Capítulo 12 Detectores continuação II terceira versão 2006.1 Multipicadores de elétrons 1- Fotomultiplicadora Fotomultiplicadoras são aparelhos que convertem luz em uma corrente elétrica mensurável. São extremamente sensíveis e, em física nuclear e de altas energias, são comumente associadas com detectores de cintilação, embora a sua utilização seja bastante variada. A figura abaixo mostra de forma esquemática uma fotomultiplicadora típica. Consiste de um catodo feito de um material foto-sensivel seguido por um sistema de coleção de elétrons, uma seção multiplicadora de elétrons (ou cadeia de dinodos) e finalmente um anodo. Todas as partes são usualmente colocadas em um tubo de vidro evacuado de modo que a fotomultiplicadora tem a aparência de uma válvula antiga. 182 Durante a operação uma alta tensão e aplicada ao catodo, dinodos e anodo de modo que uma `escada` de potencial aparece ao longo do da estrutura catodo-dinodoanodo. Quando um fóton incidente (de um cintilador por exemplo) sobre o fotocatodo, um elétron e emitido via efeito fotoelétrico. Devido a tensão aplicada, o elétron e direcionado acelerado par o primeiro dinodo, onde colide e transfere parte de sua energia para os elétrons no dinodo. Isto causa a emissão de elétrons secundários, que por sua vez, são acelerados ate o próximo dinodo onde mais elétrons são produzidos. Uma cascata de elétrons e criada em direção ao anodo, onde e coletada para gerar uma corrente que pode ser amplificada e analisada. Fotomultiplicadoras (FM) podem operar no modo continuo, ou seja, sob iluminação constante, ou no modo pulso, como no caso de contar fótons de um cintilador. Em ambos os modos, se o catodo e os dinodos são supostos lineares,a corrente na saída da FM (o cintilador produz fótons em proporção a energia depositada no cintilador) seria capaz de fornecer não somente informação sobre a presença da partícula, mas também a energia a energia depositada no cintilador. Vamos olhar com mais detalhes as varias partes de uma FM. O fotocatodo 183 O fotocatodo converte a luz incidente em uma corrente de elétrons pelo efeito fotoelétrico. Para faciltar a passagem desta luz, o material fotosensivel e depositado em uma camada muito fina no interior da janela da FM que e usualmente feita de vidro ou quartzo. Pela equação de Einsten E = hν − φ onde E e a energia cinética do elétron emitido, v e a freqüência da luz incidente e φ e a função trabalho. E claro que uma freqüência mínima e necessária pra que o efeito fotoelétrico ocorra. Acima deste limiar, contudo, a probabilidade para este efeito esta longe da unidade. Exercicio. Calcule o comprimento de onda limite para sensibilizar uma FM com função trabalho de 1,5 eV A eficiência para a conversão fotoelétrica varia fortemente com a freqüência da luz incidente (vide capitulo 9) e a estrutura do material. A resposta espectral e expressa pela eficiência quântica η (λ ) = N No onde N e o numero de fotoelétrons ejetados e No o numero de fótons com comprimento de onda λ incidentes no catodo. Uma quantidade equivalente e a sensibilidade radiante do catodo, definida como I E (λ ) = k P (λ ) onde Ik e a corrente de emissão fotoelétrica no catodo e P(λ) e a potencia radiante incidente. A sensibilidade radiante do catodo e usualmente dada em unidades de ampere/watts e e relacionada com a eficiência quântica por E (λ ) = λη (λ ) e hc para E em [A/W] e λ em nanômetros E (λ ) = λη (λ ) 1 1240 Dezenas de tipos de fotocatodos são utilizados, com sensibilidade espectral variando desde o infra-vermelho ate o ultravioleta. A tabela abaixo ilustra alguns fotocatodos. A 184 maioria são feitos de antimônio com alguns metais alcalinos. A escolha de semicondutores ao invés de metais ou outros substancias fotoelétricas e devido a sua boa eficiência quântica em converter um fóton em um elétron utilizável. De fato,na maioria dos metais, a eficiência quântica não