica/292 -efectul -compton.html )
In anul 1923 Arthur Holly Compton a facut experimentul care ii poarta numele,
prin care a solidificat teoria lui Einstein despre natura corpusculara a undelor
electromagnetice, aratand ca in cazul in care un corp dintr -un material este supus
razelor X , din el va difuza un fascicul de radiatii amestecate.
Fasciculul amestecat va contine o parte din radiatia incidenta la aceeasi
lungime de unda 𝜆, o alta parte, tot radiatie electromagnetica de lungime de unda
marita 𝜆′ si partea electronului de recul. Acesti electroni sunt cei mai slabi legati in
atom, ei avand o energie de legatura mult mai mica decat fotonul incident dupa
ciocnire sunt aruncati din atom si primesc o anumita energie cinetica.
Compton a observat ca lungimea de unda rezultanta 𝜆′ a radiatiei difuzate
depinde doar de unghiul de difuzie 𝜃, nu si de materialul constituent al corpului
iradiat, in cazul acela grafitul. Unghiul 𝜃 fiind unghiul facut dintre directia de
propagare a radiatiei incidente si cea in care se propaga unda imprastia ta din
material. El ajunge la o formula empirica pentru lungimea de unda a radiatiei
imprastiate
𝜆′−𝜆=Λ𝑐(1−𝑐𝑜𝑠𝜃 ),

unde Λ𝑐 este lungimea de unda compton avand o valoare constanta . Ulterior,
dupa explicarea matematica a legilor de conservare a energiei si impulsului la
ciocnirea dintre fotonul X si electronul slab legat in patura superioara a atomului, s -a
ajuns la o formula foarte asemanatoare
𝜆′−𝜆=ℎ
𝑚0𝑒𝑐(1−𝑐𝑜𝑠𝜃 ),
𝑐 fiind viteza luminii in vid si 𝑚0𝑒 masa electronului

Initial : 𝐸𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛 =ℎ𝜈=ℎ𝑐
𝜆 ,𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛 =𝑚0𝑒𝑐2−𝐵𝐸 𝑒 ;

Final : 𝐸𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛 =ℎ𝑐
[𝜆+Λ𝑐(1−𝑐𝑜𝑠𝜃 )] ,𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛 =𝑚0𝑒𝑐2+𝑚𝑣𝑒2
2 ;

Morala : Δ𝐸𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛 = 𝐸𝑐 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛 +𝐵𝐸 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛 ,

unde 𝐸𝑐 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛 este energia cinetica a electronului expulzat si 𝐵𝐸 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛
energia de legatura a acestuia in atom.

Generarea de perechi (http://www.phys.ubbcluj.ro/~grigore.damian/cursuri/pe/curs4.pdf )
Fenomenul a fost descoperit odata cu descoperirea antiparticulei electronului
in anul 1932 de catre Carl David Anderson, cel care ulterior a denumit aceasta
particula pozitron. Pozitronul a fost descoperit la trecerea de radiatii cosmice prin
„camera cu ce ata”. Daca cuanta de radiatie 𝛾 are energia
𝐸𝛾≥1.022 [𝑀𝑒𝑉 ] ,
generarea de perechi devine posibila, respectandu -se legile coservarii energiei
prin conversia energiei in masa descrisa de relatia lui Einstein
𝐸=𝑚𝑐2 .
Masa efectiva 𝑚, in cazul in care fotonul 𝛾 are energia
𝐸𝛾=1.022 [𝑀𝑒𝑉 ] ,
va fi 𝑚0𝑒, care este masa de repaus a electronului li ber si este egala cu cea a
antiparticulei asociate, ele corespunzand valorii energiei
𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛 =𝐸𝑝𝑜𝑧𝑖𝑡𝑟𝑜𝑛 =𝑚0𝑒𝑐2=0.511 [𝑀𝑒𝑉 ] .

Daca energia este mai mare, surplusul va fi transformat in energie cinetica si
fiecare particula va avea o anumita viteza, iar masa efectiva va fi
𝑚=𝑚0𝑒
√1−𝑣2
𝑐2 .
Generarea de perechi se poate petrece doar in prezenta unui camp
coulumbian -nuclear astfel incat sa se asigure conservarea impulsului in interactiunea
fotonului cu nucleul , iar dupa generare particulele se vor anihila reciproc
𝑒−+𝑒+→2𝛾 ,
si cele 2 cuante 𝛾 vor avea
𝐸𝛾=0.511 [𝑀𝑒𝑉 ] .

Efectul Cerenkov (J.D.Jack son-„Electrodinamica clasica” ,Editura Tehnica,1991 )
Prima oara a fost observata o stralucire albastruie in fluidele care contin o
anumita concentratie de radiu , in anul 1900 de catre Pierre Curie si Marie Curie.
Efectul Cerenkov a fost denumit dupa fizicianul Pavel Alexeevich Cherenkov care a
observat cauzele acestui fenomen in anul 1934 , intr-un experiment de laborator in
care a folosit un vas cu lichid, o oglinda , o sursa 𝛾 si o placa fotografica.
Cuantele 𝛾 ciocnesc prin efect compton un electron care este expulzat din
atom in lichid cu o viteza mai mare decat viteza luminii in lichidul respectiv. Desi
teoria relativitatii postuleaza ca viteza luminii in vid este o constanta si nu exista
viteza mai mare de t ransmitere a interactiunii, este bine cunoscut ca in alte medii
lumina are viteza semnificativ mai mica decat 𝑐, spre exemplu in apa se propaga cu
0.75𝑐. Electronul expulzat ( ca orice alta particula cu sarcina electrica) cand trece prin
acel lichid care este un dielectric, cu viteza mai mare decat viteza de faza a luminii in
dielectricul respectiv , va deplasa si polariza electronii din atomii constituenti ai
mediului prin care se propaga. Campul electromagnetic perturbat al electronilor din
dielectric can d revine la echilibru, pentru a emana surplusul de energie emite fotoni.
Radiatia electromagnetica emisa era reflectata prin intermediul oglinzii pe o
placa fotografica pentru interpretari. Ea a fost denumita ulterior radiatie Cerenkov si
cel caruia ii po arta numele a descoperit ca ea respecta urmatoarele legi :
1. Intensitatea luminoasa este pro portionala cu lungimea drumului electronului
prin mediul respectiv.
2. Lumina apare numai la trecerea electronilor cu energii mai mari, care au
depasit o anumita viteza de parg.
3. Emisia luminii este spontana si aceasta este polarizata.
4. Spectrul lungimilor de unda al luminii emise este continuu.

