Qué es el contador de centelleo – Detector de centelleo – Definición

Un contador de centelleo o detector de centelleo es un detector de radiación que utiliza el efecto conocido como centelleo. El centelleo es un destello de luz producido en un material transparente por el paso de una partícula. Dosimetría de radiación
Scintillation_Counter - Tubo fotomultiplicador
Aparato con un cristal centelleante, fotomultiplicador y componentes de adquisición de datos. Fuente: wikipedia.org Licencia CC BY-SA 3.0

Un contador de centelleo o detector de centelleo es un detector de radiación que utiliza el efecto conocido como centelleo . El centelleo es un destello de luz producido en un material transparente por el paso de una partícula (un electrón, una partícula alfa, un ion o un fotón de alta energía). El centelleo ocurre en el centelleador, que es una parte clave de un detector de centelleo. En general, un detector de centelleo consiste en:

  • Scintillator . Un centelleador genera fotones en respuesta a la radiación incidente.
  • Fotodetector . Un fotodetector sensible (generalmente un tubo fotomultiplicador (PMT), una cámara con dispositivo de carga acoplada (CCD) o un fotodiodo), que convierte la luz en una señal eléctrica y electrónica para procesar esta señal.

El principio básico de funcionamiento implica que la radiación reacciona con un centelleador, que produce una serie de destellos de intensidad variable. La intensidad de los destellos es proporcional a la energía de la radiación. Esta característica es muy importante. Estos contadores son adecuados para medir la energía de la radiación gamma ( espectroscopía gamma ) y, por lo tanto, pueden usarse para identificar isótopos emisores de gamma.

Los contadores de centelleo se usan ampliamente en la protección contra la radiación , el ensayo de materiales radiactivos y la investigación de la física porque pueden realizarse de forma económica pero con buena eficiencia, y pueden medir tanto la intensidad como la energía de la radiación incidente. Los hospitales de todo el mundo tienen cámaras gamma basadas en el efecto de centelleo y, por lo tanto, también se denominan cámaras de centelleo.

Las ventajas de un contador de centelleo son su eficiencia y la alta precisión y tasas de conteo posibles. Estos últimos atributos son consecuencia de la duración extremadamente corta de los destellos de luz, de aproximadamente 10 -9  (centelleadores orgánicos) a 10 -6 (centelleadores inorgánicos) segundos. La intensidad de los destellos y la amplitud del pulso de voltaje de salida son proporcionales a la energía de la radiación . Por lo tanto, los contadores de centelleo pueden usarse para determinar la energía, así como el número, de las partículas excitantes (o fotones gamma). Para la espectrometría gamma, los detectores más comunes incluyen contadores de centelleo de yoduro de sodio (NaI) y detectores de germanio de alta pureza.

Contador de centelleo: principio de funcionamiento

El funcionamiento de los contadores de centelleo se resume en los siguientes puntos:

  • Contador de centelleo: principio de funcionamiento
    Contador de centelleo – Principio de funcionamiento. Fuente: wikipedia.org Licencia: Dominio público

    La radiación ionizante ingresa al centelleador e interactúa con el material del centelleador. Esto hace que los electrones se eleven a un estado excitado .

  • Los átomos excitados del material centelleador desexcitan y emiten rápidamente un fotón en el rango de luz visible (o casi visible). La cantidad es proporcional a la energía depositada por la partícula ionizante. Se dice que el material es fluorescente.
  • Se utilizan tres clases de fósforos:
    • cristales inorgánicos
    • cristales orgánicos,
    • Fósforos de plástico.
  • La luz creada en el centelleador golpea el fotocátodo de un tubo fotomultiplicador , liberando como máximo un fotoelectrón por fotón.
  • Usando un potencial de voltaje, este grupo de electrones primarios se acelera y enfoca electrostáticamente para que golpeen el primer dinodo con suficiente energía para liberar electrones adicionales.
  • Estos electrones secundarios son atraídos y golpean un segundo dinodo liberando más electrones. Este proceso ocurre en el tubo fotomultiplicador.
  • Cada impacto del dinodo posterior libera más electrones, por lo que hay un efecto amplificador de corriente en cada etapa del dinodo. Cada etapa tiene un potencial mayor que el anterior para proporcionar el campo de aceleración.
  • La señal primaria se multiplica y esta amplificación continúa a través de 10 a 12 etapas.
  • En el último dinodo , hay suficientes electrones disponibles para producir un pulso de magnitud suficiente para una mayor amplificación. Este pulso lleva información sobre la energía de la radiación incidente original. El número de tales pulsos por unidad de tiempo también proporciona información sobre la intensidad de la radiación.

