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Detección y medida de la radiación. 5
1. l!i Introducción .1 Los sentidos del ser humano no son directamente sensi
bles a las radiaciones ionizantes. Así, para detectar la presencia de radia
ción y para medir las magnitudes que la cuantifican es necesario utilizar
detectores especialmente construidos para cada aplicación particular. El
investigador M.G. McKay afirmaba en 1953: "Cada vez que un físico nuclear
observa un nuevo efecto causado por una partícula atómica, intenta construir
un detector basado en dicho efecto."
La historia de los detectores de radiación está estrechamente aso
ciada a los progresos realizados en el conocimiento del mundo atómico y
subatómico. El descubrimiento de los rayos X por Roentgen, del núcleo atómi
co por Rutherford o del Radio por Marie Curie alumbraron a su vez la utili
zación de las emulsiones fotográficas, de los centelleadores y de los elec
trómetros en el estudio de las radiaciones emitidas por los átomos. Estos
primeros y primitivos instrumentos darían lugar, con los años, a los sofis
ticados sistemas de detección actuales.
Todos los detectores de radiaciones ionizantes se basan en los
diferentes procesos de interacción de la radiación con la materia, que ya
han sido descritos en la lección anterior. En los detectores de gas o de
semiconductor, la ionización producida por el paso de las partículas directa
o indirectamente ionizantes es recogida por los electrodos y se genera un
impulso eléctrico o una corriente. En los detectores de centelleo, la radia
ción provoca la excitación de las moléculas o de las estructuras cristalinas
con una emisión de luz que puede ser observada directamente o transformada
en una señal eléctrica mediante un fotocátodo y un fotomultiplicador. En las
emulsiones fotográficas, la radiación origina la aparición de granos micros
cópicos de plata metálica, cuyo revelado químico permite la visualización
directa de las trazas dejadas por las partículas ionizan tes. Cuando una
partícula cargada atraviesa un sólido dieléctrico, se produce un deterioro
en su estructura, que puede ponerse de manifiesto tras un ataque químico
por una solución corrosiva y ser observado con un microscopio óptico.
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Lec. 5. Detección y medida de Zas radiaciones.
Los ejemplos anteriores no agotan los fenómenos en que se basa
la detección y medida de la radiaciones ionizantes. Dada la gran variedad
de detectores existentes, resulta difícil hacer una clasificación de los
mismos, por ser muy diversos los posibles criterios para la misma.
En la Tabla I se agrupan los detectores en dos tipos: de señal
eléctrica y visuales.
En los primeros, el paso de la radiación origina un impulso o una
corriente eléctrica que cesa al cesar la presencia de partículas ionizantes.
En los segundos, se produce una señal directamente visible por el ojo huma
no, bien sea de carácter permanente o bien susceptible de ser fotografiada.
Asimismo, se especifica el tipo de efecto en el que se basa cada detector y
el medio que habitualmente constituye su parte sensible.
La lista de la Tabla I no es exhaustiva. En este libro tan sólo
haremos referencia a aquellos detectores de interés en Radioprotección y no
entraremos en la descripción de los utilizados fundamentalmente en aplica
ciones de alta energía, tales como la cámara de burbujas, la cámara de chis
pas o los contadores de Cerenkov.
Dentro de los detectores de señal eléctrica es conveniente, a su
vez, distinguir dos clases, según su modo de operación: detectores de
impulsos y detectores de corriente.
En los detectores de impulsos, cada partícula registrada da lugar
a un pulso de potencial, lo que permite 11 contar 11 partículas individuales.
En los detectores de corriente, las señales sumistradas son integradas,
resultando un valor promedio de los impulsos individuales.
Los factores a considerar en un detector de impulsos son: la pro
porcionalidad entre la amplitud de la señal y la energía de la partícula,
la eficiencia de contaje, la resolución en energía y la resolución temporal.
Si la amplitud del impulso es proporcional a la energía depositada
por la radiación en el detector, la medida de dicha amplitud permitirá cono
cer la energía de las partículas detectadas.
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'
#5.1. Introducción.
TABLA I. Clasificación de los detectores de radiación. Los detectores que se
han subrayado son de gran interés en Radioprotección.
DETECTORES DE SEÑAL ELECTRICA
Detector Efecto Medio
Cámara de ionización Ionización Gas
Detector proporcional Ionización Gas
Detector Geiger Ionización Gas
Detector de centelleo Excitación con gas, lÍquido emisión de luz o sólido
Detector de Cerenkov Producción de luz Gas, líquido por efecto Cerenkov o sólido
Detector de semiconductor Producción de Sólido electrones y huecos
DETECTORES VISUALES
Detector Efecto Medio
Emulsión fotográfica Ionización Sólido
Cámara de niebla Ionización Gas
Cámara de chispas Ionización Gas
Sólidos dieléctricos Ionización Sólido
Cámara de burbujas Ionización LÍquido
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Lee. 5. Detección y medida de Zas radiaciones.
La eficiencia se puede definir como el cociente entre el número
de partículas detectadas y el número de partículas incidentes. Algunas ve
ces., especialmente en el caso de radiaciones de baja energía, la amplitud
de las señales puede ser inferior al nivel de ruido. Otras, la radiación
indirectamente ionizante atraviesa el detector sin interaccionar en su volu-
men sensible.
La resolución en energía determina la capacidad del detector para
distinguir entre partículas con energías muy próximas. Esta cualidad depende
de la distribución de amplitudes de impulso para radiaciones de la misma
energía. Una distribución idealizada se muestra en la Figura 1.
V Amplitud
Fig. 1.- Distribución idealizada de amplitudes de impulso para radiaciones
de la misma energía. La posición del
pico (V) debe ser proporcional a la energía y la anchura de la distribución
depende del tipo de detector.
La resolución R se puede definir:
R Anchura a la mitad del máximo
Amplitud del impulso en el pico X 100 f1::!__ X 100
V ( 1)
La resolución temporal está estrechamente ligada a la duración del
impulso. Si ésta es larga, los impulsos generados por las sucesivas partí
culas que alcancen el detector se solaparán, impidiendo un contaje correcto.
Cada impulso de tensión tiene una parte ascendente, determinada por las pro
piedades del detector, y una parte descendente, configurada por la constante
de tiempo RC de la electrónica asociada al detector. La duración del impulso
puede reducirse disminuyendo la constante de tiempo RC, pero siempre mante
niendo la proporcionalidad entre la amplitud y la energía.
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> '1::J parte .E ascenden .... .-;
~
parte descendente
tiempo (s)
#5.1. Introducción.
Fig. 2.- Representación esquemática de un pulso de potencial generado por el paso de una partícula a través del volumen sensible de un detector. La parte ascendente de la curva depende de las propiedades del detector y la descendente de la electrónica asociada.
Puesto que los detectores de impulsos permiten 11 Contar" las par
tículas detectadas, se suele utilizar la palabra "contador11 como sinónimo
de "detector"; así, hablaremos del contador proporcional, del contador Gei
ger, del contador de centelleo,
Es interesante considerar las características del detector ideal;
de acuerdo con el gran físico experimental R. Hofstadter, éstas deberían ser
las siguientes:
a) Eficiencia del 100%, b) buena resolución temporal, e) buena resolución
en energía, d) buena linealidad (proporcionalidad) en la respuesta, e) capa
cidad para detectar todo tipo de radiaciones, f) amplio intervalo de ener
gías, g) gran ángulo sólido de captación, h) poder de discriminación entre
radiaciones de diferente naturaleza, i) información direccional, j) bajo
ruido de fondo y k) visualización directa del suceso.
A todos estos requerimientos habría que añadir, en opinión de E.
Segré, el de un precio asequible.
Naturalmente, un detector con todas estas cualidades no es de este
mundo y, en la realidad, cada detector resulta apropiado para un tipo de
radiación y unas condiciones experimentales concretas.
No hay que olvidar que muchos detectores, especialmente los que
hemos denominado de señal eléctrica, no pueden ser utilizados sin un equipo
eléctronico asociado de amplificadores, discriminadores, escalas de canta-
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Lec. 5. Detección y medida de Zas radiaciones.
je, circuitos de coincidencia, analizadores mono o multicanal y otros. Mo
dernamente, además, los sistemas de almacenamiento y tratamiento de los da
tos registrados han pasado a formar parte del equipo de detección y el uti
lizador debe estar familiarizado con la utilización de computadoras, impre
soras y unidades de cinta o disco, entre otros dispositivos que o mi timos
para no ser prolijos.
¡,· DETECTO~ES DP"GAS
Estos detectores operan utilizando la ionización que se produce
cuando una partícula atraviesa un gas. Los primeros prototipos fueron dise
ñados y construídos por Geiger en 1908. La mayoría poseen geometría cilín
drica, tal como se esquematiza en la Figura 3, aunque también existen con
geometría plana o esférica. Entre los electrodos se establece una diferencia
de potencial de un centenar a un millar de vol ti os, y , por consiguiente,
un campo eléctrico dirigido del electrodo interior positivo o ánodo al elec
trodo exterior negativo o cátodo.
Supongamos que una partícula alfa de 3 MeV de energía penetra en
un detector de este tipo, deteniéndose en su interior. Teniendo en cuenta
que la energía necesaria para producir un par de iones en un gas es de unos
30 eV, el número total de pares de iones que se liberarán en elinterior del
detector será:
N 6
3 x 10 eV 30 eV
,n5 d . ~v pares e 1ones ( 2)
Bajo la acción del campo eléctrico, los electrones se moverán hacia
el ánodo y los iones positivos hacia el cátodo, generándose así una varia
ción en el potencial existente, que puede ser medida. Dado que, típicamente,
la capacidad de un contador de gas es unos 50 pF, la amplitud de la señal
obtenida será:
V = .'1 e 105
X 1.6 X 10-19 e 50 X 10-12 F
-3 "o. 5 X lO V
es decir, inferior a la milésima de voltio.
0.5 mV ( 3)
Los electrones se desplazan mucho más rápidamente que los iones
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I. Deteetores de gas.
/~ar~ícula ¡/' 1on1zan te
/
i""!-ll!==!----------t~------l::::::ll-t;3~-ll R--fAm·pl í ficaor y Con
tador.
Fig. 3.- Esquema de un detector de gas. Una cámara cilíndrica, llena de un gas apropiado, rodea al electrodo central, que se encuentra a potencial positivo respecto del electrodo exterior. los iones liberados en el gas por el paso de la partícula incidente se desplazan hacia los electrodos bajo la acción del campo eléctrico.
positivos, cuya masa es muy superior, y alcanzan el electrodo central en
un tiempo, llamado tiempo de colección, del orden de 10-6s. Los iones posi
tivos tienen tiempos de colección mil veces superiores a los de los electro-
nes.