5. Distributia unghiulara a fotonilor produsi din aceeasi urma incarcata
depinde de indicele de refractie al mediului respectiv ( 𝑛) si de viteza electronului in
unitati ale vitezei luminii ( 𝛽) in felul urmator:
cos(𝜃)=1
𝑛𝛽 ,𝛽=𝑣𝑒
𝑐 ,𝑛=𝑐
𝑐𝑀 ,
𝑐𝑀 este vit eza luminii in mediul respectiv;
Datorita dependentei 𝑛=𝑛(𝜆) apare o difuzie de unghiuri 𝜃 care genereaza o
aberatie cromatica in t impul masurarii unghiului mediu;
Energia emanata de particula incarcata sub forma de radiatie Cerenkov pe
unitatea de lungime in functie de lungimea de unda este:
𝑑𝐸
𝑑𝑥=(𝑍
𝑐)2
∫2𝜋𝑐
𝜆(1−1
𝛽2𝜀𝑟(𝜆))𝑑𝜆
𝜀𝑟(𝜆)>𝛽−2 ,
𝜆 este lungimea de unda, 𝜀𝑟(𝜆)=𝑛2 presupunand ca permeabilitatea
magnetica relativa este 𝜇𝑟(𝜆)=1, 𝜀𝑟(𝜆) permitivitatea electrica relativa, 𝑍 este
numarul de sarcini elementare ale particulei incarcate;
𝑛2=𝜀𝑟(𝜆)𝜇𝑟(𝜆) rezulta din:
𝑐=1
√𝜀0𝜇0 ,𝑐𝑀=1
√𝜀𝜇 ,𝜀=𝜀0𝜀𝑟 ,𝜇=𝜇0𝜇𝑟 ;

Partea relevanta din spe ctrul electromagnetic al cuantelor emise este
curpinsa in intervalul energetic 1.5−9.2 𝑒𝑉 (135 −800 𝑛𝑚), iar numarul de fotoni
produsi de o particula incarcata electric cu numarul sarcina 𝑍 care strabate lungimea
𝐿 este dat de ecuatia :
𝑁𝑓𝑝=(𝛼
ℎ𝑐)𝑍2𝐿∫𝑠𝑖𝑛2(𝜃)𝑑𝐸𝑓 ,
unde 𝛼
ℎ𝑐 =370 𝑒𝑉−1𝑐𝑚−1, 𝐸𝑓= ℎ𝑐
𝜆 .
Bazele teoretice de la punctul (5.) au fost puse de colegii sai de laborator Ilya
Frank si Igor Tamm care au dezvoltat teoria efectului Cerenkov in 1937 folosind
ecuatiile lui Maxwell in concordanta cu legile de conservare ale energiei.
S-a observat ca unghiul Cerenkov atinge un maxim pentru fiecare mediu
dielectric folosit si peste o anumita valoare a momentului particulei incarcate el nu
mai creste. De exemplu:
La Aerogel , 𝜃𝑐=242 [𝑚𝑟𝑎𝑑 ], care este unghiul maxim observat;

Gaz de 𝐶4𝐹10, 𝜃𝑐=53 [𝑚𝑟𝑎𝑑 ];
Gaz de 𝐶𝐹4, 𝜃𝑐=32 [𝑚𝑟𝑎𝑑 ].
O caracteristica importanta a unui fascicul de radiatii este puterea lui de
ionizare, insemnand numarul de perechi de ioni produsi pe unitatea de parcurs intr –
un mediu. De exemplu in aer o particula 𝛼 avand energi a de 1−2 𝑀𝑒𝑉 produce
aproximativ 40 000 perechi de ioni pe micron parcurs, in timp ce particulele 𝛽 de
aceeas i energie produc o ionizare mult mai slaba (cam de 100 ori), iar fotonii 𝛾
produc o ion izare de circa 100 ori mai slaba deca t particulele 𝛽.
Puterea de patrundere (parcursul total prin materie sau duritatea ) a radiatiilor
este invers proportionala cu puterea lor de ionizare, de aceea particulele 𝛼 de 2−
3 𝑀𝑒𝑉 patrund doar cateva zeci de microni in substanta, ele pot fii oprite de o foaie
de hartie. Particulele 𝛽 deoarece au o putere de ionizare mai mica, depun mai putina
energie in material pe unitatea de lungime si astfel au o putere de patrundere
proportional mai mare, ele pot strabate la o energie de 1−2 𝑀𝑒𝑉 un strat de
aluminiu d e 2−3 𝑚𝑚 grosime. Cuantele 𝛾 de aceeasi energie au o putere de
patrundere mult mai mare, iar parcursul teoretic prin materie este infinit, dar se
observa ca strabat cateva zeci de metri prin aer (in conditii normale), sau cativa
centimetri prin plumb, d upa care ajung la nivelul de intensitat e al radiatiilor cosmice.
Duritatea este proportionala cu energia particulelor incidente (pentru particule
de acelasi fel), iar numarul efectelor produse este proportional cu intensitatea
radiatiei influente (numarul de particule care strabat unitatea de arie in unitatea de
timp), dar si cu energia acesteia cu o variatie mai lenta.

2.1.2. Detectori de radiatii nucleare (E.Badarau,I.Popescu -„Gazeionizate” ,Editura
tehnica ,1965
M.Oncescu -“Fizica" ,Ed.di dactica si pe dagogica ,1975
D.Poenaru,N.Vîlcov -"Masurarea radiațiilor nucleare cu dispositive semiconductoare",Ed.Academiei,1967
K.Mihin -"Fizica nucleara experimentala ",Ed.Tehnica,1982
https://en.wikipedia.org )

Detectorii de radiatii nucleare sunt sisteme fizice care prin componenta lor,
pot pune in evidenta existenta radiatiilor nucleare si perm it determinarea unor
parametrii de natura calitativa sau cantitativa cum sunt : energia particulelor, masa,
numarul de particule si alte marimi derivate, specifice aplicatiei i n care sunt folosite.
Procesul de detectie se bazeaza pe convertirea particulei incidente pe
suprafata activa a detectorului in semnal electric sub forma de sarcina electrica sau
tensiune electrica . Detectorul poate fi impartit in 2 parti constituente , una dintre parti
fiind volumul de detectie, care este construit dintr -un mediu in care radiatia nucleara
produce un efect specific si o a 2 -a parte, sistemul care inregistreaza efectul produs
de particula prin amplificarea si prelucrarea semnalului obtinut.