Se obtiene un detector de centelleo o un contador de centelleo cuando un centelleador está acoplado a un sensor de luz electrónico como:

  • un tubo fotomultiplicador (PMT),
  • una cámara con dispositivo de carga acoplada (CCD)
  • fotodiodo

Todos estos dispositivos pueden usarse en contadores de centelleo y todos convierten la luz en una señal eléctrica y contienen componentes electrónicos para procesar esta señal. Un tubo fotomultiplicador (PMT) absorbe la luz emitida por el centelleador y la reemite en forma de electrones a través del efecto fotoeléctrico. El PMT ha sido la principal opción para la detección de fotones desde entonces debido al hecho de que tienen una alta eficiencia cuántica y una gran amplificación. Últimamente, sin embargo, los semiconductores han comenzado a competir con el PMT, el fotodiodo, por ejemplo, que tiene una mayor eficiencia cuántica en el rango visible y superior, menor consumo de energía y menor tamaño.

Los fotodiodos de vacío son similares pero no amplifican la señal mientras que los fotodiodos de silicio, por otro lado, detectan los fotones entrantes por la excitación de los portadores de carga directamente en el silicio.

Una serie de cámaras de rayos gamma portátiles para imágenes médicas utilizan detectores basados ​​en scintillator-CCD . En este caso, un centelleador convierte la radiación incidente (rayos X generalmente) en fotones de longitud de onda visibles, que luego pueden ser detectados directamente por la cámara CCD.

Tenga en cuenta que el término eficiencia cuántica (QE) puede aplicarse a la relación incidente de fotón a electrón convertido (IPCE), de un dispositivo fotosensible. La eficiencia cuántica para el fotodiodo es alta (60-80%) en comparación con el PMT (20-30%) que proporciona una mayor resolución energética.

Materiales de centelleo: centelleadores

Los centelleadores son tipos de materiales que proporcionan fotones detectables en la parte visible del espectro de luz, después del paso de una partícula cargada o un fotón. El centelleador consiste en un cristal transparente , generalmente un fósforo, plástico u líquido orgánico que fluoresce cuando es golpeado por radiación ionizante. El centelleador también debe ser transparente a sus propias emisiones de luz y debe tener un tiempo de decaimiento corto. El centelleador también debe estar protegido de toda la luz ambiental para que los fotones externos no empañen los eventos de ionización causados ​​por la radiación incidente. Para lograr esto, a menudo se usa una lámina delgada y opaca, como el mylar aluminizado, aunque debe tener una masa lo suficientemente baja como para minimizar la atenuación indebida de la radiación incidente que se está midiendo.

Existen principalmente dos tipos de centelleadores de uso común en física nuclear y de partículas: centelleadores orgánicos o plásticos y centelleadores inorgánicos o cristalinos.

Centelladores inorgánicos

Cristal de centelleo CsI (Tl)
Cristal de centelleo CsI (Tl). Fuente: wikipedia.de Licencia: CC BY-SA 3.0

Los centelleadores inorgánicos son generalmente cristales cultivados en hornos de alta temperatura. Incluyen yoduro de litio (LiI), yoduro de sodio (NaI) , yoduro de cesio (CsI) y sulfuro de zinc (ZnS). El material de centelleo más utilizado es NaI (Tl) (yoduro de sodio dopado con talio). El yodo proporciona la mayor parte del poder de detención en el yoduro de sodio (ya que tiene un alto Z = 53). Estos centelleadores cristalinos se caracterizan por una alta densidad, un alto número atómico y tiempos de decaimiento de pulso de aproximadamente 1 microsegundo ( ~ 10 -6 segundos) El centelleo en cristales inorgánicos es típicamente más lento que en los orgánicos. Exhiben una alta eficiencia para la detección de rayos gamma y son capaces de manejar altas tasas de conteo. Los cristales inorgánicos se pueden cortar a tamaños pequeños y disponer en una configuración de matriz para proporcionar sensibilidad de posición. Esta característica es ampliamente utilizada en imágenes médicas para detectar rayos X o rayos gamma . Los centelleadores inorgánicos son mejores para detectar rayos gamma y rayos X que los centelleadores orgánicos. Esto se debe a su alta densidad y número atómico que da una alta densidad de electrones. Una desventaja de algunos cristales inorgánicos, por ejemplo, NaI, es su higroscopicidad., una propiedad que requiere que se alojen en un recipiente hermético para protegerlos de la humedad.

