Simulação Detector

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  Objectivos:  Aplicação do código PENELOPE à calibração da

  eficiência dum detector coaxial de germânio.

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• Tópico 1
  Documentação: manuais, artigos e outros

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• Tópico 2
  O Detector e as fontes radioactivas.

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    Figura 1. Esquema do detector HPGe, GEM45.

  • O detector utilizado neste trabalho é um detector coaxial HPGe tipo p, designado por GEM45. É caracterizado por ter uma resolução de 1.90keV, á energia de 1.332MeV da fonte de ⁶⁰Co, e uma eficiência de 45 % relativa a um detector de Na(I).

    As características do detector podem-se descrever com oito dimensões relevantes (Tabela 1): o diâmetro do cristal, o comprimento do cristal, a espessura e o diâmetro da janela de Al, a distancia do cristal a encapsulamento de Al, a espessura da camada inactiva de Ge e o diâmetro e profundidade do núcleo oco (core). Um esquema do detector apresenta-se na figura 1.

  • Características	Fabricante (mm)	Optimizadas (mm)
    Diâmetro do cristal activo de Ge	64
    Comprimento do cristal activo de Ge	62.6	62.6
    Espessura da janela de Al	1	1
    Diâmetro do encapsulamento de Al	82.8	82.8
    Camada morta de Ge	0.7	1.95
    Distancia do cristal à janela de Al	4	4
    Diâmetro do “core”	9.0
    Comprimento do “core”	49.1	49.1

    Tabela 1.- Especificação do detector GEM45

  • Para a determinação da curva da eficiência foram utilizadas as fontes ¹⁵²Eu, ⁵⁶Co e ¹³³Ba. 

    As energias de emissão destes radionuclídeos cobrem o intervalo de energia dos 80keV aos 3.5MeV.

    As medidas de calibração foram realizadas no sistema de detecção da nova câmara de análises PIXE-PIGE do ITN (Instituto Tecnológico e Nuclear). Na figura 2 mostra-se a geometria do sistema com o detector situado na posição de trabalho e com as fontes de calibração situadas a uma distância de 5.86cm do detector.

     

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    Figura 2.- Esquema do sistema de detecção na câmara PIXE-PIGE no ITN. Ficheiro

• Tópico 3

  O Código Monte Carlo: PENELOPE

  A simulação de Monte Carlo é uma ferramenta muito adequada para descrever a interação e o transporte das radiações ionizantes com a matéria.

  Neste trabalho, o código de simulação, utilizado para a determinação das curvas de eficiência do detector, foi o PENELOPE.

  O código PENELOPE foi desenvolvido para realizar simulações Monte Carlo do transporte acoplado do electrão – fotão no intervalo de energías de 100eV a 1GeV.

  A representação geométrica do detector foi realizada com a ajuda do programa principal PENCYL. Este programa considera estruturas cilíndricas com múltiples camadas para la descrição da geometría, que resulta apropiado para a simulação de detectores con geometria cilindrica. O programa PENCYL dá informação, por exemplo, acerca do transporte e a energia depositada das particulas no meio onde interagem, a distribuição da dose em profundidade, a distribuição da carga depositada, etc.

  Para o cálculo da curva de eficiência em função da energia interessa-nos a distribuição de probabilidade de energia depositada no volume activo de germânio. Esta distribução encontrasse no fichero pcedepm1.dat que se obtem como uns dos ficheiros de salida da simulação.

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    Ficheiro de entrada no PENCYL
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    Representação esquemática das "layers" do detector definidas no ficheiro de entrada

• Tópico 4

  Resultados

  Utilizando métodos de simulação de Monte Carlo é possível calcular a função resposta de detectores com excelentes resultados.

  Embora os detectores de germânio são difíceis de simular devido a sua geometria de montagem, é possível obter as curvas de resposta em concordância com as obtidas experimentalmente. As curvas de eficiência, que são calculadas por simulação, não se vêem influenciadas pelas variações da percentagem de emissão gama, nem da incerteza na concentração de actividade, etc.

