Detector gasoso de cintilação proporcional multi-gralhas para radiação X de alta energia e radiação gama

Abstract

Este Projecto tem como objectivo o desenvolvimento de um Contador Gasoso de Cintilação Proporcional com Multi-Grelhas (CGCP-MG) para detecção de radiação X de alta energia e radiação gama, visto haver um nicho no mercado comercial para este tipo de detectores. Este facto deve-se à competitividade, em termos desempenho/custo, que este tipo de detectores oferece quer em relação aos tradicionais contadores de cintilação de NaI (Tl) quer em relação aos detectores de semicondutor, nomeadamente nas seguintes áreas: - detecção de transporte ilícito de materiais radioactivos, quer acidental quer por terroristas; tais detectores deverão ser instalados em portais colocados em pontos sensíveis como aeroportos, fronteiras terrestres, portos, auto-estradas e edifícios de acesso público. - detectores para instalar em instrumentação para furos de sondagem que utilizem fontes de neutrões para análise por reacções (n, gama) da composição das rochas atravessadas. Para estas aplicações podem ser utilizados vários detectores, como os cintiladores inorgânicos, os detectores de semicondutor, os detectores de Xe a alta pressão (HPXe) funcionando como câmaras de ionização, entre outros. Os cintiladores inorgânicos mais convencionais, como o NaI (Tl) e o CsI (Tl), apresentam uma resolução em energia de cerca de 6% para radiação de 662 keV [1,32], embora, com outro cintilador inorgânico, o detector de LaBr, tenham sido obtidos valores de resolução em energia de 2,8% também para radiação de 662 keV [2]. No entanto, de um modo geral, os cintiladores inorgânicos são caros, frágeis e podem ser danificados por choques mecânicos ou térmicos. Por outro lado, os detectores de semicondutor de temperatura ambiente apresentam uma resolução em energia superior, isto é, cerca de 2% para radiação de 6 keV. A sua principal limitação é o facto de a área de detecção 7 estar limitada a pequenas dimensões (1 cm de diâmetro já é considerada uma área de detecção grande para estes detectores) [1]. Os detectores de HPXe funcionando como câmara de ionização, com diferentes geometrias (cilíndrica, paralela, ânodo co-planar) apresentam uma boa resolução em energia para a gama de energia referida à temperatura ambiente, são estáveis dentro de uma gama de temperaturas larga e podem funcionar facilmente com áreas de detecção, até aproximadamente 10 cm de diâmetro. Com este tipo de detectores foram medidas resoluções em energia de 6,8% para radiação de 662 keV. Com geometria de ânodo co-planar prevêem-se resoluções em energia de cerca de 2% para 662 keV. Porém, este tipo de detectores apresenta degradação da resolução em energia devido a vibrações mecânicas e ruído electrónico mais significativo que o esperado (32,3 keV ou seja 4,9% da energia) [3]. O objectivo principal deste trabalho é construir e testar um detector do tipo Contador Gasoso de Cintilação Proporcional (CGCP), para a gama de energia entre algumas centenas de keV e alguns MeV, que permita obter uma resolução em energia superior à dos cintiladores inorgânicos e dos detectores de HPXe funcionando como câmaras de ionização, com áreas de detecção superiores e custos inferiores aos detectores de semicondutor. Deste modo, em algumas aplicações, este detector poderá ser competitivo com qualquer um destes tipos de detectores. Os detectores do tipo CGCP fazem parte do grupo de detectores que utiliza como processo de amplificação, a produção de cintilação secundária característica do gás de enchimento, devido à interacção dos electrões primários com os átomos do gás. Por esta razão, necessitam de um fotossensor para detectar a luz assim produzida, convertendo-a num sinal eléctrico que poderá ser tratado pelo sistema electrónico associado ao detector. O dispositivo fotossensor mais frequentemente utilizado e que oferece melhor resolução em energia é o fotomultiplicador (PMT). No entanto, este dispositivo é frágil e, por esta razão, é uma área de constante investigação a sua substituição por dispositivos mais resistentes e de mais fácil utilização (ver secção 2.4.3). 8 Neste projecto, pretende-se desenvolver também um fotossensor mais robusto, baseado num depósito de CsI, descrito com mais detalhe nas secções 2.4.4 e 3.3.1. Com este detector espera-se obter uma resolução em energia de cerca de 2% para radiação de 122 keV com uma razão sinal/ruído @ 1280 e uma eficiência de aproximadamente 20%. O gás de enchimento escolhido foi o Xénon. Devido a limitações técnicas, a pressão utilizada será entre 5 e 10 atm e começou-se por testar o detector utilizando partículas-α emitidas por uma fonte de 244Cm. O Projecto desenvolve-se em várias etapas entre elas: i) Projecto, construção e teste de um detector de alta pressão (10 atm) (Contador Gasoso de Cintilação Proporcional Multi-Grelhas) com janela de grande área (diâmetro da janela igual a 6 cm) para detecção de radiação X e g de energia igual ou superior a 100 keV. ii) Depósito de um fotocátodo (CsI) na base do detector, sendo utilizado como fotossensor. iii) Estudo do seu desempenho, utilizando o Xénon como gás de enchimento. Serão medidos parâmetros como a resolução em energia, amplificação de carga primária, a razão sinal/ruído, tempo de subida dos impulsos, limiar de detecção.