Detectores de Radiación Modulo: Magnitudes y detección Diplomatura en Protección Radiológica
Docente María Paulina Llano Gaviria
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Características generales de los detectores • Un detector es un dispositivo que convierte la energía proveniente del medio en una señal perceptible, existen varios tipos de detectores cuya diferencia radica en la forma de percibir la señal y en su diseño básico. • El tipo de detector debe ser específico para la radiación que se quiere observar y el intervalo de energía de dicha radiación.
Principio de funcionamiento • El detector de radiación cuenta con un elemento sensible (diferente según el tipo de detector), el cual es ionizado cuando entra en contacto con energía suficiente y las cargas creadas dentro de éste elemento son recolectadas y así convertidas en una señal eléctrica.
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Parámetros generales de los detectores •
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Sensibilidad: Depende de la sección eficaz de ionización es decir de la capacidad de ionización del elemento sensible, la masa del detector, el ruido propio del detector, y el material utilizado para la protección del material sensible. Respuesta: Es la información por parte del detector de la energía de radiación, para una buena respuesta conviene que la energía sea totalmente absorbida por el detector, en este caso es muy importante el tamaño del detector. Resolución en energía: Capacidad para distinguir dos energías próximas. Función de respuesta: Es el espectro de las alturas de pulso observadas en el detector Tiempo de respuesta: Es el tiempo invertido por el detector en la formación de la señal después del paso de la radiación. Eficiencia: Se define como el numero de sucesos detectados entre el número de sucesos emitidos por la fuente y depende de la geometría del detector y la probabilidad de interacción. Tiempo muerto: Es el intervalo de tiempo invertido por el detector para procesar un suceso.
Detectores de ionización en gases • Principio básico de funcionamiento: Los detectores de ionización fueron los primeros dispositivos electrónicos que se desarrollaron para detectar radiación. Su funcionamiento se basa en la recolección directa de los electrones e iones generados a causa de la ionización por el paso de la radiación a través de un gas. Debido a que los electrones e iones en un gas tienen una gran movilidad éste se convierte en el medio ideal para recolectar la ionización causada por la radiación. Hacen parte de los detectores de ionización en gases:
Cámaras de ionización. Contadores proporcionales. Contadores Geiger-Müler. Cámara proporcional de multihilos. Cámaras de deriva Cámaras de proyección temporal.
Los tres primeros tipos de la lista, aunque actualmente se usan como monitores de radiación ambiental, son la base de los tres últimos detectores mencionados, cuya sensibilidad es bastante grande.
Detectores de ionizaciรณn en gases Principio bรกsico de funcionamiento: La carga recolectada en funciรณn del voltaje aplicado al detector se observa en la curva donde se pueden observar cuatro regiones bien diferenciadas. โ ข
Detectores de centelleo Los detectores de centelleo son otro tipo de detectores los cuales utilizan como material sensible un material que al ser atravesado por radiación emite luz en forma de pequeños pulsos o flashes. Los centelladores se utilizan ampliamente para la detección de radiación en física médica, física nuclear y física de partículas. El detector consiste en el acoplamiento óptico de un material centellador con un sistema de amplificación llamado fotomultiplicador, en el material centellador se genera el pulso de luz y este es convertido en un pulso eléctrico que puede ser analizado y del cual se puede extraer información acerca de la radiación de manera informática.
Detectores de centelleo •
Características generales: Los elementos básicos de un detector de centelleo son el material centellador y el tubo fotomultiplicador, el acoplamiento óptico entre ambos puede ser directo, a través de una guía e luz o por fibra óptica.
Protección reflectante
Protección metálica
Ventana Fotomultiplicador
Centellador
Divisor de tensión
Detectores de centelleo •
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Características generales: Cuando la radiación atraviesa el material centellador se produce una excitación en sus átomos y moléculas, cuya posterior desexcitación da lugar a la emisión de luz. El pulso luminoso se convierte en una corriente débil de fotoelectrones en el fotomultiplicador, y esta señal de corriente se amplifica mediante un sistema de multiplicación de electrones. Características de la señal: – Sensibilidad a la energía: Por encima de una determinada energía mínima el pulso luminoso es directamente proporcional a la energía de excitación. – Tiempo de respuesta: Los tiempos de respuesta y recuperación de los centelladores son relativamente cortos en comparación con los otros tipos de detectores. – Discriminación en la forma del pulso: Algunos centelladores permiten distinguir diferentes tipos de partículas analizando la forma del pulso, esto permite la identificación de las partículas detectadas.
