Detectores De Centelleo Solido

HISTORIA
La historia de los medidores de radioactividad comienza cuando Henri Becquerel realiza una serie de experimentos con sales de uranio comprobando que estas producen los mismos efectos sobre las emulsiones fotográficas que los rayos X descubiertos por Roentgen poco tiempo antes. De esta manera descubre que el Uranio produce radiaciones de forma natural.
Fenómenos como la fluorescencia o la ionización de los gases, utilizadas por el propio Becquerel en aquella época sirven hoy día como base de los sistemas de detección de las radiaciones nucleares.
El primer detector de centelleo de la historia fue el conocido como “spinthariscope de Croques” (1.903) usado por Geiger y Marsden, estaba compuesto por sulfuro de zinc SZn. Pero la verdadera importancia de los detectores de centelleo se remonta a los años cuarenta, cuando por primera vez se asocia un material centelleador con un sistema fotoeléctrico, convirtiendo los destellos luminosos en impulsos eléctricos.

EFICACIA EFICIENCIA Y RENDIMIENTO DEL DETECTOR
Dos características fundamentales que deben tener en cuenta en los detectores de centelleo así como en cualquier otra técnica instrumental, son la eficacia y el rendimiento, ya que nos dan una idea de su capacidad de funcionamiento.
Para que un detector sea eficaz, aparte de poner de manifiesto la presencia de radiación, debe de ofrecer información sobre sus propiedades tales como intensidad, energía, dosis, etc. e incluso la naturaleza de dicha radiación. Parámetros como la eficiencia, resolución o el tiempo muerto de detección, son los que permiten valorar la capacidad de los detectores para realizar estimaciones cuantitativas.
Hay que tener en cuenta que solo una fracción de las partículas emitidas por la fuente lo hacen en la dirección y el sentido del detector y es por tanto susceptible de ser detectadas. De las que llegan a impactar solo una fracción serán detectadas. Esta fracción es lo que se llama eficiencia del detector. La razón es que para que el impacto produzca un destello, se requiere que la partícula tenga una energía superior a un mínimo determinado.
La eficiencia del detector es un factor del rendimiento de detección que depende de los procesos de interacción de la radiación con la materia y depende por tanto de la naturaleza y de la energía de la radiación y de la naturaleza y estructura del detector
Ejemplo de eficacia:Se tienen cuatro detectores distintos y se mide una misma fuente de 100 Bq,
Detectores: A B C D
Medida: 80 50 20 10 CPS
Como se puede ver, cada uno de los distintos detectores A, B, C y D recoge una medida diferente en cuentas por segundo, dependiendo de su eficacia. Esta medida será transformada por un factor de conversión específico de cada detector, que será en función de su eficacia.
El rendimiento de la detección puede verse desde dos puntos de vista, el intrínseco, como el cociente entre los eventos contados entre los que llegan al contador y rendimiento extrínseco, siendo este el cociente entre los eventos contados entre los que han sido emitidos por la fuente (desintegraciones).

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El principio de funcionamiento de los detectores de centelleo se basa en una propiedad denominada luminiscencia o emisión de luz visible. Esta propiedad se da cuando estas sustancias son expuestas a radiación ionizante. La excitación molecular producida da origen a una desexcitación rápida conocida como fluorescencia o centelleo.
Disponiendo de un elemento transductor tal como una célula fotoeléctrica, suficientemente sensible cada una de estas emisiones de luz visible o destellos correspondiente a una sola partícula o fotón puede ser detectado y transformando en una señal eléctrica.
El fenómeno de luminiscencia se basa en que al incidir un fotón o partícula cargada en un medio material, una parte de la energía se invierte en ionizaciones y excitaciones, las cuales van seguidas de emisión de ondas electromagnéticas, es decir de fotones de menor energía que la partícula o fotón incidente.
Los centelleadores son materiales en los que la producción de ondas electromagnéticas tiene lugar en la región visible y el ultravioleta. Estas sustancias con buenas propiedades de luminiscencia son escasas.

TUBO FOTOMULTIPLICADOR
El tubo fotomultiplicador es el dispositivo encargado de transformar la intensidad luminosa de un centelleo en una señal eléctrica proporcional y está situado junto al centelleador a través de un contacto óptico. Consiste en una célula fotoeléctrica de gran sensibilidad, provista de un fotocátodo que desprende electrones bajo la acción de la luz y una serie de electrodos llamados dínodos, contra los que van chocando los electrones desprendidos por el fotocátodo y un ánodo colector donde se origina el impulso eléctrico correspondiente. Todo esto queda encerrado dentro de una ampolla en vacío.
Si la radiación incidente cedió toda su energía al centelleador, el impulso eléctrico producido en el ánodo guardará proporcionalidad con aquella. Así mismo, no todos los fotones luminosos producidos en el centelleador arrancan electrones de los dínodos, sino que depende de una probabilidad basada en la sensibilidad del fotocátodo a cada longitud de onda concreta.