e maior do que 0,1 % o que significa que na media de 1000 fotons são necessários para ejetar um foto-elétron . Por outro lado, semicondutores possuem eficiência quânticas da ordem de 10 a 30 %, e ate mesmo maiores (vide figura abaixo). Esta diferença se explica pelas diferenças nas estruturas intrínsecas. Suponha por exemplo, que um elétron absorva um fóton a uma a distancia x da superfície do material no seu interior. Ate alcançar a superfície, este elétron sofrera uma perda de energia ∆E = x(dE/dx), devido a colisões com os elétrons atômicos ao longo do caminho. Em metais, estes elétrons atômicos estão essencialmente livres, resultando em grandes transferências de energia, logo dE/dx e grande. A probabilidade de alcançar a superfície com energia suficiente para transpor a barreira de potencial e bastante reduzida. Recentes desenvolvimentos na construção de fotocatodos tem sido o uso de materiais com afinidade eletrônica negativa tais como GaP dopado com zinc e pequenas quantidades de césio. Nestes materiais a estrutura de banda próxima a superfície e tal que o nível inferior da banda de condução esta acima do potencial do vácuo. A função trabalho e então negativa. Sem a barreira de potencial, os elétrons precisam somente ter energia suficiente para alcançar a superfície e escapar. Fig. Resposta espectral de alguns materiais Tipo de catodo Composição Comprimento de Eficiência quântica 185 S1(C) S4 S11 (A) Bialkali SB Ag-O-Cs SbCs SbCs Sb-K-Cs Cs-Te onda para máxima resposta [nm] 800 400 440 420 235 máxima 0,36 16 17 26 10 Tabela com as características de alguns fotocatodos [Leo] Ganho O fator de amplificação ou ganho de um FM depende do numero de dinodos e o fator de emissão de elétrons secundários δ, que e função da energia dos elétrons primários. A energia dos elétrons incidentes em cada dinodo e uma função da diferença de potencial entre os dinodos, ou seja δ = KVd supondo que a voltagem aplicada e igualmente dividida entre os dinodos,o ganho de uma FM e então G = δ n = ( KVd ) n Podemos calcular o numero de estágios n, necessários para um ganho fixo com um mínimo de voltagem aplicada Vb. Vb = nVd = n 1/ n G K Ex. Minimize a expressão acima para Vb, derivando em relação a n e mostre que n = lnG. Uma vantagem de se operar usando uma voltagem mínima, e que minimizamos também o ruído. A partir da expressão do ganho pode-se mostrar que dV dV dG =n d =n b Vb Vd G para n=10 temos uma variação no ganho de 10 % para uma variação de 1 % em Vb. Assim, para manter um estabilidade no ganho. 186 Estatística da multiplicação de elétrons Se δ fosse uma constante, cada foto-eletron seria sujeito a exatamente o mesmo fator de multiplicação. Sob condições fixas de operação, todos os pulsos de saída que se originaram de um único foto-eletron teriam a mesma amplitude. Na realidade, a emissão de elétrons secundários e um processo estatístico, e o valor especifico de δ para um dado dinodo ira flutuar de evento a evento em torno de seu valor médio. A forma do espectro de alturas de pulso de uma FM e uma medida indireta dos graus de flutuação em δ. No modelo mais simples, a produção de elétrons secundários em um dinodo pode segue a distribuição de Poisson . Para um um único foto-eletron incidente no primeiro dinodo, o numero de elétrons secundários produzidos tem um valor médio de δ e um desvio padrão de σ = (δ)1/2. A variância relativ, definida com (σ/δ)2, e assim igual a 1/δ. Quando este processo e composto por N estágios idênticos de uma FM, o numero médio de elétrons coletados no anodo e dado por δn. Pode-se mostrar a partir das propriedades da estatística de Poisson que a variância relativa deste numero e dado por 1 δ + 1 δ 2 + 1 δ 3 + ... + 1 δ n = 1 δ −1 Forma do pulso O sinal de saída no anodo e uma corrente ou pulso cuja carga total e proporcional ao numero inicial de elétrons emitidos pelo fotocatodo. De fato, a fotomultiplicadora