O documento discute diferentes tipos de detectores de radiação, com foco nos detectores semicondutores. Em três frases: Os detectores semicondutores operam como câmaras de ionização de estado sólido, produzindo pares elétron-lacuna quando atingidos por radiação. Detectores de germânio hiper puro (HPGe) fornecem a melhor resolução energética, enquanto detectores de telureto de cádmio com zinco (CZT) podem operar em temperatura ambiente. Diferentes materiais semicond

1. Instrumentação para Detecção da
Radiação
DETECTOR SEMICONDUTOR

2. Detector Semicondutor
• Operação similar ao detector a gás,
porém é um material sólido semicondutor
• Material cristalino cuja condutividade
elétrica encontra-se intermediaria entre
um bom condutor e um bom isolante
• Benefícios comparado a outros tipos
– Muito pouca flutuação no sinal de saída para
uma determinada energia de radiação
– Rápido

3. Detector Semicondutor
• Energia transferida da radiação para o semicondutor produz um
elétron livre e a ausência de um elétron, ou lacuna
• Elétrons caminham na direção do ânodo
• Lacunas caminham para o eletrodo negativo
– Não fisicamente
– Troca sucessiva de elétrons entre as moléculas vizinhas na rede
cristalina

4. Detector Semicondutor :
• Prós
– Tempo de resposta rápido
• Devido a grande mobilidade dos elétrons e lacunas
• Leva mais tempo para os íons viajar fisicamente através do
espaço num detector a gás
– Menos flutuações estatísticas para qualquer energia
• Uma quantidade menor de energia exigida para produzir um
par elétron-lacuna no semicondutor que um par de íons no gás
• Para uma energia, 8 a 10 vezes mais pares portadores de carga
são produzidos no semicondutor em relação ao gás
– Carga total coletada varia linearmente com a energia da radiação
• Contras
– Muito sensível ao calor: deve ser refrigerado para eliminar erros
– Saída fotomultiplicadora muito pobre
• Necessita amplificadores potentes no circuito externo

5. Semicondutor
Junção p-n
Polarização Reversa
- ++ lacuna
Tipo p
e-
Tipo n
Portador de Carga
Zona de Depleção
Detector de Barreira de Superfície
Tipo p
Camada
Oxidada
-
+
Região de depleção
Tipo n- silício
Contato metálico
Camada de ouro evaporado
A medida que a radiação injeta energia suficiente no
sistema para movimentar um elétron da banda de
valência para a banda de condução cria um par
elétron-lacuna.

6. Acumulo de Lítio
Região
Compensada Impureza Original
Tipo p
Distância no cristal
Li
Tipo n
Tipo p
Ge
Região
Intrinseca

7. Características do Semicondutor
Tipo Partículas Observação
HPGe
Ge(Li) (congelado)
Raios X e g Boa resolução
Custo (baixo …)
Necessita refrigeração
Si(Li) (simples) Raios X e a Boa resolução
Baixo custo
Não requer refrigeração constante
Telureto Cd/Zn Raios X e
Gama de baixa
energia
Caro
Refrigeração mínima
Pequeno tamanho
Barreira de
Superfície
Partículas
pesadas, a
Zona morta,
Durabilidade pequena

8. Detector Semicondutor
• Um detector semicondutor atua como uma
câmara de ionização de estado sólido.
• A operação de um detector semicondutor
depende dele possuir tanto um excesso de
elétrons como um excesso de lacunas.
• Um semicondutor com excesso de elétron é
denominado Tipo n, enquanto que um com
excesso de lacunas é denominado Tipo p.

9. Detector Semicondutor

10. Detector Semicondutor
O detector semicondutor é mais comumente usado quando se
tenciona obter melhor resolução energética.
Cada tipo de detector de radiação produz seu produto de saída
inerente após a interação com a radiação.
No detector semicondutor os portadores de informação
fundamentais são os pares elétron-lacuna, que são produzidos ao
longo da trajetória deixada pela partícula carregada (primária ou
secundária) através do detector.
Pela coleta dos pares elétron-lacuna, é formado o sinal de detecção.
Dos materiais semicondutores disponíveis, o silício é usado
principalmente para detectores de partículas carregadas e
detectores de raios X brando, enquanto que o germânio é
amplamente usado para a espectrometria da radiação gama.

11. Detector Semicondutor
Propriedade do Semicondutor - Estrutura de Bandas num Sólido
Semicondutor é um cristal que, em baixas
temperaturas, apresenta uma grande resistência à
passagem da corrente elétrica.
Em altas temperaturas a resistência é reduzida.
A teoria de bandas de valência explica o
comportamento do cristal.

12. Detector Semicondutor
Ação da Radiação no Semicondutor Energia média por par elétron-
lacuna (valor w)
A informação fundamental associada com a interação entre um
detector semicondutor e a radiação está contida nos pares elétron-
lacuna criados.
O número de pares elétron-lacuna é regulado pela energia média
gasta pela partícula carregada para produzir um único par elétron-
lacuna.
Esta quantidade é muito maior que a banda proibida como é
mostrado na tabela.
Espaço entre Bandas Energia por par elétron-
lacuna
300 K 0 K 300 K 77 K
Si 1,11 1,16 3,62 3,76
Ge 0,66 0,74 2,96

13. Comparação da resolução
106
101
104
NaI
GeLi
Energia do Fóton (keV)

14. Valor máximo na metade da largura total
FWHM
Resolução em energia ( R ) está relacionada com a
habilidade de um detector fazer a discriminação entre
radiações de diferentes energias.
R=DE/E0
E0 é o pico central
DE é a largura do pico
na metade entre a linha
de base e o topo do pico.