  Na tentativa de ajustar os valores experimentais com os simulados, foram realizadas e simuladas duas experiências. Primeiramente foi feita uma calibração com as fontes a uma distância de 9.5 cm, situadas fora da câmara de PIXE-PIGE, não havendo nenhum material entre a fonte e o detector. Esta experiência tinha com objetivo, considerar apenas a contribuição na eficiência dos materiais que constituem o detector.

  Por último, analisou-se a situação descrita na figura 2, onde as fontes de calibração foram colocadas na câmara a uma distância de 5.86cm do detector. Neste caso, se deve ter em conta a absorção da radiação pelos materiais que se situam entre a fonte e o detector, a gaiola de Faraday e a manga do detector.

  Para o análisis da simulação escolheram-se alguns valores de energias correspondentes as fontes ¹⁵²Eu, ¹³³Ba e ⁵⁶Co:

  80, 121.8, 160.6, 223.1, 276.4, 302.8, 356, 383.8, 688.7, 846.8, 1037.8, 1360.2, 1771.3 e 2034.7 keV.

  Para simulação da resposta do detector por método de Monte Carlo, o detector de HPGe deve ser modelado com a melhor precisão possível, porque variações nas caracteristicas geométricas do detector tem influência na determinação da eficiência, nomeadamente, a espessura da camada inactiva de Ge, diámetro e cumprimento do núcleo oco ou diámetro do cristal de Ge (Jurado Vargas et al., Ródenas et al.).

  Nesse sentido, é realizado um processo interactivo de simulações com a variação da espessura da camada inactiva. Os cálculos foram iniciados com o valor declarado pelo fabricante, 0.7 mm, e depois foram realizados novos cálculos aumentando gradualmente a espessura da camada morta até ter um acordo com o valor experimental.

  • • Situação 1. - Distância fonte – detector : 9.5cm

    Nos gráficos seguintes apresentam-se as comparações entre os valores simulados e os valores experimentais para diferentes espessuras de camada morta.

    Como pode-se observar na Figura 6, a eficiência simulada com uma camada morta de 0.7 mm é maior que a eficiência experimental. Quando a espessura desta camada aumenta, os valores simulados para baixas energias (até ~300keV) diminuem significativamente. A estas energias, a absorção na camada morta é significativa e os fotões com estas energias são absorvidos já nos primeiros milímetros do cristal de germânio.  Para energias maiores, este efeito não é tão significativo. 

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    Figura 3.-Eficiência simulada vs experimental- Dead layer 0.7mm Ficheiro
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    Figura 4.- Eficiência simulada vs experimental- Dead layer 1.95 mm Ficheiro
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    Figura 5.- Eficiência simulada vs experimental- Dead layer 2.9mm Ficheiro
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    Figura 6.- Eficiência simulada vs experimental - Diferentes espessuras de camadas mortas Ficheiro
  • Energia(keV)	1.35 mm	1.5 mm	1.75 mm	1.85 mm
    121.8	1.3462	1.2960	1.2152	1.1854
    160.6	1.3107	1.2747	1.2144	1.1884

     Tabela 2.-

  • • Situação 2.- Câmara nova - Distância fonte-detector: 5.86cm
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    Figura 7.- Eficiência simulada vs experimental- Dead layer 1.35 mm Ficheiro
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    Figura 8.- Eficiência simulada vs experimental- Dead layer 1.95mm Ficheiro

• Tópico 5

  Bibliografía

  Jurado Vargas, M., Fernández Timón, A., Cornejo Díaz, N., Pérez Sánchez, D., 2002a. Influence of the geometrical characteristics of an HpGe detector on its efficiency. J. Radioanal. Nucl. Chem. 253 (3), 439.

  Jurado Vargas, M., Guerra, A.L., 2006. Application of PENELOPE code to the efficiency calibration of coaxial germanium detectors. Appl. Radiat. Isot. 64 1319-1322

  Ródenas, J., Pascual, A., Zarza, I., Serradell, V., Ortiz, J., Ballesteros, L., 2003. Analysis of the influence of germanium dead layer on detector calibration simulation for environmental radioactive samples using the Monte Carlo method. Nucl. Instr. and Meth. A 496 (2003) 390-399

   

• Tópico 6