Sí el detector de gas trabaja en modo de corriente, será de esperar
una intensidad:
i g t
(4)
es decir, fracciones de diezmillonésima de Amperio. No es de extrañar, a
la vista de las cantidades (3) y (4), que los circuitos asociados a los de
tectores de gas estén equipados frecuentemente con dispositivos de amplifi-
cación.
Un parámetro esencial para determinar el comportamiento de un de
tector de gas es la tensión aplicada a sus electrodos. En la Figura 4 se
representa el número de iones recogidos por los electrodos en función de
dicha diferencia de potencial. Cuando la tensión aplicada es pequeña y el
campo eléctrico en el interior del detector es débil, una parte de los elec
trones e iones positivos liberados al paso de la partícula ionizante se
recombinan antes de alcanzar los electrodos. Tenemos así la llamada zona
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Lec. 5. Detección y medida de las radiaciones.
4 1 6
10 ~--+---~---r---t---tT-7--1 5 :;
V! ¡ 10
3
:.
~ - ~ 1 4 Ji ·: 10
2 t---+---+--+-H-//-t-t--f---j
! r: ! 3 :;f : ] 10 1: 2 1 ); 1
i r-: :..---/1 < ·[>;,--~~~~~ :
1 ljl' '
100 200 300 400 500 600
tensión aplicada (V)
Fig. 4.- Número de iones recogidos por los electrodos en función de la tensión aplicada a un contador de gas para dos radiaciones de diferente poder de ionización.
l. Zona de recombinación. 2. Zona de saturación. 3. Zona de proporcionalidad estricta. 4. Zona de proporcionalidad límitada. 5. Zona Geiger 6. Zona de descarga continua.
de recombinación. A medida que crece la tensión aplicada, y con ella el cam
po eléctrico, disminuye la recombinación, y a partir de un cierto voltaje,
todos los iones que se forman alcanzan los electrodos Esta es la zona de
saturación. Para tensiones más elevadas, los iones adquieren suficiente ene~
gía para ionizar a su vez el gas en su desplazamiento hacia los electrodos,
produciéndose el fenómeno denominado multiplicación, debido principalmente a
los electrones acelerados. Entramos así en la llamada zona de proporcionali
dad estricta, en la que el número de iones primarios liberados n se multi
plica por un factor M, conocido como factor de multiplicación, alcanzando 4
los electrodos nM iones. El factor M varía normalmente entre 1 y lO , cre-
ciendo con la tensión aplicada al contador. Cuando el producto nM es muy
elevado, del orden de 1011
, M deja de ser independiente de la ionización
primaria y, tal como se observa en la Figura 4, la curva correspondiente
a las partículas más ionizantes crece más lentamente que la correspondiente
a las menos ionizantes, definiendo la llamada zona de proporcionalidad li
mitada. Al final de dicha zona, se entra en la denominada zona Geiger, en
la que el número de iones que alcanzan los electrodos es independiente de
la ionización primaria. M crece con la tensión aplicada alcanzando valores
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5.I. Detectores de gas.
9 de hasta 10 , pero nM no depende de la energía de la radiación incidente.
Por último, en la zona de descarga continua, la tensión aplicada es tan alta
que los iones positivos, fuertemente acelerados, arrancan electrones del
cátodo, originándose una descarga automantenida que inutiliza el contador.
Es interesante destacar que en las zonas de saturación y de pro
porcionalidad, el .contador es capaz de distinguir entre partículas ionizan
tes de distinta energía, mientras que en la zona Geiger tan sólo puede 11 con
tar11 partículas, sin separar las de distinto poder de ionización.
Además de la tensión aplicada, existen otros parámetros que influ
yen en el comportamiento y prestaciones de un contador de gas. Entre ellos
destacaremos la naturaleza y presión del gas de llenado, así como el tamaño
y geometría del contador. A continuación, nos referiremos brevemente a los
tipos más comunes de detector de gas.
2. Gámaras de ionización •" Una cámara de ionización es un contador de gas
en el que todos los electrones y, en ocasiones, los iones positivos libera
dos por la radiación incidente son colectados por los electrodos, bien sea
en forma de pulso o de corriente. En una cámara de ionización ideal toda
la carga generada por ionización es registrada, sin que haya recombinación
ni multiplicación alguna. La geometría de las cámaras de ionización suele
ser plana o cilíndrica. El esquema de una cámara plana se muestra enla Figu
ra 5.
+
R señal de salida
.-~~MM~·-----~--_,1----•
-;-:---:-;,_JIIIIIIIríá.nc>CF~~ig. 5.- Esquema básico de una cámara - de ionización plana. El detector tiene
radiación una capacidad C y la tensión aplicada es V.
gas
En una cámara de ionización plana, el campo eléctrico entre los
electrodos es uniforme y constante, y viene dado por
V E =
d ( 5)
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Lec. 5. Detección y medida de las radiaciones.
donde V es la tensión aplicada y d la distancia entre los electrodos. E
suele ser del orden de 100 voltios/cm.
Bajo la acción del campo eléctrico, los iones positivos y los elec
trones creados por las interacciones con la radiación incidente, se despla-
zan hacia los respectivos electrodos.
do con una velocidad neta de deriva
Los electrones se mueven hacia el áno-6 de unos 10 cm/s y los iones positivos
lo hacen en dirección opuesta, con una velocidad unas mil veces inferior.
A medida que los electrones se aproximan al ánodo, provocan una disminución
del potencial de dicho electrodo, disminución que alcanza un máximo en el
instante en que todos los electrones liberados han alcanzado el ánodo. Los
iones positivos causan un efecto similar, aunque mucho más lento, en el cá-
todo.
La carga colectada tiende a circular a través de la resistencia
de carga R y la fuente de alimentación. Si estas resistencias son muy peque
ñas, la cámara trabaja en modo de corriente, dando lugar a una intensidad
que se puede amplificar y medir. Si R es muy grande, la cámara acumula carga
y el voltaje disminuye de forma continua. Cuando la cámara trabaja a impul
sos, cada partícula es registrada mediante una señal a través del condensa
dor C , que actúa como un filtro, bloqueando la tensión continua y dejando e
pasar tan sólo el impulso superpuesto v. La variación de la tensión aplicada
y el impulso registrado en función del tiempo se ilustran en la Figura 6.
Si la constante de tiempo RC es infinita, la carga se acumula en los elec
trodos. Para valores finitos de RC, el impulso decrece exponencialmente,
tras haber alcanzado su máximo.
Para valores de RC muy pequeños,la cámara no es capaz de integrar
toda la carga debida a la colección de los electrones. Lo ideal sería un
impulso lo bastante largo para integrar sólo la carga debida a los electro
nes, de forma que se pudiera medir toda la carga de un signo. El tiempo que
debe transcurrir para que la cámara distinga dos partículas sucesivas se de
nomina tiempo muerto y el tiempo que necesita para recuperar el valor ini
cial de la tensión aplicada, tiempo de recuperación.
Si el tiempo muerto es superior a 1 ms, se integra toda la carga
debida tanto a electrones como a iones positivos y la amplitud del impulso
es proporcional a la energía depositada en la cámara. Esta puede actuar como
espectrómetro de energías. Además, la cámara de ionización posee la propie-
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#5.2. Cámara de ionización.
~ ., ~ u ·~ ~
Re pequeña ~r----------;~,_------~--------~~-.------~t~l~.e--m_p_o ____ _
e ~'0
·~ ~ e ~ ...,
RC + CX)
RC + CD
~~------~[_+---~~--=:~~--~---------------Re pequeña tiempo
1 1 1 ~~~, __________________ _.
l~s 1 ms
Fig. 6.- Variación de la tensión aplicada (arriba) y del impulso producido por el paso de una partícula ionizante en
función del tiempo. El impulso tiene dos partes bien diferenciadas, debido a la colección de los electrones y de los iones positivos, respectivamente.
dad de que, al recoger toda la carga liberada por ionización, y sólo ésta,
puede medir directamente y con precisión la exposición y la dosis. Así, el
número de pares de iones recolectados será:
E n
( 6)
w
siendo E la energía de la partícula y w la energía necesaria para crear un
par de iones en el gas de llenado, que puede ser, por ejemplo, aire. La car
ga total recolectada será, obviamente:
q = ne
La amplitud del impulso:
V=.:!.__=~ e e
( 7)
( 8)
135
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Lec. 5. Detección y medida de las radiaciones.
es proporcional a la carga total de cada signo recolectada. TÍpicamente,
las amplitudes son del orden del milivoltio y requieren amplificaciones del 4
orden de 10 o superiores.
Hay que señalar que la resolución en energía de las cámaras de
ionización es excelente. Así resoluciones del 2 o del 3% pueden considerarse
representativas.
Para mantener una cámara de ionización en buenas condiciones de
funcionamiento, hay que controlar la intensidad del campo eléctrico y la
presión del gas de llenado. Un campo demasiado elevado o una presión dema
siado baja puede dar lugar a multiplicación, con lo que el contador trabaja
ría en la zona de proporcionalidad. Un campo demasiado débil o una presión
demasiado alta pueden dar lugar a recombinación.
Un tiempo muerto excesivamente largo tiene el inconveniente de limi
tar la resolución temporal del contador. Reduciendo la constante RC se pue
de integrar únicamente la carga debida a electrones, pero en este caso la
amplitud del impulso dependerá de la posición en que se ha producido la ioni
zación y empeorará la resolución en energía. La manera de eliminar la depen
cia de la posición consiste en utilizar las llamadas cámaras con reja.
El fundamento de este tipo de cámaras de ilustra en la Figura 7.
Se intercala una reja a un potencial algo inferior al del ánodo, quedando
éste apantallado. Así, toda la contribución al pulso viene de la zona com
prendida entre la reja y el ánodo. La presión del gas y la distancia cátodo
reja son tales que todas las partículas cargadas registradas se detienen
entre el cátodo y la reja.
Cuando las cámaras poseen geometría plana, el campo eléctrico pier
de su uniformidad en los bordes de los electrodos y en dicha región la co
lección de los iones es incompleta. Para corregir este inconveniente se uti
lizan los llamados anillos de guarda. Estos son coplanares y al mismo po
tencial que el electrodo colector, pero no están conectados al sistema que
recoge la señal exterior. Se define así un volumen sensible en el que el
campo eléctrico es perfectamente uniforme.