METODOS DE CALIBRACIÓN
El proceso de calibración permite determinar el rendimiento de detección del equipo en la medida de una muestra. Su importancia se justifica teniendo en cuenta posibles fallos de la electrónica, problemas de extinción de muestras, etc.
Se puede recurrir a dos técnicas diferentes, la llamada de patrón interno consistente en añadir a la muestra una cantidad de patrón conocida, y la de patrón externo consistente en un isótopo que emita fotones gamma en una intensidad conocida. En ambas técnicas se realizan los cálculos oportunos obteniendo la radiación emitida solamente por la fuente.
En los detectores de centelleo, y más concretamente en los sistemas de pórtico que se exponen a continuación, la técnica utilizada para la calibración consiste en la de patrón externo. Con los equipos se suministra una fuente radiactiva, normalmente de Cs137, con la que se realizan las calibraciones, así como los test de sensibilidad y alarmas

TIPOS DE CENTELLADORES
Los centelleadores pueden ser de dos tipos: orgánicos o inorgánicos. Dependiendo de la radiación que se pretenda detectar tendrán unas características u otras. Si son fotones, el centelleador deberá estar construido por un material que presente las siguientes características: un número atómico (Z) alto, aumentando así la posibilidad de detección, un gran volumen de detección y una buena transparencia luminosa. Para las partículas beta los más apropiados son los centelleadores orgánicos, ya que tiene un numero atómico bajo, favoreciendo así la penetración de la partícula en
el detector. Para partículas alfa no se necesitan condiciones especiales.
Centelleo en fase LIQUIDA: este tipo de centelleadores se utilizan en aplicaciones de medida de partículas beta y en particular cuando se precisa una sensibilidad extrema.
En comparación con los centelleadores sólidos, poseen una respuesta muy rápida, al generar la intensidad luminosa procedente de una detección en tiempos muy cortos, lo que les capacita para medidas de actividades elevadas.

CENTELLADORES SOLIDOS:
Los detectores de centelleo sólidos son muy utilizados como detectores de radiación gamma. Entre ellos podemos mencionar los detectores de NaI(Tl), que consisten en un cristal de NaI dopado con Tl asociado a un tubo fotomultiplicador. Cuando un fotón interactúa con el material del detector, su energía se degrada (total o parcialmente) dentro del material, dando como resultado final que algunos átomos queden en estados excitados. A su vez, cuando estos átomos decaen, emiten fotones visibles, cuyo número es proporcional a la energía depositada en el cristal. El tubo fotomultiplicador (PMT) detecta estos fotones y genera un pulso de altura proporcional al número de fotones detectados. Así resulta que dicho pulso de tensión tiene una altura que es proporcional a la energía del fotón depositada en el cristal.
Cualquiera que sea el detector, existen algunos mecanismos de interacción comunes a todos ellos. Cuando la radiación X o gama interactúa con los átomos de un detector o cualquier material, lo hace a través de los siguientes mecanismos:
Efecto fotoeléctrico: ocurre cuando el fotón incidente entrega toda su energía a un electrón ligado a un átomo. El electrón eyectado adquiere una energía igual a la del fotón incidente, menos la energía de ligadura al átomo.
Efecto Compton: aquí tenemos en el estado final un electrón libre y otro fotón, entre ambas partículas se reparten la energía del fotón incidente.
Creación de pares (si E>1022 KeV): en este caso, la energía del fotón incidente se emplea en generar un par electrón-positrón, que se reparten entre energía y el momento del fotón incidente.
En estas interacciones la energía de los fotones se degrada dentro del detector en distintos tipos de excitaciones del material que forma el detector. En los centelladores, como ya se dijo, la energía de los fotones incidentes se invierte en producir una cierta cantidad de fotones ópticos, cuyo número es proporcional a la energía del fotón incidente. Los fotones visibles inciden sobre el fotocátodo de un tubo fotomultiplicador (PMT). En el fotocátodo, cada fotón visible que incide produce la emisión de electrones por efecto fotoeléctrico. Estos son acelerados y dirigidos hacia una serie de electrodos (dínodos). Al chocar los electrones contra los dínodos, se producen más electrones por emisión secundaria. El número v de electrones expulsados por cada colisión varía según la tensión aplicada a los dínodos (usualmente de 5 a 10).
Estos electrones son nuevamente acelerados y dirigidos hacia otros electrodos, consiguiéndose así un efecto multiplicador. De esta forma la salida del fotomultiplicador entrega un pulso de tensión cuya amplitud es proporcional a la energía del rayo gama original.
A continuación del detector se usa un amplificador espectroscópico, que amplifica y conforma los pulsos del detector, para su análisis en el sistema de adquisición de datos.
El sistema de adquisición de datos más usado es un analizador de altura de pulsos asociado a un conversor analógico digital. Con este dispositivo electrónico son digitalizados los pulsos cuyas alturas tienen la información de la energía depositada en el detector. Estas señales digitalizadas son seguidamente tomadas por un multicanal que realiza un análisis de la altura del pulso y la convierte en un número (canal). En esta última etapa se generan un histograma del número de cuentas en función del canal.
De este modo, es frecuente que el número de canal sea proporcional a las alturas de los pulsos, es decir a la energía de los rayos o rayos X.

Bibliografía
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