Baza fundamentala a procesului de detectie este faptul ca energiile implicate
sunt cel putin mai mari decat energiile de legatura a electronilor in atom ul substantei
active a detectorului.
Particulele componente ale radiatiilor ionizante pot fi detectate direct sau
indirect. Cele cu sarcina electrica sunt detectate direct, ele producand ionizari si
scintilatii, iar cele neutre d in punct de vedere electric, indirect prin efecte optice
(scintilatii, luminescenta), chimice (radiocatalizarea sau influenta cin eticii reactiilor),
fotochimice (impresionarea emulsiilor fotografice) . Spre exemplu f otonii scot
electroni din material prin efect foto -electric, efect compton sau generare de perechi ,
care produc ionizare. Neutronii produc reactii nucleare din care apar particule
incarcate care fac ionizari.
Detectorul daca este iradiat, particulele care il strabat vor produce o ionizare a
mediului activ care il umple. Electronii si golurile (sau pozi troni in diferite cazuri:
iradiere 𝛽+, generare de perechi ) formate , se deplaseaza in sensuri contrare sub
actiunea ca mpului electric format de diferenta de potential dintre electrozii
detect orului, ajung la electrozi, crea za un impuls electric , care este amplificat si
inregistrat de sistemul electronic asociat mecanismului de detect ie. Acest curent
creat prin ionizarea mediului activ din detector este cu atat mai mare , cu cat numa rul
perechilor formate la trecerea radiat iilor prin dete ctor este mai mare, dar el depinde
si de tensiunea aplicata electrozilor detectorului . Daca tensiunea aplicata este mica
creste riscul recombinarilor, iar perechile recombinate nu vor mai putea fi
inregistrate.
Parametrii esentiali in detectia radiatiilor ai oricarui detector de radiatii sunt:
Eficienta – fractiunea din radiatia emisa care este inregistrata de detector si
are 2 componente: eficienta intrinseca ( procentul de cuante care interactioneaza cu
volumul de detectie din cele care il strabat ) si eficienta geometrica (unghiul solid sub
care este analizata sursa);
Sensibilitatea – numarul m inim de particule detectate pentru o anumita
radiatie, in prezenta zgomotelor si semnalelor cauzate de o alta radiatie;
Timpul de raspuns – diferenta intre momentul in care cuanta de radiatie
interactioneaza cu materialul sensibil al detectorului si moment ul in care afiseaza
semnalul corespunzator;
Rezolutia energetica – precizia pe care o are detectorul in a masura energia si
capacitatea de a discerne intre diferite tipuri de particule pentru un fascicul
monoenergetic dat;
Timpul mort – intervalul de timp cel mai scurt care il permite detectorul intre 2
inregistrari succesive. Aceasta caracteristica este data printr -o valoare medie;
Functia de raspuns – relatia dintre energia initiala a cuantei si intensitatea
impulsului de iesire . Pentru detectorii spectro metrici impulsul creste liniar cu energia
depozitata in mediul de detectie. Pentru contoare (numaratori) impulsul este acelasi
independen t de caracteristicile radiatiei.

Puterea de patrundere a diferitelor radiatii determina s i dimensiunile
detecto rilor, drept consecinta, detectorii pentru radiatii 𝛼 au o distanta intre electrozi
de numai cativa milimetri, iar substanta activa trebuie introdusa chiar i n interiorul
detectorului. Detectorii pentru radiația 𝛽 au lungimi de aproximativ 10−20 𝑐𝑚 pentru
a se putea forma un numar suf icient de ioni i n volumul activ al detectorului , iar
detecto rii pentru radiat ii 𝛾 de mari energii pot avea lungimi de peste 1 𝑚.
Detectorii de radiatii nucleare pot fi clasificati dupa mecanismul de interactie
astfel :
a. Detector i cu ionizare in:
a.1. Gaz:
Mediul activ este alcatuit din gaze nobile sau hidrocarburi. Detectorii bazati pe
ionizarea gazelor se compun din doi electrozi plan paraleli sau coaxiali, pe care se
aplica o diferenta de potential continua. Intre acesti doi electrozi se introduce mediul
activ, astfel formand de fapt un condensator electric avand ca dielectric un gaz. Ei nu
sunt buni pentru a face spectrometrie, sunt utilizati doar pentru a detecta prezenta
radiatiei.
Cele mai cunoscute exemple de astfel de detectori sunt camera de ionizare,
contorul Geiger Muller si camera cu ceata, care mai este cunoscuta si sub numele
de camera Wilson.
Camera de ionizare este o incinta sigilata, umpluta cu un gaz aflat in conditii
normale de temperatu ra si presiune, de forma cilindrica, avand 2 electrozi plan –
paraleli. Cei 2 electrozi sunt la distanta de 3−6 𝑐𝑚 unul de celalalt , avand aplicata o
tensiune electrica intre ei de maxim 400 𝑉 (de obicei pana in 200 𝑉, acesta fiind
regimul de functionare al camerelor de ionizare , intre 200 −400 𝑉 este un palier de
saturatie unde numarul de ioni nu mai creste proportional cu tensiunea aplicata ),
formand un condensator plan.
In lungul traictoriei radiatiei care strabate gazul camerei se produc ioni pozitiv i
si electroni. Curentul rezultat din ioni zare este amplificat si masurat fiind proportional
cu numarul perechilor de sarcini care se produc in unitatea de timp. Numarul de
sarcini depinde de natura si energia cinetica a particulelor radiatiiei.
Camera de ionizare necesita folosirea unui sistem de inregistrare mai
sofisticat, deoarece curentul obtinut este mic, acest lucru fiind un dezavantaj.
Contorul Geiger Muller este alcatuit dintr -un tub de sticla sau metalic, in care
sunt introdusi 2 electrozi si un g az. In general ambii electrozi sunt cilindrici, anodul (+)
un fir metalic subtire in general din wolfram, care serveste drept ax tubului
catodului( -). Catodul este un strat conductor depus pe interiorul cilindrului de sticla
sau daca cilindrul este metalic, el va fi direct catodul . Ionii pozitivi sunt colectat i de
catod, iar electronii de anod. Ca rezultat în c ircuitul detectorului apare un impuls
electric d e durata mica, care se anuleaza atunci cand tot i electronii ajung la anod.
In domeniul de lucru al detectorului Geiger Muller ( 800 −1200 𝑉 in cele mai
frecvente cazuri), amplitudinea impulsurilor nu depinde nici de natura particulei