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#5.2. Cámara de ionización.
R Ce señal de
1 salida ..
+
Fig. 7.- Esquema de una cámara de ionización con reja.
reja
radiación
Ya hemos mencionado que las cámaras en que la constante RC es vir-
tualmente infinita permiten medir la carga que se va deposi tanda en los
electrodos a través de la disminución gradual de la tensión aplicada. Se
denominan cámaras integradoras y destacaremos la llamada cámara de paredes
de aire y la cámara de cavidad.
En la cámara de paredes de aire, cuyo fundamento se puede visuali
zar en la Figura 8, el gas de llenado es aire y el volumen sensible es pe
queño comparado con el tamaño total de la cámara.
elect. elect. colector guard¿
¡ r cátodo
~-volu~en ¡ ¡ sens1ble 1 1
- blindaje -:¡: ánodo
R Fig. 8.- Cámara de paredes de aire. Se supone que la ionización
que se pierde a la derecha del volumen sensible es compensada por la liberada en la 11 pared11 de aire a
la izquierda del mismo.
Estas cámaras son de gran tamaño y de manejo incómodo. Se utilizan para ca
libración y medidas absolutas.
En la cámara de cavidad, cuya geometría se ilustra en la Figura
9, la pared de la cámara tiene una densidad mil veces superior a la del gas
de llenado, pero está constituida por un material de poder de frenado másico
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Lec. 5. Detección y medida de ~as radiaciones.
para electrones y coeficiente de atenuación másico para radiación electro
magnética iguales a los del gas de llenado. Las más utilizadas son las cá
maras equivalentes a aire y las equivalentes a tejido.
Gas
Pared
aislante
electrodo colector
Fig. 9.- Esquema de una cámara de cavidad. Estas cámaras son de pequeño tamaño y muy útiles en óosimetría.
Otro tipo de cámaras integradoras muy utilizadas son los dosíme
tros personales tipo "pluma". Nos referiremos a ellos más adelante.
El modo operacional denominado de corriente se logra suprimiendo
el condensador de acoplamiento C y disminuyendo el valor de la resisten-e
cía R que aparecen en la Figura 5. La intensidad debe ser amplificada me-
diante un amplificador de corriente continua y resulta proporcional a la
tasa de exposición. Estas cámaras son muy útiles para medir dosis elevadas
de radiación.
En las cámaras de ionización a impulsos, el gas de llenado suele
ser un gas noble, habitualmente argon. Otros gases como hidrógeno, metano
o nitrógeno resultan menos adecuados por su mayor facilidad para capturar
electrones, sustrayéndolos del pulso a medir. En cuanto a gases con una gran
afinidad electrónica como el Oxígeno o los·haiógenos, no son apropiados para
las cámaras a impulsos.
Es corriente añadir al gas noble de llenado un pequeño porcentaje
de metano o anhidrido cárbonico con el fin de ''enfriar" la descarga y aumen
tar la velocidad de deriva de los electrones hacia el ánodo.
En cualquier caso, los gases de llenado de las cámaras de ioniza
ción debeh ser de una elevada pureza.
En las cámaras integradoras o de corriente el gas de llenado no
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#5.3. Contadores pPoporcionaLes.
es crítico y se puede utilizar aire, dado que todos los iones son recolecta
dos y contribuyen a la señal.
13, 'Contadores, ro orcionales. Los contadores proporcionales son contadores
de gas que trabajan en la región de proporcionalidad estricta, es decir,
en la región 3 de la Figura 4. El campo eléctrico es lo suficientemente in
tenso para crear nuevos electrones secundarios en las colisiones de los elec
trones primarios con los iones del gas. Se produce así una avalancha, en
la que por cada par de iones primario, se generan M pares de iones, siendo
M el llamado factor de multiplicación, comprendido habitualmente entre 1
y 104
• Este proceso se ilustra en la Figura 10.
E campo
eléctrico
+o
e • electrón primario
Fig. 10.- Idealización de una 11 avalancha11 en un contador proporcional.
La amplitud del impulso generado es:
n M e v = e
( 9)
claramente proporcional al número de pares de iones primarios n, con lo que
el contador proporcional, al igualque la cámara de ionización puede trabajar
como espectrómetro de energías. La resolución que se alcanza es similar a
las de las cámaras de ionización, es decir, del orden del 2 ó 3%.
A diferencia de las cámaras de ionización, cuya geometría puede
ser plana o cilíndrica, los contadores proporcionales siempre tienen geome
tría cilíndrica. El campo eléctrico obedece a la expresión:
E = ---,-v'----r:-,---c,-r ln (b/a) (lO)
139
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Lec. 5. Detección y medida de Las radiaciones.
siendo V la tensión aplicada, r la distancia al electrodo central, a el
radio del electrodo central y !?_ el del electrodo exterior. El ánodo suele
ser un hilo delgado, con lo que b » a.
Este tipo de geometría produce un campo eléctrico muy intenso en
una zona estrecha alrededor del ánodo, y las avalanchas se producen para
r < r , siendo r una distancia crítica muy pequeña. De esta manera, se eli-c e
mina la dependencia de la forma del impulso de la distancia a la que se pro-
duce la ionización. Dicha independencia se conseguía en las cámaras de ioni
zación intercalando una reja a potencial intermedio. En los contadores pro
porcionales, es la propia geometría la que la determina. La situación se
ilustra en la Figura 11.
aislante
R
J s:ñal e
Fig. 11.- En un contador proporcional, las avalanchas se concentran en un estrecho cilindro de radio r alrededor del hilo central.·
e
La forma del impulso entregado por un contador proporcional presen
ta una sUbida inicial muy rápida seguida de una sUbida cada vez más lenta.
Los electrones casi no contribuyen a la formación del impulso, por haber
sido liberados junto al hilo central y aquél se debe fundamentalmente a los
iones positivos. Ajustando la constante de tiempo RC se pueden conseguir
impulsos de mayor o menor amplitud, entre unas milésimas y unas décimas de
voltio. Si se desea proporcionalidad completa entre la energía y la amplitud
del impulso, la constante de tiempo debe ser, como mínimo, del orden del
tiempo de colección de los iones positivos, es decir, unos 100 ¡.tS. Si se
desea sacrificar resolución en energía para ganar resolución temporal, se
pueden utilizar constantes de tiempo inferiores, llegándose a tiempos muer
tos del orden de 1 ~s.
140
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#5.3. Contadores proporcionales.
Los gases de llenado más apropiados en los contadores proporciona
les son mezclas de gases nobles, principalmente Argon, con una pequeña can
tidad de un gas orgánico. La mezcla conocida como P-10, consistente en un
90% de Argon y un lO% de Metano, es muy utilizada. Al igual que en las cá
maras de ionización, la presencia del compuesto orgánico ''desactivador'' o
gas de extinción contribuye a disminuir el recorrido libre medio de los
electrones, aumentando su velocidad de deriva hacia el ánodo. Pero, además,
gracias a las moléculas de metano o de dióxido de carbono mezcladas con las
de Argon, se evita que los fotones X y ultravioleta procedentes de la de
sexci tación de los átomos de la avalancha extiendan ésta a una zona dema-
siado extensa por fotoionización de otros átomos&
Para que un contador proporcional tenga una buena eficiencia de
detección de partículas cargadas, álfa o hata, el espesor de su ventana debe
ser lo más delgado posible. Incluso, para partículas alfa o beta de muy baja
energía, resulta necesario suprimir la ventana. Se tienen así los llamados
contadores de flujo continuo, cuya estructura se esquematiza en la Figura
12. La muestra radiactiva a estudiar se coloca en el interior del contador
a través del cual fluye continuamente el gas de llenado. El electrodo colec
tor es un lazo de alambre muy fino, de unas centésimas de milimetro de espe-
sor
lámina corredera
colector
fuente radiactiva
salida de gas
anillo de goma
Fig. 12.- Representación esquemática de un contador de flujo continuo de gas. La muestra que se estudia está en el interior del contador, con lo que se suprime la absorción de
la ventana.
En la figura 13 se muestra la gráfica de los impulsos por unidad
de tiempo en función del vol taje aplicado a un contador de flujo continuo
de gas en cuyo interior se ha colocado una muestra radiactiva de un emisor
mixto alfa-beta.
141
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Lec. 5. Detección y medida de Las radiaciones.
::: 2000
" " •.-! ¡;¡ --Ul 1000 o Ul
,...¡
" ¡j' H 1400
plateau beta
p1ateau alfa
1600 1800 2000 2200 2400
Tensión aplicada (voltios)
Fig. 13.- Curva de contaje en función de la tensión aplicada para un contador de flujo continuo en cuyo interior hay un emisor mixto alfa-beta.
Para un intervalo de valores de la tensión, tan sólo se cuentan
las partículas alfa, de mayor poder ionizante. A partir de un cierto umbral
comienzan a contarse también partículas beta, de menor poder de ionización.
Obsérvese el diferente comportamiento de los dos plateaus debido al carác
ter monoenergético de las partículas alfa y al espectro continuo de las
energías de las partículas beta.
4. ContadoreS> Gei er -'v'Miillen. Al igual que los contadores proporciona
les, los contadores Geiger-Müller se construyen con geometría cilíndrica,
pero trabajan a una tensión más elevada.
En consecuencia, la distancia crítica r , la extensión de la ava-c
lancha y el poder de multiplicación M aumentan. La gran cantidad de fotones
ultravioletas que se producen dan lugar al desprendimiento de fotoelectro
nes en las proximidades, que a su vez generan nuevas avalanchas, hasta que
la descarga se extiende a todo el electrodo central en un tiempo de aproxi
madamente 10-7 s. La situación se ilustra en la Figura 14.
La amplitud de los impulsos es elevada, del orden del vol ti o, e
independiente de la energía de la radiación incidente. El contador Geiger
Müller no puede trabajar como espectrómetro de energías, pero a cambio po
see una gran eficiencia para partículas débilmente ionizantes y no necesita
amplificación.
142
![Page 19: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/19.jpg)
radiación
incidente
ventana delgada
#5.4. Contadores de Geiger-Müller.
+ A.T.
R
1 se:al e
aislante
Fig. 14.- En un detector de Geiger-Müller, la _descaga ~se
extiende a todo el electrodo central propagada por la gran cantidad de fotones generados.