15. Detector Semicondutor
Resolução em Energia
A característica mais importante do detector HPGe é sua excelente
resolução em energia.
Comparação de dois espectros de um HPGe e um NaI(Tl) para uma
fonte de 60Co.
A grande superioridade do detector HPGe permite a separação de
muitas linhas de radiação gama espaçadas muito próximas, que é muito
benéfica para a medida de fontes radioativas emitindo múltiplas
radiações gama.

16. Detector Semicondutor
Exemplos de instrumentos empregando semicondutores para
medida da radiação.
Dosímetro eletrônico pessoal com diodo de silício para fótons com
energia no intervalo de 50 keV a 6 MeV.

17. Detector Semicondutor
Os detectores de germânio hiper puro (HPGe) estão
disponibilizados para uma variedade de tarefas.
Os cristais são montados numa unidade criostato em vácuo, que
tipicamente contém o pré-amplificador numa estrutura cilíndrica.
Dependendo da aplicação requerida, os detectores de germânio são
apresentados em diferentes configurações planar e coaxial.

18. Detector Semicondutor
Analisador multicanal leve, robusto, portátil para medida do
espectro gama.
É controlado por intermédio de um painel conectado através de
módulo interface ao detector HPGe.
A unidade possui 16k canais e apresenta um mostrador ativo dos
dados sendo adquiridos.

19. Detector Semicondutor
CZT é o nome dado aos semicondutores telureto de cádmio com
zinco, que opera em temperatura normal.
O cristal de densidade relativamente alta é vantajoso para frenar
elétrons secundários.
A resolução é intermediária entre o Ge e Si.
Com sua alta sensibilidade para detecção da radiação gama, as
aplicações do CTZ incluem aspectos voltados à segurança,
monitoramento de efluente, e tecnologia para primeira resposta.
São pequenos, robustos, programáveis, e operam com muito pouco
consumo de energia.

20. Detector Semicondutor
CZT é o nome dado aos semicondutores telureto de cádmio com
zinco, que opera em temperatura normal.
O cristal de densidade relativamente alta é vantajoso para frenar
elétrons secundários.
A resolução é intermediária entre o Ge e Si.
Com sua alta sensibilidade para detecção da radiação gama, as
aplicações do CTZ incluem aspectos voltados à segurança,
monitoramento de efluente, e tecnologia para primeira resposta.
São pequenos, robustos, programáveis, e operam com muito pouco
consumo de energia.

21. Si Ge CdTe HgI2
Número Atômico 14 32 48-52 80-53
Densidade (g/cm3
) 2,33 5,32 6,06 6,3
Abertura deBanda
(eV)
1,12 0,74 1,47 2,13
Energia por par
elétron-lacuna
(eV)
3,61 2,98 4,43 4,22
Material utilizado como Detector Semicondutor Também CZT  CdZnTe
Semicondutor em Temperatura Ambiente

22. CARACTERÍSTICAS DOS DETECTORES
SEMICONDUTORES
A alta densidade dos detectores semicondutores
permite uma boa eficiência de contagem para
todas as radiações.
O pulso de saída é proporcional à energia e
intensidade da radiação incidente, portanto
permite fazer espectrometria.
A energia necessária para formar um par de íons
é da ordem de 3 eV, a largura do pico é estreita
e a resolução é boa (da ordem de 0,2% para a
energia de 1332 keV do 60Co).

23. DETECTORES GAMA SEMICONDUTORES
Os detectores HPGe, e também os de
Ge(Li) e Si(Li), devem ser operados
somente em baixas temperaturas.
Normalmente, a temperatura é reduzida
até -192 0C usando um “dewar” no
qual um reservatório de nitrogênio
líquido é mantido em contato térmico
com o detector por meio de um
criostato.

24. Detectores de Germânio Hiper Puro
O germânio puro possui uma alta eficiência para a detecção de radiação
gama.
Assim, se as impurezas de um cristal de germânio forem mantidas
baixas, é possível obter uma camada de depleção, volume sensível, que
é comparável àquela do detector de Ge(Li).
Este tipo de detector é chamado de germânio hiper puro ou HPGe.

25. Assim como o detector de Ge(Li), o detector HPGe atua
como um detector gama bastante eficiente com uma
resolução de energia excelente.
Similarmente, ambos os detectores necessitam refrigeração
com nitrogênio líquido para uma operação eficiente mas
uma vantagem do detector HPGe é que pode ser armazenado
na temperatura ambiente quando não em uso.

26. Dosímetro Eletrônico com Fotodiodo PIN de
Silício
Observe que os dosímetros eletrônicos também são
fabricados com detectores G-M. A principal vantagem de
usar um detector de estado sólido é que o instrumento é
muito mais leve em termos de peso.

27. Detectores de Estado Sólido Versus Detectores a Gás
Os detectores de estado sólido possuem um grande número de vantagens
sobre os detectores a gás, que são as seguintes:
• Os detectores de condutividade de estado sólido são muito
menores.
• Possuem uma resolução de energia muito melhor para
todos os tipos de radiação.
• São muito mais eficientes para a radiação gama.
• O volume sensível do detector pode ser escolhido para
adequar-se a aplicação.
• As principais desvantagens dos detectores de estado sólido
são:
• Podem necessitar refrigeração com nitrogênio líquido para
operação.
• Algumas vezes são menos portáteis que os detectores a
gás.

28. PROTEÇÃO RADIOLÓGICA
Módulo 1
Conhecimento Básico
Programa Específico de Treinamento
Proteção Radiológica
Matias Puga Sanches
msanches@ipen.br