incidente , nici de energia acesteia, deoarece se produce o saturare a mu ltiplicarii i n
gaz (descarcari in avalansa si aval anse secundare) care duce practic la amplificarea
tuturor impulsurilor, respectiv inmultirea numarul ui de ioni formati prin multiplicare in
gaz, la o aceeasi valoare finala de saturat ie.
Frecventa de numarare a detectorului creste proportional cu tensiune a,
atingand un palier de saturatie, care daca este depasit apare o crestere mai rapida a
vitezei de numarare, dar in acest stadiu cres te proportional deteriorarea electrozilor.
Contorul Geiger Muller are timp de viata limitat, el poate masura 108−109 impulsuri ,
dupa care caracteristica se altereaza treptat.
Tensiunea de lucru fiind mare, da avantajul ca semnalul obtinut are o
amplitudine intre 1−10 𝑉 sau chiar mai mare si poate fi inregistrat direct, fara
amplificare prealabila, dar in acelasi timp d ezavantajul ca particulele pot fi doar
numerotate fara a se putea determina alte propietati ale acestora.
In aceeasi parametri functioneaza si detectoarele proportionale, dar in
domeniul 400 −600 𝑉 (uneori pana in 800 𝑉) unde amplitu dinea impulsului
"multiplicat" in gaz ramane proportionala cu numarul de ioni formati initial in gaz s i
deci (aproximativ proportionala ) cu energia particulei ioniza nte init iale. In cazul
acestora se pot determina si alte propietati a le radiatiei .
Camera cu ceata este un mediu sigilat care contine vapori de apa sau alcool
raciti mult sub temperatura de solidificare . Cand particulele 𝛼 sau 𝛽 interactioneaza
cu vaporii, acestia se ionizeaza si ionii rezultati au comportament de nuclee de
condensare, in jurul carora se form eaza ceata. Daca energiile sunt destul de mari,
particulele vor lasa urme datorita faptului ca produc multi ioni pe drumul parcurs.
Formele sunt diferite, pentru 𝛽 sunt mai subtiri, cu semne de mici devieri, iar pentru
𝛼 largi si drepte.
La aplicarea un ui camp magnetic vertical , particulel e cu sarcini electrice
opuse vor avea traictorii curbate in directii contrare. Urmele lasate la trecerea
particulelor prin vapori pot fi fotografiate la o iluminare laterala, si se pot caracteriza
prin grosimea si continuitatea lor , care sunt proportionale cu puterea de ionizare
specifica.
a.2. Lichid:
Mediul activ cel mai des intalnit este hidrogen lichid supraincalzit, (sau un
lichid transparent), care detecteaza particulele incarcate electric prin faptul ca se
formeaz a bule de gaz pe traictoria radiatiilor care il strabat, in momentul cand
acestea ionizeaza atomii respectivi. Ei nu sunt folositi in spectrometrie.
Camera cu bule este cel mai bun exemplu de astfel de detector cu ionizare in
mediu lichid. Ea este de obicei un tub cilindric umplut cu hidrogen lichid, care este
adus in stare de fierbere si un piston ii reduce presiunea brusc astfel incat intra intr -o
stare de spraincalzire metastabila. In aplicatii si ca principii de baza este similara
camere i Wilson. Particulele care strabat incinta ionizeaza moleculele lichidului prin
diferite efecte ,acestea se evapora si formeaza bule de gaz microscopice pe urma
deplasarii acestora.

Se monteaza cateva camere de fotografiat (cu rezolutii pana la micron) in jurul
ei pentru a face poze si cu ajutorul acestora interpretari . Imaginea obtinuta este
tridimensionala. Densitatea de bule este proportionala cu energia depusa de
particula in lichid. Mediul este supus unui camp magnetic constant, de aceea
particulele i ncarcate vor avea traictorii spiralate si in sensuri diferite in functie de
sarcina cu o raza bine determinata de raportul
𝑟𝑝=𝑚𝑝𝑣𝑝
𝑞𝑝𝐵𝑎 ,
𝑚𝑝 este masa particulei incarcate, 𝑣𝑝 viteza acesteia, 𝑞𝑝 sarcina care o are,
iar 𝐵𝑎 inductia campu lui magnetic aplicat.
Relatia de mai sus a rezultat din egalarea fortei Lorentz cu forta centripeta
𝐹𝐿=𝑞𝑝𝑣𝑝𝐵𝑎=𝑚𝑝𝑣𝑝2
𝑟𝑝=𝐹𝑐𝑝 ,
Ea poate fi folosita pentru determinarea unor propietati ale particulelor cum ar
fi impulsul acestora.
a.3. Solid :
Substanta activa a acestor detectori este germaniul (𝜌𝑔𝑒𝑟𝑚𝑎𝑛𝑖𝑢 =0.6 Ω𝑚) sau
siliciul (𝜌𝑠𝑖𝑙𝑖𝑐𝑖𝑢 =103 Ω𝑚) in cele mai utilizate cazuri, ei fiind semiconductori intrinseci.
Semiconductorii sunt materiale care au rezistivitatea electrica cuprinsa intre cea a
conductorilor ( 𝜌𝑐𝑢𝑝𝑟𝑢 =10−8 Ω𝑚) si cea a izolatorilor ( 𝜌𝑐𝑢𝑎𝑟𝑡 =1012 Ω𝑚).
Donor sau impuritate de tip n, este un atom pentavalent, care pus in ret ea cu
alti atomi cu 4 electroni de valenta , formeaza 4 legaturi (de exemplu f osforul) si
ramane un electron slab legat pe un nivel energetic mai apropiat de banda de
conductie.
Acceptor sau impuritate de tip p, este un atom trivalent (cum ar fi borul) , care
pus in retea cu alti atomi cu 4 electroni de valenta, formeaza 3 legaturi cu electronii
sai si o a 4 -a cu un electron „imprumutat” de la un alt atom din retea, astfel se
formeaza un gol in banda de valenta.
Unirea a 2 suprafete care apartin, una semiconductorului dopat p si alta
semiconductorului dopat n se numeste jonctiune p -n.
Rezistivitatea este influentata de concentratia electronilor liberi (𝑛𝑛) si a
golurilor (𝑛𝑝) si de mobilitatile acestora ( 𝜇𝑛 respectiv 𝜇𝑝)
𝜌=1
𝑒(𝑛𝑛𝜇𝑛+𝑛𝑝𝜇𝑝) ,
𝑛𝑛=𝑁𝑐𝑒𝑥𝑝 (−𝐸𝑐−𝐸𝑓
𝑘𝑇) ,𝑛𝑝=𝑁𝑣𝑒𝑥𝑝 (−𝐸𝑓−𝐸𝑣
𝑘𝑇) ,
𝐸𝑐 – energia limitei inferioare a benzii de conductie;