En un contador Geiger, la principal misión del gas de extinción
es impedir el fenómeno de reciclado. Los iones positivos que llegan al cá
todo, debido a su gran número y energía, pueden arrancar electrones del mis
mo, originándose nuevas avalanchas espúreas de forma automantenida. La pre
sencia de un pequeño porcentaje de alcohol o de halógeno mezclado con el
gas noble de llenado evita este efecto no deseado. Los potenciales de ioni
zación de estos gases de extinción son inferiores a los de los gases nobles
y en las colisiones entre moléculas de éstos y moléculas del gas de extin
ción, la ionización se transfiere, con lo que los iones que alcanzan el
cátodo son los del gas de extinción que, al neutralizarse, se disocian sin
arrancar electrones que provocarían nuevas avalanchas. Los contadores Geiger
de halógeno tienen superiores prestaciones a los de alcohol, siendo su vida
útil mucho mayor y pudiendo trabajar a tensiones más moderadas. La vida
útil de un contador Geiger de halógeno está comprendida entre 1010
y 1013
cuentas.
La nube de iones positivos que se produce en la descarga disminuye
el campo eléctrico en el interior del contador Geiger, dejándolo inactivo
hasta que dichos iones positivos están lo bastante próximos al cátodo. Los
tiempos muerto y de recuperación de un contador Geiger son típicamente de
100 ~s y 200~s, respectivamente. Estos elevados valores del tiempo muerto
constituyen una limitación de este tipo de detectores, y los hace poco apro
piados para grandes tasas de contaje.
143
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Lec. 5. Detección y medida de Las radiaciones.
Un rasgo interesante de los contadores Geiger es su denominada
curva característica, que refleja la variación de la tasa de contaje con
la tensión aplicada para una fuente de actividad constante a una distancia
fija del detector. La forma de dicha curva se representa en la Figura 15.
Para tensiones inferiores a un cierto umbral, el contador no registra la
radiación incidente. A partir de un determinado valor del voltaje aplicado,
el contador registra de manera incompleta, por no ser suficiente la amplitud
de todos los impulsos. Por encima del voltaje v1
, todas las partículas que
interaccionan en el volumen del contador son registradas y la tasa de conta
j e se mantiene prácticamente constante, en el llamado plateau, hasta que
se entra en la zona de descarga continua al superarse la tensión v2
. La an
chura del plateau v2- v1
suele ser de unos 200 voltios y la pendiente del
2 ó 3% por cada 100 voltios. El deterioro o el envejecimiento del contador
se traducen en un acortamiento del plateau y en un aumento de la pendiente
de la curva característica. La tensión idónea de trabajo se sitúa en el cen-
tro del plateau.
o '-'
1500
g 1000 .,.., 13 ...._ ~ 500 <JJ
M
" ~ o
--~ ··t' e n aJe 1
i compl to 1
' ./ ¡¡
H 700 800
reciclado y
dese r----··· rga contin V' plc tea u _..... -
1 1 1 -----·----- --1 1 1 1
900 1000 1100
Tensión (voltios)
Fig. 15.- Curva característica de un contador de Geiger-Müller.
Los contadores Geiger son ideales para la detección de partículas
beta. A tal fin, deben ir provistos de una ventana muy delgada, generalmente
de mica, de unos pocos mg/cm2
. La absorción en la ventana disminuye la efi
ciencia de contaje para partículas beta poco energéticas y para partículas
alfa. Los contadores Geiger también pueden construirse en forma de flujo con
tinuo y eliminar consiguientemente la ventana.
144
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5.II. Detectores de centeLLeo.
Para la detección de rayos X y y , los contadores Geiger se cons
truyen con paredes metálicas relativamente gruesas o de vidrio, con el
fin de que los fotones a detectar interaccionen en las mismas produciendo
electrones por efecto fotoeléctrico. En cualquier caso, la eficiencia de
contaje de los detectores Geiger para radiación electromagnética es muy
baja, excepto para rayos X inferiores a 20 KeV, en que puede aproximarse
al 50%.
5. Detección de rneutrones mediante contadores de as. Un contador propor
cional puede utilizarse para detectar neutrones térmicos. Con este fin, el
gas de llenado es trifluoruro de Boro o una mezcla de éste con el gas de
llenado habitual. La partícula alfa y el núcleo de Litio de retroceso produ-
. d l . - 10B ( ) 7L. . l . t d Cl os en a reaccl.on n, a 1 generan 1mpu sos que son reg1s ra os por
el contador. La tensión de trabajo y el nivel de discriminación se pueden
ajustar para que el detector registre únicamente neutrones.
Para detectar neutrones rápidos, el contador se recubre de una sus
tancia rica en hidrógeno, habitualmente parafina. Los neutrones rápidos se
frenan en la parafina antes de penetrar en el contador. Otro tipo de detec
tor de neutrones rápidos utiliza los protones de retroceso de las reacciones
(n, p) que se producen en una envoltura de polietileno que rodea el conta
dor.
Para flujos elevados de neutrones térmicos se pueden utilizar cá
maras de ionización recubiertas con una capa de material físil, tal como 235u. Los productos de fisión generan impulsos de gran amplitud fáciles de
separar de la radiación de fondo débilmente ionizante.
11, DETECTORES DE CENTEfrfrEO
Hemos visto como los detectores de gas se basan en la ionización
producida por una partícula. Los detectores de centelleo utilizan la propie
dad de ciertos materiales de emitir luz visible cuando sus átomos o molécu-
las se desexcitan tras el paso de la radiación ionizante. Así, pues, estos
detectores se basan en el fenómeno de excitación. La luz emitida debe ser
transformada posteriormente en señal eléctrica susceptible de ser medida.
145
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Lec. 5. Detección y medida de Las radiaciones
Los elementos fundamentales de un detector de centelleo son la sus
tancia luminiscente, el acoplamiento óptico y el fotomultiplicador. Su dis
posición se esquematiza en la Figura 16.
F,r==========~~==~~~cristal de centelleo cubierta opaca
capa reflectora
centelleo
~~==~~==~=:~~--acoplamiento líqu1d.o-~~~~~~~f1
r óptico
tubo fotomultipli cador
señal
fuente radiactiva
envoltura opaca
tubo fotomultipli cador
señal
Fig. 16.- (Izquierda).- Detector de centelleo sólido para fuentes externas al detector. (Derecha).- Detector de centelleo líquido para fuentes incorporadas al líquido luminiscente.
La luz producida en la sustancia luminiscente es transmitida por
el acoplamiento óptico al fotocátodo, donde se producen electrones. Estos
electrones, tras amplificación en el fotomul tiplicador son recogidos en el
ánodo dando lugar a la señal eléctrica en forma de impulso.
6 ,, Sustancias luminiscentes. Existe una gran variedad de sustancias lumi
niscentes, incluyendo cristales inorgánicos y orgánicos, plásticos, vidrios,
líquidos y gases. Admiten formas y volúmenes di versos y pueden incorporar
en su seno muchos aditivos. Todo ello hace de los detectores de centelleo
instrumentos dotados de una gran versatilidad.
Dos cualidades esenciales de una sustancia luminiscente deben ser
una gran eficiencia de detección para la radiación relevante y una buena
transparencia a la luz producida en su interior. Asimismo, los electrones
excitados deben volver a su estado normal inmediatamente después del paso
de la radiación, a través del fenómeno denominado fluorescencia. Si los es-
146
![Page 23: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/23.jpg)
#5.6. Sustancias luminescentes.
tados excitados son metaestables y tardan un cierto tiempo en perder su
energía con emisión de luz, se presenta el fenómeno conocido como fosfores
cencia, altamente indeseable para un detector de centelleo.
Los compuestos inorgánicos fluorescentes más utilizados en detec
tores de centelleo son el Sulfuro de Zinc activado con plata, ZnS (Ag) y
el Ioduro de Sodio activado con Talio, Na I ( T l ) El primero resulta a pro-
piado para la detección de partículas cargadas, tales como partículas alfa
o productos de fisión. Se deposita en forma de fina capa de polvo prensado
sobre una lámina de plástico transparente. Para la detección de partículas
alfa es suficiente un espesor de unos pocos mg/cm2
. Las partículas alfa
son absorbidas perdiendo toda su energía y la luz producida es transmitida
prácticamente en su totalidad.
En cuanto al N a I ( T l ) constituye el centelleador inorgánico por
excelencia. Su alta eficiencia de conversión luminosa, su excelente transpa
rencia y su elevada sección eficaz fotoeléctrica al estar formado por un
gran porcentaje de átomos de Iodo, cuyo número atómico es relativamente
grande (Z = 53) hacen de él el cristal inorgánico más útil y más usado
en los detectores de centelleo. Los monocristales de Nai se presentan co
mercialmente en forma cilíndrica y pueden fabricarse en tamaños considera
bles, de hasta un litro de volumen. Dado que pierden su transparencia con
la humedad, se montan en cápsulas opacas y herméticas con una pared transpa
rente para su acoplamiento óptico al fotomultiplicador.
En los centelleadores orgánicos, la fluorescencia es un proceso
a nivel molecular individual a diferencia de lo que sucede en los cristales
inorgánicos, donde es una propiedad de toda la estructura cristalina. Debido
a ello, los centelleadores orgánicos pueden usarse en forma sólida, líquida
en disolución, o gaseosa.
Los cristales orgánicos más utilizados son antraceno, estilbeno
y terfenilo. Este último puede prepararse en disoluciones transparentes,
cuyo volumen puede alcanzar centenares de litros. Asimismo, se puede incor
porar a plásticos, que se manufacturan en bloques a los que se puede dar
la forma más conveniente.
En cuanto a los líquidos luminiscentes orgánicos son especialmen-
147
![Page 24: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/24.jpg)
Lee. 5. Detección y medida de Las radiaciones.
te útiles en las aplicaciones biomédicas y, en particular, en el estudio
de compuestos marcados. Son corrientes los llamados centelleadores líqui
dos binarios, consistente en un compuesto luminiscente orgánico disuelto
en un solvente, asimismo orgánico. "Entre los so lutoS destacan el PPO
( c15 H11
NO ) y el PBD ( c20
H22
N2
0 ) , siendo disolventes de gran acep
tación el tolueno y el xileno.
Tanto en los centelleadores orgánicos como inorgánicos la emisión
luminosa es máxima inmediatamente tras el paso de la partícula ionizante,
decayendo a continuación de forma exponencial. La constante de decaimiento
de la intensidad luminosa en los centelleadores orgánicos es del orden del
nanosegundo, mientras que en los inorgánicos es algo más larga, de algunos
microsegundos.
Los cristales inorgánicos son detectores ideales para la radiación
gamma debido a su elevado número atómico medio.
