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.

125

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.

126

'

#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

127

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.

128

> '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-

129

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

130

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

131

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

132

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)

133

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-

134

#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

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.

136

#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

137

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

138

#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

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

#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

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

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

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

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

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

#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

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

#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

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

#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

Lee. 5. Detección y medida de Las radiaciones.

lOO

o .., § "" QJ !Jl

--­., o (/) ,..., "'

10

~ .....

1

0.1

e-- ---- -- ---1-1---1-- - ---- --- -~~~\.:--t:="_·--:--_7_-_-_ -~~----__ -__ - ------------ --' - f-·--1.75MeV--- ------

---J'I\~--1--i- (vs.capct dob\ct )f-----1

i--- / =- - - - j ~25 "'"-:-;-

~~-··_' __ ::-4,~: _L - - ~rc~~~'"Pi~:::~ '\. 1\ : : 1 -"'- / ___;_____ ~: -\- ---- - -- ~- ,_- - - 1 --- _\;1 ---1---- ------ ::..: - .::- ]_ - -::_ ---

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

#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

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

#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

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

#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

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

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n

+

#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

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

#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

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.

1

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5.378

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300

5.500

:··: 5.~~34 : .. ··: ·: . '; .... . . .. . 400 500

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

#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

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

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

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.

166

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.

167

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

.

168

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).

169

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.

170

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.

171