𝐸𝑣 – energia limitei superioare a benzii de valenta ;
𝐸𝑓 – energia nivelului fermi;
𝑁𝑐 si 𝑁𝑣 densitatile de stari din banda de conductie respectiv cea de valenta;
𝑒 – sarcina elementara, 𝑘 – constanta bol tzmann, 𝑇 – temperatura absoluta;
Detectorul contine o jonctiune p -n supusa unei diferente de potential si cand
volumul sensibil interactioneaza cu radiatia prin efect fotoelectric intern se
genereaza goluri in banda de valenta si electroni in banda de co nductie. Ei vor fi
colectati ca urmare a scaderii rezistivitatii jonctiunii si transformati in semnal.
In functie de numarul de perechi gol -electron formate, vor fi energii diferite
pentru impulsurile inregistrate care sunt proportionale cu energia particu lelor
nucleare inregistrate conform relatiei Bethe pentru pierderea de energie:
−𝑑𝐸
𝑑𝑥𝐸=𝐶×𝑀×𝑍2 ,
𝐶 – este o constanta si depinde de material,
𝑍 – numarul de sarcina, 𝑀 – masa particulei.
Sunt 4 cele mai intalnite tipuri de astfel de detectori:
Bariera de suprafata (SSB – „Silicon Surface Barier”) – monocristale din siliciu
subtiri dopate tip n cu rezistivitate mare, pe fetele cariua sunt depuse 2 contacte de
aur si aluminiu;
Diode PIN – suprapunerea a 3 straturi semiconductoare, unul dopat cu
impuritati de tip p, unul intrinsec la mijloc si altul dopat tip n;
Detectori 𝑆𝑖(𝐿𝑖) sau 𝐺𝑒(𝐿𝑖) – prin difuzarea atomilor de litiu in reteaua
cristalina a semiconductorului de tip p, ei cedeaza un electron in banda de conductie
si devin ioni. Se mai nume sc si detectori pe baza de drift de atomi de litiu;
Detectori 𝐺𝑒𝐻𝑃 sau 𝑆𝑖𝐻𝑃 – au puritatile cele mai inalte, nu necesita racire
permanenta si in cazul germaniului atinge cele mai bune rezolutii.
Datorita rezolutiilor bune ale acestor detectori, acestia sunt folositi pentru
spectrometrie in cercetare si alte aplicatii. Pentru siliciu ( 𝑆𝑖) avem largimea la semi –
inaltime (FWHM) de ordinul a 40 𝑘𝑒𝑉, iar la germaniu hiperpur ( 𝐺𝑒𝐻𝑃 ) are valori de
1−2 𝑘𝑒𝑉.
b. Detectori cu emisie/conversie de lu mina :
b.1. Fotomultiplicatori : (https://es.wikipedia.org/wiki/Fotoc%C3%A1todo )
Locul unde se produce interactiunea radiatiei ionizante cu substanta si poate
fi inregistrata este chiar suprafata fotocatodului. Acesta este un metal cum ar fi
cesiu, antimoniu sau sodiu depus pe o baza de cuart sau sticla, care este sensibil la
lumina si incepe sa emita electroni proportional cu fluxul luminos aplicat.

In interiorul fotomultiplicatorul este aplicat un camp electric care directioneaza
electronii catre un anod, dupa ciocnirea succesiva in mai multe dinode pentru
amplificarea semnalului electric pentru a putea fi inregistrat. El este un tub vidat
pentru ca electronii expulzati din material sa poata fi acelerati de catre campul
electric spre dinode. Prin ciocnirea in dinoda, energia cinetica este depusa si vor fi
scosi din material alti electr oni, iar totalul de electroni va fi accelerat in camp electric
catre urmatoarea dinoda si tot asa pana la anod.
Numarul de dinode si tipul de aranjament al acestora in interiorul sistemului
depinde tipul si modelul fotomultiplicatorului. Ei pot fi folositi pentru spectroscopie,
dar acopera o parte foarte mica din spectrul electromagnetic, cum ar fi spectrul vizibil
si putin inafara lui.
b.2. Detectori Cerenkov: (Warwick_week_Pid_Lecture_2011_pdf )
Materia prima din care se sintetizeaza substanta activa a acestor detectori
este orice mediu care are indice de refractie . Metoda de cuantificare a energiilor este
bazata pe efectul Cerenkov. Principalele componente ale unui detector Cerenkov
sunt: un mediu radiator ( radiator – „Un obiect care radiaza ori emite lumina, caldura
sau zgomot ”), un foto multiplicator sau un fotodetector , oglinzi si lentile. Radiatorul
este pentru a produce fotoni in urma interactiei cu particulele incarcate electric,
oglinzile si lentilele pentru a ajuta la tran sportul acestora catre fotomultiplicator,
pentru a fi detectati.
Fotodetectorii folositi pot fi pe baza de gaz, incinta vidata sau mediu solid.
Oglinzile reflecta fotonii cu un coeficient de relfexie
0<𝑅(𝐸𝑓)<1 ,
care sunt transmisi printr -o fereastra de cuart cu un coeficient de transmisie
0<𝑇(𝐸𝑓)<1 ,
iar apoi sunt detectati de un fotodetector care are o eficienta efectiva
0<𝑄(𝐸𝑓)<1 ,
de aici rezulta ca numarul de fotoni detectati va fi:
𝑁𝑓𝑑=(𝛼
ℎ𝑐)𝑍2𝐿∫𝑅𝑇𝑄 𝑠𝑖𝑛2(𝜃)𝑑𝐸𝑓=𝑁0𝐿𝑠𝑖𝑛2𝜃𝑐.
La fiecare detector 𝑁0 difera, spre exemplu 𝑁0=200 𝑐𝑚−1 este o valoare
buna. Rezolutia detectorilor se masoara in Δ𝛽
𝛽 , spre exemplu cu un radiator din gaz
in 1980 a fost obtinuta rezolutia Δ𝛽
𝛽= 2.3×10−5.
Detectori Cerenkov se despart in 2 categorii: contoare de prag si contoare de
imagistica.

Contoarele de prag Cerenkov produc semnal doar pentru particulele care au
depasit pragul. Versiunea primara a acestor contoare putea doar cuantifica numarul
de particule incarcate electric. Versiunile mai avansate folosesc numarul de
fotoelectroni sau un puls calibrat in inaltime pentru a discrimina tipurile de particule
intre ele. Cu acest tip de detector a fost descoperit intr -un experiment in anul 1955
anti-protonul de catre fizicienii Emilio Segree Owen Chamberlain
Pentru un detector tipic cu 𝑁0=90 𝑐𝑚−1 vom avea
𝑁𝑓𝑝=𝑁0𝑚12−𝑚22
𝑝2−𝑚12 [𝑐𝑚−1],
unde 𝑚1,𝑚2 (masele particulelor) ≪𝑝 (momentul ),
spre exemplu:
𝑝=1 𝐺𝑒𝑣
𝑐→𝑁𝑓𝑝=16 [𝑐𝑚−1] pentru pioni →𝑁𝑓𝑝=0[𝑐𝑚−1] pentru kaoni
𝑝=5 𝐺𝑒𝑣
𝑐→𝑁𝑓𝑝=0.8 [𝑐𝑚−1] pentru pioni →𝑁𝑓𝑝=0[𝑐𝑚−1] pentru kaoni
Rezolutia lui se obtine din relatia
Δ𝛽
𝛽=𝑡𝑎𝑛2(𝜃)
2×√𝑁𝑓𝑝 .
Ei pot fi folositi intr -un domeniu vast de masura, cum ar fi detectia particulelor
secundare rezultate din bombardarea unei tinte fixe sau dintr -un collider (collider –
„Un accelerator in care 2 fascicule de particule sunt facute sa se ciocneasca”) .
Contoarele de imagistica Cerenkov se impart in 3 categorii: detectori
Cerenkov diferentiali, detectori Cerenkov inelar i cu imagistica („ring imaging
Cherenkov detectors” – RICH) si detectori pentru lumina reflectata pe plan intern
(„Detector for internally reflected light” – DIRC).
Detectorii diferentiali Cerenkov au un interval ingust in [𝛽,𝛽+Δ𝛽] si gama de
directii acceptate foarte mica (directia particulei trebuie sa fie aproape cea
considerata si vitezele particulelor detectate sunt cuprinse intr -un interval scurt ).
Se masoara unghiul Cerenkov ( 𝜃) si dupa aceea se determina 𝛽. Rezolutia va
fi obtinuta dupa efectuarea calculul ui
Δ𝛽
𝛽=𝑚12−𝑚22
2𝑝2=𝑡𝑎𝑛(𝜃)×Δ𝜃𝑐 .
Sunt c el mai des folosite pentru identificarea par ticulelor in linia fascicolului.
La valori ridicate ale momentului, pentru obtinerea unor rezolutii mai bune, se
foloseste ca radiator un gaz, care are indice de refractie mai mic decat cei solizi.
Incinta cu radiatorul trebuie sa fie indeajuns de lunga pentru a obtine suficient
semnal in detector .