Los centelleadores orgánicos resultan más apropiados para la detec
ción de radiación beta, dado que su bajo número atómico medio disminuye la
posibilidad de retrodispersión. Por otra parte, su menor sensibilidad a la
radiación gamma permite contar partículas beta en presencia de un fondo de
radiación gamma.
7. Aco 1amiento~ó tico. En el proceso de centelleo, la luz se emite en
todas direcciones y debe ser canalizada hacia el fotocátodo. Con este fin,
las paredes de los cristales centelleadores están perfectamente pulimentadas
salvo la que encara el fotocátodo. Además, se recubren de un reflectante
tal como Oxido de Magnesio o de Aluminio. Entre el cristal y el fotocátodo
se intercala un aceite de índice de refracción intermedio entre el del cris-
tal y la ventana transparente del fotomultiplicador con objeto de eliminar
las reflexiones al máximo.
En el caso de los centelleadores líquidos, no es posible incorporar
todas estas características y frecuentemente el envase que contiene la mues
tra está simplemente acoplado al fotomultiplicador con un aceite ópticamente
adecuado o incluso, cuando hay dos detectores en coincidencia, no existe
acopLamiento óptico alguno.
Un tubo fotomultiplicador es un tipo especial de
148
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#5.8. FotomuLtipLicadores.
válvula electrónica que consta de un fotocátodo, una serie de electrodos
sucesivos denominados dinodos a potenciales positivos crecientes y un elec
trodo colector o ánodo. Todos estos elementos están contenidos en una cáp
sula de cristal en la que se ha hecho el vacío.
El fotocátodo es una capa de material fotosensible en la que los
fotones producidos en el centelleador producen electrones. Estos fotoelec
trones son acelerados hacia el primer di nodo a potencial positivo y allí
se generan nuevos electrones secundarios, cuatro o cinco por cada electrón
incidente. Este proceso se repite en cada dinodo, con lo que se logra una
amplificación que oscila entre 106 y 109 , según el número de dinodos, que
suele estar comprendido entre 8 y 14. El impulso recogido en el ánodo puede
alcanzar amplitudes entre lO mV y 1 V. El esquema de un tubo fotomultiplica
dor y de la multiplicación sucesiva del haz de electrones se muestra en la
Figura 17. La alta tensión aplicada al tubo se reparte entre los di nodos
mediante un divisor de tensión, alcanzando un valor total comprendido entre
600 y 2000 V. La diferencia de potencial entre dos dinodos sucesivos suele
ser de unos 100 a 150 V.
fotocátodo de vidrio
_j
Fig. 17.- Representación esquemática de un tubo fotomultiplicador.
Al asociar un fotomul tiplicador a una sustancia luminiscente, la
sensibilidad espectral del fotocátodo debe ajustarse en la mayor medida po
sible al intervalo de longitudes de onda emitidas por el centelleador, con
el fin de optimizar la respuesta.
En cuanto a la fuente de alta tensión que alimenta el tubo fotomul-
149
![Page 26: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/26.jpg)
Lec. 5. Detección y medida de Las radiaciones.
tiplicador, debe estar muy bien estabilizada, ya que la ganancia del tubo
depende muy marcadamente de la tensión y pequeñas variaciones de la misma
alterarían sensiblemente la proporcionalidad con la consiguiente pérdida
de resolución.
Otra característica no deseable es la denominada corriente de oscu
ridad, causada por los impulsos parásitos que se originan en la emisión tér
mica de electrones en el fotocátodo o por los fotoelectrones producidos por
la radiación gamma de las impurezas radioactivas del tubo. Para evitar este
ruido se puede enfriar el tubo y utilizar materiales con un mínimo contenido
de radioactividad. Dado que el enfriamiento del tubo no resulta cómodo, un
circuito discriminador adecuado elimina los impulsos de amplitudes inferio
res a un cierto umbral, aunque sacrificando sensibilidad para radiación de
baja energía.
La resolución en energía de un contador de centelleo, fruto de las
fluctuaciones estadísticas en el centelleador y de la imperfecta transfor
mación de luz en electrones en el fotocátodo, así como a la corriente de
oscuridad, suele ser del orden del 7 o 8%.
te,
La resolución temporal de los tubos
estando típicamente comprendida entre 2
fotomultiplicadores es excelen--9 -8
x 10 y 10 s. Esta propiedad
hace de los contadores de centelleo instrumentos muy adecuados para medir
altas tasas de contaje.
9. Es ectrosco ia de ,radiaci6n atmna mediante' cristales inor ánioos. Ya
hemos indicado que si la tensión aplicada al fotomultiplicador está correc
tamente estabilizada, la amplitud de la señal resulta proporcional a la
energía del fotón incidente. Los contadores de centelleo pueden actuar, por
consiguiente, como espectrómetros de energía. En particular, los cristales
de Nai (Tl) son ampliamente utilizados en el estudio de espectros de emi-
sores gamma.
La radiación gamma, según se ha indicado anteriormente en este li
bro, puede interaccionar en el interior del cristal por efecto fotoeléc
trico, efecto Compton o creación de pares. En todos estos procesos, la ab
sorción de la energía del rayo gamma incidente en." .. eL:cristal puede.:ser to
tal oparcial de acuerdo con dicha energía y con el tamaño del cristal. El
150
![Page 27: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/27.jpg)
#5.9. Espeetroseopia de radiaeión gamma mediante eristales inorgánieos.
espectro que resulta puede ser bastante complejo y su aspecto teórico se
esquematiza en la Figura 18. para radiación monoenergética de 2 MeV.
B e
distribución 1 1 1 Compton 1 1 1 1 1 1 1 1 1
' ' 0.5 1 1.5
A
2
Fig. 18.- Espectro ideal correspondiente a radiación gamma monoenergética de 2 MeV en un detector de Nal(Tl). A:. Fotopico. 8: Pico
de escape simple. C: Pico de escape d ob 1 e.
Energía, en MeV
Aquellos rayos gamma que son totalmente absorbidos se si tuan en
el fotopico. Los que experimentan interacción Compton y a continuación salen
del cristal determinan la aparición de un fondo continuo desde cero hasta
un valor máximo. La creación de pares va seguida de aniquilación del posi
trón con escape de uno de los fotones de 0.511 MeV, o de ambos, determinando
la aparición en el espectro de los llamados picos de escape simple y doble.
En la práctica, los espectros tienen el aspecto que se indica en
la Figura 19, donde
ción gamma emitida
tes tamaños. El 24
se muestra el resultado de medir la energía de la radia-24
por el Na y detectada con dos cristales de diferen-
Na emite dos rayos gamma característicos de 1.37 y 2.75
MeV. Los correspondientes fotopicos son más aparentes en el espectro obteni
do con el cristal de mayor tamaño. Asimismo, se advierten los picos de esca-
pe simple y doble.
Cuando se realizan medidas de actividades muy bajas se rodea el
detector de un grueso blindaje de plomo con el fin de disminuir los impul
sos parásitos procedentes de la radiación natural.
151
![Page 28: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/28.jpg)
Lee. 5. Detección y medida de Las radiaciones.
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Cristal dciTii'f6ñ L--~- 1 ¡' __ -~~= ~-- ---.- - F. ------ ----f--- ---- - -- --- --r----- ----- --- -- " - -- --- - --
--¡-
-- -------- ------- -----~--1----i
f-- -- --1 .
f------+--+--1-----+------ --- -1------+---+--i--- --+---+-+--f----t----- ------ ---------- -----
. -·--------+----------1
L__
o 20 40 60 80 100 120
Amplitud
24 Na ( 15 h) 11
4.123 MeV
S
1 . 369 ~1eV --.-+---0.
/!¡ Mg 12
Fig. 19.- Espectro de la radiación gamma del Sodio-24 obtenido con dos cristales de Nai(Tl) de distinto tamaño. Se pueden apreciar los picos de
escape simple y doble, siendo
de mayor importancia relativa los del cristal pequeño que
los del grande.
I I I •" DETECTORES DE! SEMI CONDUCTOR
El fundamento de los detectores de semiconductor es análogo al de
las cámaras de ionización, reemplazando el gas por un sólido. Sin embargo,
el mayor poder de frenado y la menor energía necesaria para crear un par
de iones hacen que la eficiencia de detección y la resolución en energía
sean muy superiores para los detectores de semiconductor.
Por otra parte, el campo eléctrico creado en el seno de un sólido
al aplicar una determinada diferencia de potencial es muy inferior al
correspondiente en un gas, por lo que las condiciones de trabajo de los
152
![Page 29: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/29.jpg)
#5.12. Fundamento de los detectores de semiconductor.
d~,tectores de semiconductor no permiten la aparición de multiplicación, como
sucede en los contadores proporcionales o Geiger.
>:LO."Estrúctuna ener ética de los'sólidos. Tal como se ha explicado en lec
ciones anteriores, los electrones de un átomo aislado ocupan niveles ener
géticos discretos. Cuando se reúnen muchos átomos para formar una estructura
cristalina, estos ni veles discontinuos se distorsionan y aparecen bandas
de energía permitidas separadas por intervalos prohibidos. Las bandas se
ocupan por orden creciente de energía, al igual que sucede con las capas
atómicas. Las dos bandas más externas reciben el nombre de banda de valencia
y banda de conducción, y es la separación entre ambas la que determina el
carácter aislador, semiconductor o conductor de un sólido. En la Figura 20
se esquematizan las bandas de valencia y de conducción de un sólido siendo
E g E g
la separación entre ambas. El diamante, aislador característico, tiene
~ 7 e V, el Silicio, semiconductor, tiene Eg ~ 1.1 e V y el Plomo, conduc-
tor, E · ~ O. Para que exista conducción eléctrica, la banda más externa debe g
estar parcialmente ocupada y de esta forma, los electrones pueden desplazar-
se bajo la acción de un campo eléctrico externo. La estructura energética
de un aislador, un semiconductor y un conductor se idealizan en la Figura
21. En un aislador, la banda de valencia está totalmente llena, la banda
de conducción vacía y existe una gran separación entre ambas. En un conduc
tor, la separación es prácticamente inexistente y la banda de conducción
está parcialmente ocupada. El semiconductor presenta una situación interme
dia entre las dos anteriores y la pequeña separación entre las bandas de
valencia y de conducción puede ser salvada por electrones excitados térmica
mente, incluso a temperaturas ordinarias. La presencia de impurezas puede
ser decisiva en el comportamiento eléctrico de un sólido y, en consecuencia
en sus propiedades de detección de la radiación.