satisfaz os requerimentos de uma fonte ideal de corrente. A FM pode ser equivalentemente representada como uma fonte de corrente em paralelo com uma resistência e capacitância. A resistência R, e a capacitância C, representam a resistência e capacitância intrínseca do anodo e qualquer outro elemento do circuito. Vamos examinar o comportamento do sinal na saída do circuito. Supondo que a entrada e uma luz de um cintilador descrita por um decaimento exponencial, a currente no anodo sera dada por I (t ) = GNe τs exp( − t τs ) onde G e o ganho, N, o numero de foto-eletrons emitidos pelo catodo, e a carga de um elétron, τs a constante de decaimento do cintilador. Temos então I (t ) = V dV +C R dt 187 cuja solução e GNeR t exp − τ − τ s τ s t − exp − τ (τ ≠ τ s ) V (t ) = GNeTR t τ 2 t exp − τ (τ = τ s ) s s − onde τ = RC. 2 - Channeltron A figura abaixo ilustra o principio de operação de um channeltron. Um íon ou elétron colidindo na entrada do detetor tipicamente produz 2-3 elétrons secundários. Estes elétrons são acelerados por uma diferença de potencial. O elétrons colidem com a parede interna, produzindo elétrons adicionais e assim por diante, até que na saída um pulso da ordem de 107 a 108 elétrons emergem. Para íons positivos, a entrada é usualmente polarizada com um potencial negativo de 1200-3000 V e a saída aterrada. Para a deteção de íons negativos, a entrada é geralmente aterrada e aplica-se um potencial positivo na saída. 188 Ganho O ganho é definido com a razão da corrente de saída para a corrente de entrada. O ganho é em geral uma função do coeficiente de emissão de elétrons secundários do vidro, da voltagem aplicada, e da razão comprimento/diâmetro do tubo. Distribuição de alturas A distribuição de alturas do pulso de saídas pode ser obtida enviando os pulsos do channeltron para um analizador multicanal (MCA). O MCA digitaliza o pulso baseado na amplitude, conta e mostra o número de pulsos acumulados. No modo de operação analógico, o channeltron produz uma distribuição de alturas de pulso que decresce exponencialmente. No modo de contagem de pulso, obtêm-se uma distribuição quase gaussiana. A figura de mérito de uma uma distribuição de alturas é largura à meia altura (FWHM) e é expressa como FWHM = (Gov)×100% Onde Go é o ganho do pico e ∆G é a largura da distribuição de pico na metade da altura. Tipicamente channeltrons operando no modo contagem de pulso geream um FWHM ≤ 75% até 20%. Em geral, quanto maior a razão comprimento-diâmetro, menor a distribuição. Fig. – Distribuição de alturas de pulso no modo analógico. 189 Fig. – Distribuição de alturas de pulso no modo de contagem de pulsos. 190 191 3 - Microchannel plate Um microchannel plate (MCP) e um conjunto de 104- 107 multiplicadores de elétrons em miniatura orientados em paralelo um relação ao outro (figura x). Diâmetro típicos estão na faixa de 10 – 100 µm com uma razão comprimento/diâmetro (α) entre 40 e 100. Os eixos dos canais são normais com a superfície ou fazem um pequeno angulo (~ 8o ) com a superfície. A matriz de canais e fabricada usando um material resistivo em vidro, tratada de modo a otimizar a emissão de elétrons secundários de cada canal e torna-lo semicondutor de modo a permitir que a carga em cada canal seja re-completada por uma fonte de voltagem externa. Assim, cada canal pode ser considerado como um dinodo continuo independente. Contatos elétricos entre os canais e garantido pela deposição de um filme metálico, usualmente níquel-cromo ou iconel, em ambas as superfícies do MCP, e que servem como eletrodos de entrada e saída. A resistência total entre os eletrodos e da ordem de 109 Ω. O MCPs utilizados sozinhos ou em cascata (serie), permitem fatores de multiplicação de elétrons (ganho) de 104- 107 com uma resolução temporal menor do que 100 ps e resolução espacial limitada somente pelas dimensões e espaçamentos entre os canais; diâmetro