Scintillators orgánicos

Los centelleadores orgánicos son tipos de materiales orgánicos que proporcionan fotones detectables en la parte visible del espectro de luz, después del paso de una partícula cargada o un fotón. El mecanismo de centelleo en los materiales orgánicos es bastante diferente del mecanismo en los cristales inorgánicos. En los centelleadores inorgánicos, por ejemplo, NaI, CsI, el centelleo surge debido a la estructura de la red cristalina. El mecanismo de fluorescencia en los materiales orgánicos surge de las transiciones en los niveles de energía de una sola molécula y, por lo tanto, la fluorescencia se puede observar independientemente del estado físico (vapor, líquido, sólido).

En general, los centelleadores orgánicos tienen tiempos de descomposición rápidos (típicamente 10-8 segundos ), mientras que los cristales inorgánicos son generalmente mucho más lentos (~ 10-6 segundos), aunque algunos también tienen componentes rápidos en su respuesta. Hay tres tipos de centelleadores orgánicos:

  • Cristales orgánicos puros . Los cristales orgánicos puros incluyen cristales de antraceno, estilbeno y naftaleno. El tiempo de descomposición de este tipo de fósforo es de aproximadamente 10 nanosegundos. Este tipo de cristal se usa con frecuencia en la detección de partículas beta . Son muy duraderos, pero su respuesta es anisotrópica (lo que estropea la resolución energética cuando la fuente no está colimada), y no pueden mecanizarse fácilmente, ni pueden cultivarse en grandes tamaños. Por lo tanto, no se usan con mucha frecuencia.
  • Soluciones orgánicas líquidas . Las soluciones orgánicas líquidas se producen disolviendo un centelleador orgánico en un disolvente.
  • Centelleadores de plástico . Los fósforos plásticos se hacen mediante la adición de productos químicos de centelleo a una matriz plástica. La constante de descomposición es la más corta de los tres tipos de fósforo, llegando a 1 o 2 nanosegundos. Por lo tanto, los centelleadores de plástico son más apropiados para su uso en entornos de alto flujo y en mediciones de alta tasa de dosis. El plástico tiene un alto contenido de hidrógeno, por lo tanto, es útil para detectores rápidos de neutrones . Se necesita sustancialmente más energía para producir un fotón detectable en un centelleador que un par de iones de electrones a través de la ionización (típicamente por un factor de 10), y debido a que los centelleadores inorgánicos producen más luz que los centelleadores orgánicos, son, por consiguiente, mejores para aplicaciones a bajas energías. .

Tubo fotomultiplicador

Los tubos fotomultiplicadores (PMT) son un dispositivo de detección de fotones que utiliza el efecto fotoeléctrico combinado con una emisión secundaria para convertir la luz en una señal eléctrica. Un fotomultiplicador absorbe la luz emitida por el centelleador y la reemite en forma de electrones a través del efecto fotoeléctrico . El PMT ha sido la principal opción para la detección de fotones desde entonces debido al hecho de que tienen una alta eficiencia cuántica y una gran amplificación.

Componentes del tubo fotomultiplicador

El dispositivo consta de varios componentes y estos componentes se muestran en la figura.

  • Scintillation_Counter - Tubo fotomultiplicador
    Aparato con un cristal centelleante, fotomultiplicador y componentes de adquisición de datos. Fuente: wikipedia.org Licencia CC BY-SA 3.0

    Photocathode . Justo después de una delgada ventana de entrada, hay un fotocatodo, que está hecho de material en el que los electrones de valencia están débilmente unidos y tienen una sección transversal alta para convertir fotones en electrones a través del efecto fotoeléctrico. Por ejemplo, se puede usar Cs 3 Sb (cesio-antimonio). Como resultado, la luz creada en el centelleador golpea el fotocátodo de un tubo fotomultiplicador, liberando como máximo un fotoelectrón por fotón.

  • Dínodos . Usando un potencial de voltaje, este grupo de electrones primarios se acelera y enfoca electrostáticamente para que golpeen el primer dinodo con suficiente energía para liberar electrones adicionales. Hay una serie («etapas») de dinodos hechos de material de función de trabajo relativamente baja. Estos electrodos funcionan a un potencial cada vez mayor (por ejemplo, ~ 100-200 V entre los dinodos). En el dinodo, los electrones se multiplican por la emisión secundaria. El próximo dinodo tiene un voltaje más alto que hace que los electrones liberados del primero aceleren hacia él. En cada dynode se liberan 3-4 electrones por cada electrón incidente, y con 6 a 14 dynodes la ganancia total, o factor de amplificación de electrones, estará en el rango de ~ 10 4 -107 cuando alcanzan el ánodo. Los voltajes de operación típicos están en el rango de 500 a 3000 V. En el dinodo final, hay suficientes electrones disponibles para producir un pulso de magnitud suficiente para una mayor amplificación. Este pulso lleva información sobre la energía de la radiación incidente original. El número de tales pulsos por unidad de tiempo también proporciona información sobre la intensidad de la radiación.