:Ll. Fundamento de los detectores de semiconductor. En principio, el paso
de una partícula ionizante por un cristal aislador provoca la aparición en
la banda de conducción de los electrones excitados desde la banda de valen-
cia, donde se producen los correspondientes iones positivos o huecos. Si
se establece una diferencia de potencial, se puede registrar un pulso de
corriente al igual que sucede en las cámaras de ionización. Este proceso
se representa en la Figura 22. Sin embargo, la presencia de impurezas impide
una utilización eficaz de estos 11 detectores de cristal 11 • Los átomos de impu
reza no tienen los mismos niveles energéticos que los propios de los átomos
153
![Page 30: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/30.jpg)
Lec. 5. Detección y medida de las radiaciones.
E g
Fig. 20.- Estructura energética de un sólido.
del cristal y determinan la aparición de estados discretos de energía inter
medios entre las bandas de conducción y de valencia. Estos niveles se ioni
zan con facilidad y dan lugar a la aparición de iones positivos en posicio
nes fijas dentro del cristal. Cuando se produce el pulso de corriente al
paso de la partícula ionizante, los electrones que lo constituyen son atra
pados por estos iones positivos en su migración hacia los electrodos y no
se produce señal.
Banda de
(a)
Banda de conducción totalmente vacía
(b)
Banda de conducción
Fig. 21.- Estructura energética de (a) un conductor, (b) un semiconductor y (e) un aislador.
Para tener un detector eficaz, el cristal debería ser de un grado
extremo de pureza, lo que lo hace prohibitivo. Si se quisiera compensar el
efecto retardador de las impurezas aumentando la diferencia de potencial
154
![Page 31: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/31.jpg)
#5.11. Fundamento de los detectores de semiconductor.
V, numerosos electrones de la banda de valencia pasarían a la de conducción
dando lugar a una corriente de fondo que enmascararía la señal.
electrodo
partícula
ionizan te
electrodo
V
R
Fig. 22.- Representación esquemática de un detector de cristal.
En cuanto a los semiconductores tales como Sicilio y Germanio, se
pueden obtener de gran pureza, pero el pequeño valor de la energía de sepa
ración Eg determina la presencia de una corriente de fondo, incluso para
potenciales aplicados muy bajos. Con el fin de eliminar la corriente de fon
do se recurre a trabajar con materiales semiconductores de un grado superla
tivo de pureza, a disminuir la temperatura, y a conseguir una zona del cris
tal desprovista de electrones libres y de huecos, es decir, dotada de una
gran resistividad.
Hay que hacer notar que bajo la acción de un campo eléctrico exter
no, tanto los electrones libres de la banda de conducción como los huecos
positivos de la banda de valencia se desplazan en la dirección del campo y
sentidos opuestos. En realidad, los huecos se desplazan por ser ocupados
por electrones que, a su vez, van dejando un hueco tras de sí. Este movi
miento se puede visualizar en la Figura 23. La energía necesaria para crear
un par electrón-hueco la puede proporcionar la radiación ionizante, un campo
externo intenso o ser de naturaleza calorífica.
Además de la creación de pares electrón-hueco, también se produce
excitación en un semiconductor, bien sea en forma de estados vibracionales
de la estructura cristalina, bien sea en forma de energía cinética de elec
trones permanentemente asociados a un hueco. Debido a ello, la energía pro-
155
![Page 32: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/32.jpg)
Lec. 5. Detección y medida de las radiaciones.
medio E necesaria para crear un par electrón-hueco es superior a E . Así, g
en Silicio, E , 1.1 eV y o·= 3.6 eV. En Germanio, E , 0.7 eV y o= 2.8 eV. g g
Obsérvese que los valores de ESOn netamente inferiores a la energía necesa-
ria para crear un par de iones en un gas, w ::::: 30 e V.
1
'
- -e e - ~ ___. r~ /
hueco
~
1
Campo eléctrico externo
Jl Jl 1
/ f.-' e-libre
V - ___-/ ~ ____...
"átomo del crist~
l lf lT
I
F
}--
Fig. 23.- Desplazamiento de un electrón libre y de un hueco en un semiconductor bajo la acción de un campo eléctrico externo.
Los semiconductores carentes de impurezas reciben el nombre de
intrínsecos y tienen resistividades intermedias entre las características
de los aisladores y de los conductores. Así, el Silicio debería presentar
una resistividad de 2.3 x 105
Q xcm y el Germanio, de 47 Qx·cm. La resistivi--6 . dad de un conductor es, típicamente, de 10 Q x cm y la de un aislador, su-
perior a 107 ¡¡ xcm. Sin embargo, en la realidad las resistividades medidas
son, incluso para los mejores materiales semiconductores, un orden de mag
nitud inferiores a las calculadas. Esto significa que la presencia de impu
rezas y de defectos determina la aparición de electrones y huecos en propor
ción muy superior a la propia del material puro.
Los átomos de Silicio y de Germanio son tetravalentes y presentan
dos tipos de impurezas, trivalentes y pentavalentes y dos tipos de defectos,
átomos :intersticiales y vacantes en la red, es decir, átomos en exceso o
en defecto. De acuerdo con estas dos clases de impurezas, se tienen dos
clases de semiconductores extrínsecos, los denominados tipo n y los denomi
nados tipo p.
En los semiconductores tipo n, átomos pentavalentes, como Fósforo
o Antimonio, reemplazan a los átomos tetravalentes de Silicio o de Germanio,
156
![Page 33: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/33.jpg)
#5.12. Deteetores de unión.
proporcionando un electrón sobrante por átomo. Estos electrones extra ocu
pan niveles energéticos justo debajo de la banda de conducción del cristal.
Un efecto similar es producido por la presencia de átomos intersticia
les. En ambos casos, los electrones extra de energías próximas al fondo de
la banda de conducción, son excitados fácilmente y pasan a ésta, incluso
a temperaturas bajas, constituyéndose en electrones libres que pueden dar
lugar a corriente eléctrica bajo la acción de un campo externo. Asimismo,
se genera un número igual de iones positivos, que quedan en posiciones fijas
de la red cristalina.
En los semiconductores tipo p, los átomos tetravalentes son reem
plazados por átomos trivalentes, como Boro o Galio, con lo que quedan enla
ces disponibles que pueden ser ocupados por electrones de valencia, dando
lugar a iones negativos con niveles de energía discretos justo encima de
la banda de valencia. Un efecto similar es producido por la presencia de
vacantes en la red cristalina. El resultado neto es la formación de un cier
to número de iones negativos, fijos en la red, y un número igual de huecos
positivos, que se pueden desplazar bajo la acción de un campo externo.
Los materiales naturales tienen igual número de impurezas y de de
fectos de ambos tipos, pero se pueden conseguir de manera artificial semi
conductores p o n introduciendo un exceso de impurezas tri o pentavalentes.
il2. Detectores de, unión'. Un detector semiconductor de unión consiste en
un monocristal contaminado por un extremo con impurezas tipo p y por el
otro extremo con impurezas tipo n. Las distribuciones de carga que resultan,
así como la estructura energética de las bandas se ilustran en la Figura
24. Los electrones en exceso que existen en la región tipo n pasan a la re
gión tipo p y los huecos de esta última siguen el camino inverso hasta con
seguir una situación de equilibrio. De esta forma, en la zona de unión no
hay electrones libres ni huecos y a ambos lados la región tipo n queda car
gada positivamente y la región tipo p negativamente, existiendo una diferen
cia de potencial interna. El dispositivo que resulta recibe el nombre de
diodo de unión. Si se aplica una diferencia de potencial externa del mismo
sentido que la interna, se aumenta la altura de la barrera de potencial y
se ensancha la región intermedia carente de electrones libres y huecos,
incrementándose, por consiguiente la resistividad de la unión. Se dice que
el diodo está inversamente polarizado. En cambio, se se aplica una diferen-
157
![Page 34: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/34.jpg)
Lec. 5. Detección y medida de Las radiaciones.
cia de potencial externa en sentido opuesto a la interna, disminuye la altu
ra de la barrera de potencial, se reduce la región intermedia y aumenta la
conductividad de la unión. Se dice que el diodo está directamente polariza
do.
Bajo polaridad inversa, la región intermedia se comporta como un
aislador y las regiones n y p como conductores, haciendo las veces de elec
trodos. Prácticamente toda la diferencia de potencial aplicada se concentra
en la zona intermedia libre de portadores, que constituye así el volumen
sensible del detector. El grosor de la zona sensible va desde unos centena
res de micras a unos pocos milímetros y la tensión aplicada desde un cente
nar de voltios a unos pocos miles de voltios. EÍ esquema de un detector de
unión se muestra en la Figura 25. Cuando la radiación ionizante interacciona
en la zona intermedia libre de portadores, crea pares electrón-hueco exci
tando electrones de la banda de valencia a la de conducción. Estos pares
son recogidos por los correspondientes electrodos, generándose un pulso de
carga que, integrado, da lugar a un pulso de potencial. El tiempo de colec
ción está, típicamente, entre 10 y 100 ns, y la altura del pulso es de unos
pocos milivoltios. Vemos, pues, que los tiempos de colección son mucho más
cortos que los propios de un detector de gas, mientras que la altura de los
pulsos es similar a la de una cámara de ionización. Al ser el número de pa
res electrón-hueco muy superior al número de pares de iones producidos en
un gas por radiación de la misma energía, la resolución en energía de los
detectores de semiconductor es netamente mejor que la de los contadores de
gas.
13. Ti oe de detectores de uniún. Básicamente, existen tres tipos de de
tectores de unión: detectores de barrera de superficie, detectores de unión
difusa y detectores de implantación iónica. Todos ellos tienen geometría
plana y volúmenes delgados. La entrada de la radiación tiene lugar a través
de las regiones n o p, por lo que una de ellas deberá ser lo más delgada po
sible.
Los detectores de barrera de superficie se fabrican mediante oxi
dación de una superficie lisa de un cristal semiconductor de Silicio tipo
n. La capa oxidada constituye una región tipo p muy delgada, que se protege
con un fino recubrimiento de oro, resultando así una ventana de entrada de
espesor inferior a 1 ~m.
158
![Page 35: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/35.jpg)
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#5.13. Tipos de detectores de unión.
1
! .,-~ ~
p
conducción
valencia
Fig. 24.- Distribución de carga y de enegía potencial en un diodo de unión.
Los detectores de unión difusa se obtienen mediante difusión de
fósforo en un cristal de Silicio tipo p.