Pentru a compensa aberatiile cromatice datorate dependentei energetice a
indicelui de refractie sunt folosite lentile de -a lungu l drumului fotonilor. Rezolutiile
care pot fi obtinute la acesti detectori se afla in intervalul :
Δ𝛽
𝛽∈[4×10−6,1.1×10−2] .
Detectorii RICH masoara simultan ambele marimi, unghiul Cerenkov si
numarul de fotoelectroni detectati. Datorita acest ui avantaj poat e fi folosit in
identificarea particulelor pe suprafete mari, dar necesita fotodetectori foarte scumpi
si performanti, cu capacitatea de a identifica un singur foton.
Rezolutia acestui detector este
Δ𝛽
𝛽=𝑡𝑎𝑛(𝜃)×Δ𝜃𝑐=𝑘 ,
unde
Δ𝜃𝑐=<𝜃𝑐>
√𝑁𝑓𝑝+C ,
iar <𝜃𝑐> este rezolutia medie pentru un singur foton in interiorul inelului si C
este contriubutia errorilor de la sistemul de urmarire, de aliniere si poate altele.
De exemplu , pentru un radiator cu gaz 𝐶𝐹4 de 1.4 𝑚 lungime in ?conditii
stabile de temperatura si presiune ?(STP) , avem un detector cu 𝑁0=75 𝑐𝑚−1 va
avea 𝑘=1.6×10−6.
Acest tip de detectori Cerenkov obtin rezolutii mult mai bune decat contoarele
de prag si cu factor cel putin 2 mai bune fata de cei diferentiali, datorita faptului ca
masoara concomitent unghiul 𝜃 si numarul de fotoelectroni.

b.3. Scintilatori: (http://www.rexon.com/scintdetector.htm ,
http://www.horiba.com/uploads/media/RE09 -18-098_03.pdf )
Mediul in care interactioneaza radiatia ionizanta este facut din substante
organice sau anorganice, aflate in stare gazoasa, lichida sau solida, in cele mai
intalnite cazuri fiind sticla sau plasticul. In aceste cristale se produc scintilatii (emisie
de fotoni in urma ionizarii) la baza carora sta fenomenul de fluorescenta. In f unctie
de cristal mai poate aparea si fenomenul de fosforescenta sau fluorescenta
intarziata. Lumina produsa este transmisa unui fotomultiplicator in general. Acest
mediu scintilator este folosit pentru a masura si alte radiatii ionizante inafara de
cuante le 𝛾 sau intr -o alta portiune a spectrului electromagnetic cu energii mai mari,
decat poate fotomultiplicatorul.
Un exemplu bun de cristale scintilatoare cu parametrii lor este tabelul urmator:

Material 𝑁𝑎𝐼 (𝑇𝑙) 𝐶𝑠𝐼(𝑇𝑙) 𝐵𝑖4𝐺𝑒3𝑂12
Densitate [𝑔
𝑐𝑚3] 3.67 4.51 7.13
Constanta de timp
[𝑛𝑠] 230 1000 300
Lungimea de unda a
luminescentei [𝑛𝑚] 420 565 480
Intensitate luminoasa
relativa [%] 100 45 7-10
Indice de refractie 1.85 1.79 2.15

Scintilatorii acopera spectrul energetic de la 10 𝑘𝑒𝑉 la 25 𝑀𝑒𝑉 si pot fi folositi
in spectrometrie, dar rezolutiile cele mai bune au fost atinse de detectorii cu
semiconductori. Un exemplu de substante anorganice care pot compune cristalul
unui scintilator in cazul masurarii fotonilor 𝛾 de mar i energii sunt iodura de sodiu
(𝑁𝑎𝐼) si iodura de cesiu (𝐶𝑠𝐼).

2.2. Detectori de natriu -iod cu scintilatie
2.2.1. Istoric (http://www.horiba.com/uploads/media/RE09 -18-098_03.pdf )

In anul 1948 s -a observat o scintilatie puternica intr -un cristal de iodura de
sodiu ( 𝑁𝑎𝐼), in volumul caruia a fost difuzata o urma de taliu ( 𝑇𝑙), in urma interactiei
cu radiatiile ionizante. La scurt timp d upa aceea cristalul de 𝑁𝑎𝐼 (𝑇𝑙) a inceput sa fie
produs si dezvoltat pentru a fi folosit in spectrometrie.
La inceput au fost folosite cristale cu diametre intre 2.5 – 8 𝑐𝑚 ca detectori
pentru experimente in fizica nucleara, masuratori ale radiatiilor ambientale in zona
uzinelor nucleare si alte aplicatii. Dupa aceea au inceput sa se produca cristale tip
mozaic, datorita cerintei de cristale cu diametre cat mai mari.
In anii 1970 au inceput sa se produca placi de 𝑁𝑎𝐼 (𝑇𝑙) pentru masurarea
surselor gamma (Gamma Plate), ajungandu -se pana in prezent la placi de 78 𝑐𝑚 in
diametru si cu o greutate de 500 𝑘𝑔.

2.2.2. Prelucrarea cristalului de 𝑁𝑎𝐼 (𝑇𝑙)

Cristalul de 𝑁𝑎𝐼 (𝑇𝑙) este fabricat prin metoda Bridgeman -Stockbarger,
cunoscuta si sub numele de metoda tragerii in jos. Aceasta metoda implica umplerea
unui creuzet (vas facut dintr -un mat erial rezistent la caldura folosit pentru reactii
chimice la temperaturi mari) cu materiile prime necesare si se topesc la o

temperatura ridicata, iar apoi se solidifica , dupa ce se scurg incet in jos in zona de
racire.
Figura urmatoare este o imagine sugestiva a cuptorului :

Materialele trebuie depozitate in conditii complet uscate, cu ele se umple
creuzetul si se pune 0.1% ratie molara de taliu la final, care este activatorul
fenomenului de scintilatie. Creuzetul se pune in cuptorul de cristalizar e, dar inainte
de pornirea procesului se efectueaza deshidratarea si vidarea, ele fiind foarte
importante in determinarea calitatii optice a cristalelor scintilatoare.
Urmatorul proces este cel de crestere al temperaturii unde se incalzeste
cuptorul la ap roximativ 700 0𝐶 pentru topirea completa a materialelor de interes.
Materialele ajunse in stare lichida coboara printr -un sistem de scurgere in zona de
racire a cuptorului, unde se va solidifica intai la suprafata, iar dupa aceea va
cristaliza cu totul.
Topirea necesita o perioada de procesare de circa 30 de zile cu o tehnologie
performanta de gestionare a temperaturii . Lingoul rezultat incapaciteaza o mare
cantitate de caldura , deoarece are o masa de la 240 𝑘𝑔 la 500 𝑘𝑔 si devine un lingou
de cristal dupa inca o luna de normalizare.