de 12 µm com 15 µm centro-a-centro. Um único fóton de raios-x interagindo com um MCP produz um pulso de carga de 1000 eletrons que emergem na parte posterior do MCP. A single x-ray photon interacting in a channel of the MCP produces a charge pulse of about 1000 electrons that emerge from the rear of the plate. Uma vez que os canais confinam o pulso, o padrão espacial dos 192 pulsos de elétrons secundários preservam o padrão (imagem ) dos raios-x incidentes na superfície dianteira na parte traseira do MCP. Quando acoplado a um MCP adicional e a um circuito eletrônico de leitura, o MCP torna-se um intensificador de imagens. A mesma tecnologia e usada para produzir luz visível a partir de binóculos de visão noturna. Um fóton ou partícula entra no canal e produz um ou mais elétrons nas paredes do MCP. Uma diferença de potencial de aproximadamente 1000 V (no maximo 1500 V) e aplicada entre as duas superfícies do MCP. O elétron inicial colide com as paredes do canal, liberando mais elétrons. Estes elétrons serão acelerados ao longo do canal ate alcançar a superfície traseira do MCP. Esta cascata de elétrons resulta em uma nuvem de vários milhares de elétrons. 193 Tempo morto O numero de canais em um MCP de 25 mm de diâmetro com canais de 25 µm de diâmetro e cerca de 5,5 × 105. A resistência do MCP (entre as duas superfícies), e tipicamente 3 × 108 Ω, de modo que cada canal tem uma resistência de 2,75 × 1014 Ω. Se considerarmos o MCP como um capacitor de placas paralelas, espaçadas de 1 mm, com metade do volume entre eletrodos preenchido com vidro Corning 1861 ( constante dielétrica ε = 8,3), então a capacitância total e cerca de 200 pF ou 3,7 × 10-16 F por canal. Apos `disparar` uma carga em um canal, as paredes devem ser re-preenchidas com eletrons , e devido a natureza exponencial da multiplicação, a maioria da carga e produzida nos 20 % finais do comprimento do canal. Isto significa que ha uma capacitância intrínseca de C = 7,4 × 10-17 F, deve ser recarregada por uma resistência de 2,75 × 1014 Ω de modo que a constante de tempo de recarga, ou tempo de recobrimento, Tc e dado por RC ~ 20 ms. Em geral, este tipo de analise prediz que Tc = RC = Kd, onde K e a constante de proporcionalidade que depende da razão de área aberta (soma das áreas dos canais pela área total) do MCP e e da ordem de 4 × 10-13 para MCP fabricados pela Galileo feitos com vidro Corning 8161. Dark count MCP possuem uma função trabalho relativamente alta, então as taxas de emissão térmica de elétrons são baixas. Tipicamente, a temperatura ambiente, o ruído (dark count) de um MCP em Chevron e da ordem de 1 contagem/cm2. s. O ruído começa a aumentar para pressões maiores do que 10-6 torr devido ao efeito de íon feedback. 194 195 196 A uniformidade no tamanho e espaçamento entre os canais de um MCP e um fator critico na detecção e intensificação de imagens de boa qualidade de raios-x. Detalhes tão pequenos quanto 0,025 mm são fielmente reproduzidos Pratica – teste de desempenho de um channeltron A figura abaixo ilustra o procedimento. A saída do channeltron (que deve estar em vácuo da ordem de 10-6 torr), e conectada a um pré-amplificador sensível a carga e subsequentemete a um analisador multicanal (MCA). Em adição aos pulsos do detector, pulsos calibrados em voltagem (V) e integrado em capacitor de valor conhecido (C) são também analisados no MCA. O numero de elétrons no pulso de calibração e N=Q/C = CV/q, onde q e a carga do elétron (1,6 × 10-19 coulombs ). Os pulsos do detector são comparados com este pulso conhecido de modo a determinar o ganho. O ganho do detector pode ser calculado como G = (Cp/Cc) × N, onde Cp e o canal no qual o pico do ganho (ganho modal) e armazenado, Cc e o canal contendo o pulso de calibração e N o numero de elétrons no pulso de calibração. Esta formula e valida para uma distribuição de alturas de pulso quase gaussiana. 197 198 199