En los detectores de implantación iónica, el proceso de fabricación
consiste en bombardear con iones de Boro un cristal de Silicio tipo n.
159
![Page 36: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/36.jpg)
Lec. 5. Detección y medida de Las radiaciones.
p
zona sensible
radiación ionizante
R
14~, Detectores eom eneadoe con' 1Litio.
Fig. 25.- Diagrama esquemático de un detector de unión. El cristal semiconductor está colocado entre dos electrodos que están conectados a una fuente de tensión a través de una resistencia.
Con el fin de utilizar los detecto-
res de semiconductor en espectroscopia gamma, se ha ideado un método de ob
tener volúmenes sensibles mucho mayores que los propios de los detectores
de unión. Este método consiste en introducir iones de Litio en la red cris-
talina de un semiconductor tipo p de Silicio o de Germanio, habitualmente
a partir de una atmósfera gaseosa o de un recubrimiento superficial.
Los iones de Litio, de diámetro muy inferior a los átomos del semi
conductor, ocupan posiciones intersticiales en la red y se asocian con las
impurezas tipo p, es decir, con los iones negativos de los átomos acepta
dores de electrones, neutralizándolos y determinando la formación de una
amplia región uniformemente compensada y de alta resistividad. Estos dispo
sitivos se denominan detectores de Si (Li) o de Ge (Li).
Los detectores de Si (Li) tienen geometría plana y volúmenes sensi
bles superiores a los 15 cm3 . Resultan apropiados para espectroscopia alfa,
beta o de rayos X.
Los detectores de Ge ( Li) son adecuados para la espectroscopia
gamma, debido al mayor número atómico del Germanio y su superior sección
eficaz de interacción con la radiación electromagnética. Suelen tener geome
tría cilíndrica y volúmenes sensibles de hasta 150 cm3 . Estos detectores
160
![Page 37: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/37.jpg)
#5.16. Detección de particulas cargadas.
se deben mantener permanentemente a la temperatura del nitrógeno líquido
para compensar la pequeña separación de las bandas de valencia y de conduc
ción, y para evitar la difusión de los iones de Litio, con la consiguiente
desaparición de la capacidad de detección.
15\ Detectores intrínsecos de Germanio• Si se dispone de un cristal de 13
del orden de un átomo de impureza por cada 10 Germanio de gran pureza,
átomos de Germanio, se puede utilizar directamente como detector aplicando
entre sus extremos una diferencia de potencial adecuada y manteniéndolo
mientras está en operación a temperatura muy baja para compensar el pequeño
valor de E . Estos cristales tan puros se encuentran actualmente en el mer-g
cado y presentan la gran ventaja, frente a los detectores de Ge (Li), de
que no deben estar permanentemente a la temperatura del nitrógeno líquido.
Una configuración típica para un sistema detector de Germanio, bien sea
Ge (Li) o intrínseco, se muestra en la Figura 26.
Fig. 26.- Sistema detector de semiconductor de Germanio refrigerado por Nitrógeno líquido.
Detector de Ge
Berilio
Preampl.
Nitrogeno- 1-íqaide-----
Brazo de l±s:s:s:s:s:s:s:s:s:s:s:;;:s:s:s:s:s:!;l Cobre
16; Detección de artíc~las' car adas. Cualquier tipo de detector de semi
conductor, de unión difusa, de barrera de superficie o compensado con Litio,
se puede utilizar par.a la detección de partículas cargadas. Los cristales
de Silicio resultan más adecuados, debido al bajo número atómico de este
elemento, que hace menos pronunciada la retrodispersión de electrones. La
eficiencia de estos detectores para partículas cargadas es prácticamente
del 100%, excepto para energías muy bajas. Aunque la resolución en energía
161
![Page 38: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/38.jpg)
Lec. 5. Detección y medida de Las radiaciones.
aumenta trabajando a baja temperatura, los detectores de Silicio pueden
operar en buenas condiciones a temperatura ambiente.
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número del canal (energía)
Fig. 27.- Espectro de emisión alfa
del Americio-241 obtenido con un detec-
tor de Silicio de barrera de superficie •
Los detectores de semiconductor resultan muy apropiados para espec
troscopia Alfa, mostrando mejor resolución, menos ruido de fondo y mayor
tolerancia a las altas tasas· de con taje que las cámaras de ionización con
reja. En la Figura 27 se muestra el espectro de emisión Alfa del Americio-
241 obtenido con un detector de Silicio de barrera de superficie, donde se
aprecia la notable resolución en energía. En la Figura 28 se puede ver el
espectro de electrones de conversión del Cobalto-57, obtenido con un detec
tor de Si (Li) a baja temperatura, con resoluciones superiores al 1% para
electrones de energías del orden del centenar de KeV. No es de extrañar la
gran aceptación de estos detectores para la espectroscopÍa de partículas
cargadas.
17 ·"·Detección· de ra os X Gamma. Los detectores de Si (Li) son excelentes
para rayos X y los de Ge (Li) o Germanio intrínseco, para rayos Gamma, ob
teniéndose resoluciones en energía muy superiores a las propias de los de
tectores de Nai ( Tl). Para radiación electromagnética de energía inferior
a los 30 Kev, los detectores de Si (Li) a baja temperatura, ofrecen resolu
ciones del 2 ó 3%. En cuanto a los de Ge (Li), una resolución de 1.9 KeV
para el pico de 1.33 MeV del Cobalto-60, es característica de estos detec
tores. Aunque la eficiencia de los detectores de semiconductor viene a ser
un orden de magnitud inferior a la de los detectores de Nai(Tl), su excelente
162
![Page 39: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/39.jpg)
#5.17. Detección de rayos X y gamma.
resolución compensa ampliamente esta desventaja. En la Figura 29 se muestra
el espectro de emisión gamma del Sodio-24 obtenido con un detector de
Ge (Li) y en ella se puede comparar con el resultan te de u"cilizar un detec
tor de centelleo de Nai (Tl). Obsérvese la nitidez con que destacan los
picos sobre el fondo Compton para el detector de semiconductor. Cocientes
pico/fondo del orden de 40 o superiores son característicos de los detecto
res de semiconductor, lo que los hace muy apropiados, junto con su especta
cular resolución, para el estudio de muestras de muy baja actividad en Ra
diactividad Ambiental.
57c0 electron speclrum
1500 t
1000
500
Fig. 28.- E5pectro de los electrones de conversión del Cobalto-57 obtenido mediante un detector de Si(Li) a baja temperatura.
IV.~DETeCTORES'DE TERMOUUMINISCENOIA.
Ciertos sólidos se pueden utilizar como detectores de dosis acumu
ladas de radiación. La radiación induce determinados cambios en las propie
dades físicas del sólido y estos cambios reflejan la dosis recibida. En
general, la radiación excita electrones a la banda de conducción que son
subsiguientemente atrapados en niveles energéticos situados en la banda de
energías prohibidas y asociadas a impurezas del cristal. La posterior ex
tracción de estos electrones de sus ''trampas 11 y su combinación con huecos
de la banda de valencia da lugar a la emisión de luz, que se puede correla
cionar con la dosis de radiación recibida.
163
![Page 40: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/40.jpg)
Lec. 5. Detección y medida de Las radiaciones.
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Número del canal (energÍa)
Fig. 29.-Espectro gamma del Sodio-24 obtenido con un detector de Ge(Si) (arriba) y con un detector de centelleo Nal(Tl) (abajo). Obsérvese la mejor resolución del detector de semiconductor y su inferior eficiencia.
En el proceso conocido como radiotermoluminiscencia, o más abrevia
damente, termoluminiscencia, la extracción de los electrones de las tram
pas energéticas se realiza calentando el cristal. Posteriormente, el dosíme
tro de termoluminiscencia (TLD) puede volver a ser utilizado. Muchos sólidos
presentan esta propiedad, y los más apropiados para dosimetria de termolu-
miniscencia son el Fluoruro de Litio (LiF), el Fluoruro de Calcio
( Ca F 2
) , el sulfato de Calcio (Ca S O 4 ) y el aluminio fosfato, todos ellos
activados con Magnesio. De todos los ci tactos, el LiF es el más popular
debido a su respuesta prácticamente independiente de la energía de los foto
nes incidentes por encima de 10 KeV. Además, este material es sensible a
los neutrones térmicos a causa del Litio presente en su composición y puede
registrar dosis tan pequeñas como 20 mrad.
Existen di versos dispositivos TLD con capacidad de adaptarse a
distintas condiciones ambientales y de irradiación. Algunos, como el citado
LiF , son sensibles a los neutrones mientras que otros, como el Ca F2 no 4
lo son. El intervalo de dosis para el LiF va desde 20 mrad a 5 x 10 rad,
mientras que para el Ca F 2
es de 50 rad a 104 rad. Todos ellos tienen una
imprecisión del 3% para dosis elevadas y del 15% para dosis bajas.
164
![Page 41: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/41.jpg)
5.1 • Formación de La imagen.
La emulsión fotográfica es uno de los detectores de radiación más
utilizados, con numerosas aplicaciones en radiografía, cristalografía~ dosi
metría, autoradiografía y microscopía electrónica, así como en Física Nu
clear. De hecho, es el detector de radiación más antiguo, ya que fué el
ennegrecimiento de una película fotográfica lo que motivó el descubrimiento
de la radioactividad por Becquerel en 1896.
Una película fotográfica consiste en una capa de emulsión, de gro
sor entre 10 y 25 ~m, recubriendo ambos lados de una base de plástico trans
parente. Los ingredientes activos son granos cristalinos de Bromuro de Pla
ta, en suspensión coloidal en una matriz de gelatina. El tamaño del grano
determina la sensibilidad de la emulsión, representando el AgBr un 40% en
peso de la emulsión fotográfica ordinaria. En la emulsión conocida como
emulsión nuclear, que se utiliza en Física de Altas Energías, el AgBr re
presenta hasta el 80% en peso, pero los granos son de menor tamaño y se en
cuentran más dispersos, con lo que se consigue una mejor resolución espacial
y se registran las trazas de las partículas individuales.
El objetivo principal de la emulsión fotográfica ordinaria es la
representación bidimensional de la radiación incidente, siendo, a diferencia
de la emulsión nuclear, muy sensible a la luz visible, especialmente al
espectro de menor longitud de onda. Por este motivo, la emulsión fotográfica
se suministra protegida por sobres de papel o cartón o contenida en reci
pientes de material transparente a la radiación ionizante, pero opaco a la
luz.