Prin prelucrare mecanica, lingoul de 𝑁𝑎𝐼 (𝑇𝑙) este taiat, dupa care i se da o
forma, apoi se slefuieste si lustruieste suprafata. La final placa rezulata este
etansata intr -o carcasa. Toate aceste procese se efectueaz a intr -o incapere uscata
unde umiditatea este ajustata la minim si la o temperatura de −30 0𝐶 deoarece 𝑁𝑎𝐼
este deliquescent (procesul prin care o substanta absoarbe apa din atmosfera pana
se dizolva intr -o solutie).

2.2.3. Modificarile aduse pentru functionarea ca detector

Lumina emisa de acest scintilator este colectata de catre un fotomultiplicator
pentru a masura intensitatea radiatiei prin numararea de impulsuri. Semnalul este
trimis intr -un circuit de prelucrare a semnalului si dupa aceea acesta este interpretat.
Intre cristalul scintilator si sursa de radiatii mai poate fi pus un colimator.

2.3. Detectori de siliciu (http://www.canberra.com/literature/technic al-papers.asp )
2.3.1. Notiuni g eneral e

Sunt 2 tipuri de detectori care pot fi folositi in interiorul sistemului de
monitorizare pentru detectarea activitatii radioactive alfa si beta din aerosolii colectati
pe un filtru de aer.
Primul tip ar fi detectorii PIPS („Passivated Implanted Planar Silicon” – siliciu
pasivizat implantat planar , pasivitate – insusire a unor metale sau aliaje de a nu fi
atacate sub actiunea unor acizi concentrati ), care au implantat un contact de bariera
care formeaza o jon ctiune subtire,abrupta si precisa pentru a avea o rezolutie buna
in detectia particulelor incarcate.
Cel de -al 2-lea tip detectori, SDD („Silicon Drift Detectors”) ar fi cei din siliciu
impurificat cu litiu („Lithium drifted silicon”) , care se adreseaza particulelor incarcate
cu energii mai mari deoarece au eficiente mai bune de detectare pentru aceste
energii.
In ambele cazuri, detectorii au structura tip PIN („P – semiconductor dopat cu
impuritati acceptoare, I – semiconductor intrinsec, N – semiconduc tor dopat cu
impuritati donoare”), in care se formeaza o regiune de epuizare dupa polarizarea
inversa a diodei, iar campul electric format colecteaza perechile gol -electron produse
de particulele incarcate incidente. Rezistenta siliciului trebuie sa fie su ficient de mare
pentru a permite crearea unei zone de epuizare suficient de larga la tensiuni de
polarizare moderate.

La contactul jonctiunii, bariera implantata creaza o repulsie a purtatorilor
majoritari (electroni in semiconductorul de tip n si goluri in semiconductorul de tip p),
astfel incat sa existe zona de epuizare. O tensiune aplicata astfel incat sa polarizeze
invers dioda, extinde aceasta zona epuizata care este volumul sensibil al
detectorului, care poate fi extins pana la tensiunea de defalcare.

2.3.2. Caracteristici ale detectorilor PIPS

Detectorii PIPS au in general dimensiuni ale adancimii zonei de golire de la
100 𝜇𝑚 la 1000 𝜇𝑚 si se utilizeaza cu preamplificator. Acestia au ca parametrii
specificati suprafata volumului sensibil (deoarece sunt discuri subtiri cu grosimi
uzuale de 2−5 𝑚𝑚 ), rezolutia pentru particule alfa sau beta si adancimea zonei de
epuizare.
Rezolutia depin de foarte mult de dimensiunea detectorului, fiind cea mai buna
pentru detectorii cu suprafata mica. Rezolutiile pentru particule alfa intre 12−35 𝑘𝑒𝑉
si pentru particule beta intre 6−30 𝑘𝑒𝑉 sunt tipice. Dimensiunile suprafetei sunt in
general in domeniul 25−5000 𝑚𝑚2, dar pot avea suprafete si inafara domeniului
pentru aplicatii personalizate.

Unii detectori PIPS au zona de epuziare intinsa pe toata grosimea discului,
cea ce permite insirui rea lor pe o aceeasi axa pentru a putea efectua masuratoarea
pierderii de energie in material
𝑑𝐸
𝑑𝑥 .
Detectorii pentru aceasta aplicatie sunt pusi intr -un suport care sa permita
conectarea lor la o sursa de tensiune.
Am pus un tabel al energiilor p articulelor detectate in functie de adancimea
zonei de golire:
Adancimea
zonei de golire
[𝜇𝑚] Energia maxima pe care o poate avea particula
[𝑀𝑒𝑉 ]
Electron Proton Alfa
100 0.11 3 12
300 0.23 6 24
500 0.32 8 32
700 0.40 10 39
1000 0.52 12 48
2000 0.89 18 71
5000 1.97 30 121
10000 3.85 45 178

Chiar si cel mai subtire detector este indeajuns pentru masurarea particulelor
alfa provenite de la surse radioactive, dar electronii doar cei de joase energii sunt
absorbiti complet. Cu toate acestea, un detector care vede o sursa de linii
electronice (di ferite energii specifice pentru electronii emisi), cum ar fi linii de
conversie electronice, va afisa varfuri („peak” -uri) clare pentru liniile electronice care
vor epuiza toata energia pe lungimea zonei de golire.

2.3.3. Functionarea ca detector

Sarci na colectata din ionizarile rezulate in urma interactiei cu particula
incidenta este atat de mica incat ar fi nepractic sa fie inregistrate fara amplificare
intermediara, deci un preamplificator sensibil la sarcina va pregati initial semnalul.
In figura u rmatoare am ilustrat o varianta a aparaturii folosite in cadrul unui
sistem de detectie, unde am folosit urmatoarele notatii:
– „Preamp”, un preamplificator sensibil la sarcina;
– „Amp”, un amplificator care sa transmita semnalul primit de la preamplificator
la nivelul cerut de convertorul analog -digital;
– „CA/D”, un convertor analog -digital, care converteste semnalul si il trimite
catre un analizor multi -canal, care primeste semnal digital;

– „MCA”, un analizor multi -canal, care inregistreaza si transmite semnalul catre
un calculator.

Deoarece proba radioactiva si detectorul sunt inchise intr -o camera vidata nu
mai este cazul implicarii pierderilor in aer.