Eficiencia cuántica

La sensibilidad de un fotocatodo generalmente se cita en términos de eficiencia cuántica . En general, el término eficiencia cuántica (QE) puede aplicarse a fotón incidente convertida electrón a ( IPCE ) proporción de un dispositivo fotosensible. La eficiencia cuántica del fotocatodo se define como la probabilidad de conversión de fotones incidentes en una señal eléctrica y se define como:

Eficiencia cuántica - Tubo fotomultiplicador

La eficiencia cuántica de cualquier dispositivo fotosensible es una función importante de la longitud de onda de la luz incidente, y se hace un esfuerzo para que la respuesta espectral del fotocatodo coincida con el espectro de emisión del centelleador en uso. En el tubo fotomultiplicador, la eficiencia cuántica está limitada al 20-30% , pero una eficiencia cuántica promedio sobre el espectro de emisión de un centelleador típico es de aproximadamente 15-20% .

El estándar para la cotización es el número de fotoelectrones por pérdida de energía keV por electrones rápidos en un centelleador de NaI (Tl) . Para la eficiencia cuántica máxima, se producen alrededor de 8 ~ 10 fotoelectrones por cada pérdida de energía keV. Por lo tanto, la pérdida de energía promedio requerida para crear un solo fotoelectrón es ~ 100 eV, que es mucho mayor que los valores en detectores llenos de gas o detectores de semiconductores.

El PMT ha sido la principal opción para la detección de fotones desde entonces debido al hecho de que tienen una alta eficiencia cuántica y una gran amplificación. Últimamente, sin embargo, los semiconductores han comenzado a competir con el PMT, el fotodiodo, por ejemplo, que tiene una mayor eficiencia cuántica en el rango visible y superior, menor consumo de energía y un tamaño más pequeño. La eficiencia cuántica para el fotodiodo es alta (60-80%) en comparación con el PMT (20-30%) que proporciona una mayor resolución energética.

Fotodiodos – Contador de centelleo

Se obtiene un detector de centelleo o un contador de centelleo cuando un centelleador está acoplado a un sensor de luz electrónico como:

  • un tubo fotomultiplicador (PMT),
  • una cámara con dispositivo de carga acoplada (CCD)
  • fotodiodo

Todos estos dispositivos pueden usarse en contadores de centelleo y todos convierten la luz en una señal eléctrica y contienen componentes electrónicos para procesar esta señal. Un fotodiodo es un dispositivo semiconductor que convierte la luz en corriente eléctrica. Este es un dispositivo semiconductor que consiste en una capa delgada de silicio en la que se absorbe la luz y luego se crean portadores de carga libre (electrones y agujeros). Un fotodiodo convencional con mayor frecuencia se refiere a un diodo PIN. PIN significa que los lados dopados p y n están separados por una región i agotada. Los electrones y los agujeros se recogen en el ánodo y el cátodo del diodo. Esto da como resultado una fotocorriente que es la salida del diodo. Sin embargo, la carga no se amplifica, por lo que la amplitud de la señal de salida es pequeña. Esto hace que el fotodiodo sea sensible al ruido electrónico. Por otra parte,

Detección de radiación alfa, beta y gamma utilizando el contador de centelleo

Los contadores de centelleo se utilizan para medir la radiación en una variedad de aplicaciones que incluyen medidores de medición de radiación de mano, monitoreo personal y ambiental de contaminación radiactiva , imágenes médicas, ensayos radiométricos, seguridad nuclear y seguridad de plantas nucleares. Son ampliamente utilizados porque pueden fabricarse de manera económica pero con buena eficiencia, y pueden medir tanto la intensidad como la energía de la radiación incidente.

Los contadores de centelleo se pueden usar para detectar la radiación alfa , beta y gamma . Se pueden usar también para la detección de neutrones . Para estos fines, se utilizan diferentes centelleadores:

  • Partículas Alfa e Iones Pesados . Debido al alto poder ionizante de los iones pesados, los contadores de centelleo generalmente no son ideales para la detección de iones pesados. Para energías iguales, un protón producirá de 1/4 a 1/2 de la luz de un electrón, mientras que las partículas alfa producirán solo aproximadamente 1/10 de la luz. Cuando sea necesario, los cristales inorgánicos, por ejemplo, CsI (Tl), ZnS (Ag) (típicamente utilizados en láminas delgadas como monitores de partículas α), deberían preferirse a los materiales orgánicos. Pure CsI es un material centelleante rápido y denso con un rendimiento de luz relativamente bajo que aumenta significativamente con el enfriamiento. Los inconvenientes de CsI son un gradiente de alta temperatura y una ligera higroscopicidad.
  • Las partículas beta . Para la detección de partículas beta, se pueden usar centelleadores orgánicos. Los cristales orgánicos puros incluyen cristales de antraceno, estilbeno y naftaleno. El tiempo de descomposición de este tipo de fósforo es de aproximadamente 10 nanosegundos. Este tipo de cristal se usa con frecuencia en la detección de partículas beta. Los centelleadores orgánicos , que tienen una Z más baja que los cristales inorgánicos, son los más adecuados para la detección de partículas beta de baja energía (<10 MeV).
  • Rayos Gamma . Los materiales High-Z son los más adecuados como centelleadores para la detección de rayos gamma. El material de centelleo más utilizado es NaI (Tl) (yoduro de sodio dopado con talio). El yodo proporciona la mayor parte del poder de detención en el yoduro de sodio (ya que tiene un alto Z = 53). Estos centelleadores cristalinos se caracterizan por una alta densidad, un alto número atómico y tiempos de decaimiento de pulso de aproximadamente 1 microsegundo (~ 10 -6segundo). El centelleo en cristales inorgánicos es típicamente más lento que en los orgánicos. Exhiben una alta eficiencia para la detección de rayos gamma y son capaces de manejar altas tasas de conteo. Los cristales inorgánicos se pueden cortar a tamaños pequeños y disponer en una configuración de matriz para proporcionar sensibilidad de posición. Esta característica es ampliamente utilizada en imágenes médicas para detectar rayos X o rayos gamma. Los centelleadores inorgánicos son mejores para detectar rayos gamma y rayos X. Esto se debe a su alta densidad y número atómico que da una alta densidad de electrones.
  • Neutrones . Como los neutrones son partículas eléctricamente neutras, están sujetos principalmente a fuertes fuerzas nucleares pero no a fuerzas eléctricas. Por lo tanto, los neutrones no son directamente ionizantes y generalmente tienen que convertirse en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. En general, cada tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor (para convertir la radiación de neutrones en radiación detectable común) y uno de los detectores de radiación convencionales (detector de centelleo, detector gaseoso, detector de semiconductores, etc.).  Los neutrones rápidos (> 0.5 MeV) dependen principalmente del protón de retroceso en las reacciones (n, p). Materiales ricos en hidrógeno, por ejemplo centelleadores de plástico., por lo tanto, son los más adecuados para su detección. Los neutrones térmicos dependen de reacciones nucleares, como las reacciones (n, γ) o (n, α), para producir ionización. Por lo tanto, materiales como LiI (Eu) o silicatos de vidrio son particularmente adecuados para la detección de neutrones térmicos.

Espectroscopía gamma con contador de centelleo

Ver también: espectroscopía gamma con contador de centelleo

Ver también: espectroscopía gamma

En general, la espectroscopía gamma es el estudio de los espectros de energía de las fuentes de rayos gamma, como en la industria nuclear, la investigación geoquímica y la astrofísica. Los espectroscopios, o espectrómetros, son dispositivos sofisticados diseñados para medir la distribución de potencia espectral de una fuente. La radiación incidente genera una señal que permite determinar la energía de la partícula incidente.

Espectro del detector HPGe
Figura: Leyenda: Comparación de los espectros de NaI (Tl) y HPGe para cobalto-60. Fuente: Radioisótopos y Metodología de Radiación I, II. Soo Hyun Byun, Notas de la conferencia. Universidad McMaster, Canadá.

La mayoría de las fuentes radiactivas producen rayos gamma , que son de diversas energías e intensidades. Los rayos gamma acompañan frecuentemente  la emisión  de  radiación alfa  y  beta . Cuando estas emisiones se detectan y analizan con un sistema de espectroscopia, se puede producir un espectro de energía de rayos gamma . Rayos gamma de la desintegración radiactivaestán en el rango de energía de unos pocos keV a ~ 8 MeV, correspondiente a los niveles de energía típicos en núcleos con vidas razonablemente largas. Como se escribió, se producen por la descomposición de los núcleos a medida que pasan de un estado de alta energía a un estado más bajo. Un análisis detallado de este espectro se usa típicamente para determinar la identidad y la cantidad de emisores gamma presentes en una muestra, y es una herramienta vital en el ensayo radiométrico. El espectro gamma es característico de los nucleidos emisores de gamma contenidos en la fuente.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.net o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.