El AgBr es un cristal iónico, en el que cada
átomo de Plata cede un electrón a un átomo de Bromo para completar así las
respectivas capas externas. El cristal en su conjul!to es eléctricamente
neutro y la separación entre la banda de valencia y la banda de conducción
es de 2.6 eV. La radiación incidente ioniza el cristal, excitando electrones
a la banda de conducción y determinando la aparición de pares electrón-hue
co. Los electrones son capturados por defectos del cristal o por impurezas
de Oro ó Azufre y los huecos por átomos intersticiales de Plata, formándose
iones positivos, que constituyen la llamada imagen latente. Si un grano de
Bromuro de Plata adquiere un ríúmero de iones positivos de Plata superior
165
![Page 42: Fotomultiplicadores](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022050909/5695d1b71a28ab9b0297a6c3/html5/thumbnails/42.jpg)
Lee. 5. Detección y medida de las radiaciones.
a cuatro, todo el grano en su conjunto es susceptible de ser revelado. Dado
que en cada grano hay del orden de 1010
átomos, esto representa una ampli-9
ficación, en términos visuales, de 10 , acompañada de una resolución espa-
cial del orden del tamaño de un grano, es decir, alrededor de l~m. Por otra
parte, existe un umbral de energía por debajo del cual no se forma imagen,
y que viene determinado por la energía necesaría para formar un par elec
trón-hueco. Así, la emulsión fotográfica se puede exponer a luz roja o ana
ranjada en un cuarto oscuro, sin que se produzcan efectos no deseados.
Si existe radiación de fondo como, por ejemplo, la debida a los
rayos cósmicos, la emulsión fotográfica puede ennegrecerse progresivamente
con el tiempo.
El revelado de la emulsión consiste en tratarla con un agente quí
mico reductor que transforma los iones de Plata en Plata metálica, formándo
se depósitos localizados de color negro que constituyen en su conjunto la
imagen visible buscada. El tiempo de revelado depende de la naturaleza y
pureza del agente químico revelador y de su temperatura, siendo habitualmen
te de unos pocos minutos. Además, la disolución de revelado contiene sustan
cias alcalinas (para mantener constante el pH), sulfitos (para impedir la
oxidación) y otros aditivos.
Despues del revelado, la emulsión se somete a un baño débilmente
ácido para detener el ataque químico, a un proceso de fijado, para eliminar
el AgBr no revelado y para endurecerla, y finalmente a un lavado. Se obtie
ne de esta forma una imagen negativa en la que las zonas más oscuras corres
ponden a la mayor intensidad de radiación recibida. Este tipo de imagen es
perfectamente satisfactoria si la emulsión actúa como detector de radiación
ionizante, pero si se utiliza en fotografía ordinaria, debe ser sometida
a un posterior positivado.
18. Características,ae,la emulsión foto ráfica como detector. La principal
ventaja de la emulsión fotográfica como detector es su excelente resolución
espacial.
cisión de
La posición de una partícula incidente queda fijada con una impre-6
10 m. Otra ventaja es la simplicidad y bajo coste del detector,
que proporciona una señal directamente visible sin necesidad de electrónica
asociada. Ambas propiedades han hecho de la emulsión fotográfica una magní
fica herramienta para la dosimetría personal.
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5. VI Electrónica asociada ••.
Entre las desventajas, cabe citar su saturación después de recibir
una cierta dosis, su escasa eficiencia y su falta de linealidad en la res
puesta. Tampoco suministra información sobre la energía de las partículas
incidentes ni sobre el instante de la interacción. Todas estas deficiencias
pueden ser corregidas, en cierta medida, con instrumentación auxiliar. Así,
pantallas sensibles a la radiación Gamma o a los neutrones pueden aumentar
la eficiencia para estas radiaciones, filtros adecuados pueden dar indica
ciones sobre la energía y fotómetros transformar la densidad óptica en señal
eléctrica. A pesar de estos arreglos, la emulsión fotográfica es muy infe
rior a otros detectores en los aspectos negativos citados.
VL ELECTRÓNICA ASOCIADA A UN "DETECiTOR DE iSEÑAl.YEL~CTRIC~.
Ya hemos mencionado que los detectores de señal eléctrica pueden
ser de corriente o de impulsos. La electrónica asociada a un sistema detec
tor de corriente es la más simple y su misión es, en esencia, amplificar
la intensidad hasta un valor medible con un amperímetro convencional. En
las cámaras de ionización, por ejemplo, la corriente suministrada por la
cámara es del orden de l0-12
A, y debe ser amplificada hasta unos l0-3A,
con lo que la ganancia del correspondiente amplificador de corriente con
tinua debe ser 109
. Estos amplificadores de ganancia tan elevada suelen
ser muy inestables y se recurre a la llamada realimentación negativa. Así,
si se incrementa la corriente de entrada, resulta una señal de sentido
opuesto que vuelve a ser introducida en aquélla, corrigiendo la inestabili
dad. Otro aspectQ a tener en cuenta es la posible presencia de corrientes
y fugas espúreas, que pueden afectar a la señal de entrada. Con el fin de
evitarlas, debe existir una excelente descontaminación de toda clase de su
ciedad, así como un aislamiento perfecto entre la salida del detector y la
entrada del amplificador.
En cuanto a un sistema detector de impulsos, la cadena de medida
con los diferentes componentes electrónicos que habitualmente la integran
se puede ver en la Figura 30.
La fuente de alta tensión suministra la diferencia de potencial
positiva o negativa necesaria para la operación del detector. La mayoría
de detectores trabajan a tensión positiva con fuentes altamente estabiliza
das.
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Lee. 5. Detección y medida de Zas radiaciones.
Detector .. Pre-amplificador
Alta tensión
r- Amplificador
r._ 1 1 1 1
--.!...,
Analizador multicanal
Analizador monocanal r--- Escala
t Base de tiempos
Fig. 30.- Esquema de la cadena de instrumentos de un sistema detector de impulsos.
El preamplificador tiene por misión optimizar el acoplamiento entre
el detector y el resto de la cadena de medida. Antes de alcanzar el amplifi
cador, la señal es trasmitida a través de un cable desde el detector y,
si es muy débil, puede atenuarse excesivamente. Por este motivo, el pream
plificador se coloca tan próximo a la salida del detector como sea posible.
Aunque algunos preamplificadores amplifican ligeramente la señal, su princi
pal cometido es acoplar la impedancia del detector a la del amplificador
y lograr así una buena transmisión al amplificador, que puede estar a consi
derable distancia.
El amplificador incrementa la señal en un factor conocido como
ganancia. La función del amplificador es transformar la señal en otra de
mayor amplitud y de la forma adecuada para los circuitos subsiguientes. En
los detectores de semiconductor la señal es, típicamente, de unos pocos
mV, en los contadores de centelleo o proporcionales, de unos pocos mV y en
los detectores Geiger, de unos pocos vol ti os. Dado que la mayoría de los
circuitos de contaje requieren señales del orden del voltio, un amplificador
para un detector de semiconductor deberá tener una ganancia de 106
y para
un contador proporcional, de 103
.
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5.VII. ELectrónica asociada.
El analizador monocanal puede operar como discriminador o como
analizador. Su misión es rechazar los impulsos no deseados, entre ellos el
ruido electrónico. Si se desea contar solamente los impulsos cuya amplitud
sea superior a un cierto nivel umbral, el aparato funcionará como discrimin~
dor. Si se desea contar tan sólo aquellos impulsos cuyas amplitudes estén
comprendidas entre dos valores prefijados (inferior y superior), i.e., esta
blecer una ventana, el instrumento funcionará como analizador. La función
del analizador monocanal se ilustra en la Fig. 31.
La escala es un registrador de impulsos. Para cada impulso se añade
una unidad a los contados previamente. Al final del tiempo preestablecido
de contaje, elnúmero total de impulsos recibidos se indica en una pantalla.
La base de tiempos está conectada a la escala y tiene por objeto
activarla y detenerla en instantes prefijados, obteniendo así el intervalo
de contaje deseado.
El analizador multicanal registra y almacena los impulsos recibidos
de acuerdo con su amplitud. Cada unidad de almacenamiento recibe el nombre
"' o "' ...;
" ~ •.-l
"' o
Impulsos de entrada al discriminador
Nivel de
Impulsos de entrada al monocanal.
ventana
...; ~----------------~~--_,.
" 'O
'O
.B ,,.¡
Impulsos de salida del discriminador
Impulsos de salida del monocanal
r-1 ------
~ amplitud constante
tiempo tiempo
Fig. 31.- Funcionamiento de un analizador monocanal como discriminador {izquierda) y como analizador (derecha).
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Lec. 5. Detección y medida de las radiaciones.
de canal. La distribución de impulsos en los distintos canales es una repre
sentación del espectro de energía de la radiación incidente y al terminar
el con taje el espectro aparece en la pantalla fluorescente de un monitor,
siendo el eje de ordenadas el de frecuencia o número de impulsos por canal
y el eje de abcisas el de amplitud del impulso o energías. Los modernos ana
lizadores mul ti canal son auténticos microordenadores y llevan incorporados
programas de tratamiento de los datos registrados. También pueden acoplarse
en línea con un gran ordenador aumentando así extraordinariamente las posi
bilidades de manipular la información acumulada.
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Lee. 5. Detección y medida de las radiaciones.
PROBLEMAS
6 1.- En un detector de gas, el paso de una partícula ionizante crea 10 pares
de iones.
colección
Calcular la amplitud del impulso de tensión e' correspondiente a la 6
de los 10 electrones en el ánodo del detector si la capacidad
asociada es de 100 pF. Expresar el resultado en mV.
2.- Una fuente radiactiva puntual emite en el 80% de sus desintegraciones
rayos gamma de 1 Me V. La actividad de la fuente es de 20 KBq. Por razones
de geometría, un detector recibe solamente el 5% de los rayos gamma emitidos
y su eficiencia de detección para esa radiación es del 12%. ¿Cuántas cuentas
registrará durante un tiempo de 100 segundos?
3.- Un contador Geiger - Müller de halógeno, de ventana muy delgada, tiene
una vida útil estimada de 1012
cuentas. ¿Cuánto tiempo podrá funcionar re
gistrando ininterrumpidamente las partículas beta procedente de una fuente
de Carbono-14 de 5 ~Ci si por razones de geometría sólo recibe el 8% de las
partículas emitidas?
4.- Hallar el tiempo de tránsito de un electrón entre los dínodo sucesivos
de un fotomultiplicador separados por una distancias de 12 mm, sabiendo que
la diferencia de potencial entre los mismos es de 150 V.
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