2.4. Detectori de germaniu hiperpur
2.4.1. Notiuni generale (http://www.canberra.com/literature/t echnical -papers.asp )

Detectorul de germaniu coaxial cu electrod standard („Standard Electrode
Coaxial Ge Detector”) este denumit in diferite moduri cum ar fi: „Ge pur”, „HpGe”,
„Ge intrinsec” sau „Ge hiperpur”. Indiferent de superlativul folosit, corpul acestuia
este un cilindru din germaniu cu un contact de tip n pe suprafata exterioara si un
contact de tip p in axul cilindrului. Germaniul are o concentratie intrinseca de
aproximativ 1010 𝑐𝑚−3, astfel incat daca polarizam invers cu o tensiune moderata,
intregul volum dintre detectori este golit de purtatori si un camp electric se extinde
peste intreaga regiune activa .

Interactiunea cu fotonii in aceasta zona activa genereaza purtatori de sarcina ,
care sunt directionati cu ajutorul campului electric catre electrozii colectori, unde un
preamplificator sensibil la sarcina converteste purtatorii intr -un impuls in tensiun e
proportional cu energia depusa in detector.
Pentru detectorul cu electrod standard c ontactul exterior , de tip n, este
impurificat cu atomi de litiu si are o grosime de aproximativ 0.5 𝑚𝑚, cel interior este
impurificat cu atomi de bor, are o grosime de 0.3 𝜇𝑚 si poate fi substituit borul
implantat cu o bariera de suprafata, dand rezultate egale. Contactele difera de la un
tip la altul al detectorilor de germaniu, in functie de aplicatia pentru care sunt
proiectati.
Acesti detectori pot fi transportat i sau stocati fara racire , dar pe termen lung
trebuie depozitati cu racire. Cand este utilizat trebuie sa fie atasat la sistemul de
racire pentru a evita scurgerile de curent datorate agitatie termice. Natura
neperisabila a acestui detector largeste campul de aplicatii ale acestuia, putand fii
utilizat si pe teren, ca spectrometru portabil.
Intervalu energetic al acestui tip de detectori este de la 40 𝑘𝑒𝑣 la mai mult de
10 𝑀𝑒𝑣. Acestia au o structura de dioda PIN, materialul intrinsec fiind foarte sensibil
la radiatiile ionizante, in special fotonii x si gamma. Ei trebuie sa fie permanent la o
temperatura scazuta deoarece au o banda interzisa mica si trebuie evitata cat mai
mult generarea termica de perechi gol -electron. Altfel se ditruge rezolutia
detectorului, ea fiind mult mai slaba datorita zgomotului termic.
Cel mai comun agent de racire folosit este nitrogenul lichid, care are o
temperatura de 770 𝐾. Detectorul este inchis intr -o incinta vidata care este introdusa
intr-un „dewar” ( O cutie cu perete dublu facuta dintr -un metal , vidata intre pereti ,
folosita pentru a mentine lichide la temperaturi mult mai mici decat ale mediului
ambiant ), astfel protejand suprafata activa a detectorului de umiditate.

2.4.2. Criostatul

Criostatul la modul ce l mai general este un aparat care este folosit pentru
mentinerea unui temperaturi foarte scazute. Criostatul din azot lichid este cel mai
important component din sistemul detectorului, care asigura buna performanta a
acestuia. Criostatele sunt proiectate p entru fiecare detector astfel incat sa asigure
functionarea in conformitate cu standardele de asigurare ale calitatii pe termen lung,
considerate in cele mai dure conditii de functionare.
Pentru aplicatii care necesita azot lichid pe teren , exista un sist em de criostat
care raceste electric si utilizeaza un agent de racire fara CFC si este bine adaptat
pentru utilizare in industrie si laborator.

2.4.3. Preamplificatorul

Exista 2 tipuri de preamplificatoare folosite pentru detectorii de germaniu.
Acestea sunt preamplificatoare sensibile la sarcina, care implica fie restaurarea
dinamica a sarcinii (raspunsul / „feedback” RC) sau restaurarea pulsata a sarcinii
(pulsare optica sau resetarea tranzistorului) ca metode folosite pentru descarcarea
integrat orului.
Preamplificatoarele de resetare cu impulsuri optice sunt utilizate pe scara
larga mai ales la detectorii pentru energii joase, acolo unde rezolutia este luata in
considerare cel mai mult. Eliminarea rezistorului de „feedback”, scade nivelul
zgomot ului fara un impact serios asupra timpului mort, atata timp cat energia medie
pe eveniment este scazuta spre moderata. La 5.9𝑘𝑒𝑣
𝑒𝑣𝑒𝑛𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡, un preamplificator optic
poate procesa 1000 de evenimente intre 2 resetari succesive, iar timpul de
recup erare al resetarii dureaza de 2−3 ori timpul unui puls generat de
preamplificator, ceea ce inseamna ca putine date sunt pierdute in aceasta situatie.
Sistemele cu raspuns optic pot prezenta timpi de recuperare lungi, dar daca
se selecteaza corect componen tele se poate minimiza aceasta problema. In cazul
energiilor mari, aceasta resetare poate revenii chiar si la 10 evenimente, ceea ce
face acest raspuns fals sa insemne o problema serioasa. Drept consecinta sistemele
de „feedback” optic nu sunt folosite pen tru detectorii coaxiali.
Sistemele de „feedback” cu tranzistor de resetare au fost create pentru a
depasii problema masurarii la energii mari(rate mari ale energiei) a sistemelor optice.
Condensatorul de „feedback” este descarcat prin poarta unui tranzistor FET.
Tranzistorul creaza un nivel de zgomot in masurarile sistemului, dar acest nivel este
acceptat in masuratorile cu rata mare a energiei.
In comparatie cu un preamplificator RC cu un rezistor de „feedback” ales
pentru o ridicata rata a perfo rmantei, preamplificatorul cu tranzistor de resetare face
mai putin zgomot , dar sacrifica acel timp mort de 2−3 pulsuri pentru a se recupera
dupa resetarea preamplificatorului. Deci in aplicatiile care necesita rate mari de
transfer, nu sunt bune pentru a fi folosite preamplificatoarele cu tranzistor de
resetare. Ei pot fi folositi in situatiile in care rata energiei este destul de mare incat sa
satureze preamplificatorul RC, dar ratele de transfer foarte mici.

2.4.4. Sistemul detectorului

Sistemul dete ctorului include un criostat cu „dewar”, un preamplificator cu
cablu pentru conectarea la o sursa de tensiune, cabluri pentru semnalul din detector,
mediul activ constituit din germaniu care este intr -o structura de dioda PIN polarizata
invers si un senzor integrat in spatele detectorului care monitorizeaza continuu toti
parametrii relevanti si informatiile despre starea acestuia. Datele acestea sunt

stocate si daca unul dintre parametrii incepe sa se modifice usor, utilizatorul poate
lua masuri in privinta acestor erori.
Preamplificatorul poate fi conectat la un MCA sau chiar direct la un calculator
prin intrare USB (in cazul preaplificatoarelor inteligente – IPA) depinde de modelul
preamplificatorului.