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Requisitos: – Alta eficiencia de conversión de la energía de excitación en radiación fluorescente. – Transparencia a la radiación fluorescente para que pueda transmitirse la luz. – Emisión de luz en un intervalo espectral compatible con los fotomultiplicadores existentes. – Constante de desexcitación pequeña.
Detectores de centelleo Los centelladores se clasifican en orgánicos e inorgánicos. • Centelladores orgánicos: son compuestos hidrocarbonados que contienen estructuras del anillo del benceno, poseen un tiempo de desexcitación muy corto debido a transiciones moleculares. La luz aparece como consecuencia de las transiciones realizadas por los electrones de valencia de las moléculas. –
El material centellador puede ser: • •
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Un cristal como antraceno, trans-stilbeno y naftaleno. Una solución de centellador en la cual el centellador es el soluto, los masa comunes son: pTerfenil, PBD, PPO y POPOP, los disolventes mas usados en estas soluciones son xileno, tolueno, benceno etc. Plásticos orgánicos, son los más usados de los centelladores orgánicos consisten en soluciones de centellador orgánico en un disolvente plástico sólido. Los plásticos disolventes más usados con el poliviniltolueno, polifenilbenceno y el poliestireno.
Cristales inorgánicos: son generalmente haluros alcalinos que contienen impurezas activadoras, son generalmente mas lentos que los orgánicos, en su mayoría materiales higroscópicos y son ideales para la detección de radiación gamma. Un ejemplo Ina(Tl), CsF2(Na), IK(Tl), Ili(Eu). Entre los no alcalinos se encuentran el BGO, BaF2, ZnS(Ag), ZnO(Ga), CaWO4, CdWO4.
Detectores de centelleo Además de los centelladores orgánicos e inorgánicos existen otros tipos como los centelladores gaseosos y vidrios. • Centelladores gaseosos: Fundamentalmente son gases nobles y nitrógeno, son extremadamente rápidos, la luz es emitida en general en rayos UV, debido a que algunos fotomultiplicadores son ineficientes en esta parte del espectro éstos son recubiertos con cambiadores de onda para solucionar el problema. Los centelladores gaseosos se usan para la detección de partículas pesadas y fragmentos de fisión. • Centelladores vidrios: Los más comunes son el Cerio activado con Litio y silicatos de Boro, se usan fundamentalmente para la detección de neutrones, aunque también son sensibles a las radiaciones beta y gamma. Son muy resistentes debido a sus puntos de fusión altos y pueden ser usados en condiciones ambientales extremas.
Detectores de semiconducción Están basados en materiales semiconductores cristalinos como Silicio y Germanio, se usan para la detección de partículas cargadas, en espectrometría gamma y como detectores de trazas otras aplicaciones son la espectrometría en satélites espaciales y como detectores para diagnóstico médico. • Principio de operación: La radiación ionizante genera pares electrón – hueco que son recolectados por un campo eléctrico. Independientemente del tipo y energía de la radiación, la energía necesaria para formar un par es de 3.81 eV (Si) y 2,96 eV (Ge) a una temperatura de 77 °K. • Características: El tiempo de repuesta es del orden de 10 ns, permiten flexibilidad en el diseño, se necesita poca cantidad de material, tienen excelentes propiedades mecánicas, una respuesta lineal con la energía depositada en un rango amplio de energías, son insensibles a campos magnéticos y tiene una alta resolución energética. • Desventajas: Requieren sistemas de criogenia (77°K) y la estructura cristalina se daña con la radiación.
Detectores de semiconducción Dependiendo del tipo de fabricación existen varios detectores de semiconducción. • De barrera superficial: son los más usados para la detección de partículas cargadas y se trata de una unión semiconductor – metal por ejemplo Silicio n –Au. • De difusión: Son obleas de silicio de gran pureza uno tipo p y otro tipo n, al unirlas aplicando un compuesto de fósforo y calentando el conjunto a una temperatura entre 800 y 1000 °C el fósforo difundido dopa el Si y forman una unión P-N. • Por implantación de iones: método alternativo para implantar impurezas de dopado sobre una oblea de silicio, se realiza mediante el uso de un acelerador, los efectos de la radiación en la fabricación se reducen mediante un proceso de calentado del Si. • Detectores SiLi y GeLi: El litio es una impureza dadora con gran movilidad en Si y Ge, a medida que la difusión del litio procede en el semiconductor se crea una zona útil para detectar radiación mucho mas amplia que para los detectores superficiales anteriormente mencionados. • Detectores de HPGe: Los detectores de germanio hiperpuro son útiles para radiaciones penetrantes, su mayor problema radica en la necesidad de criogenia.
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