¿Qué es la detección de radiación alfa? – Detector de partículas alfa – Definición

La detección de la radiación alfa es muy específica, porque las partículas alfa viajan solo unos pocos centímetros en el aire pero depositan todas sus energías a lo largo de sus caminos cortos. Detección de radiación alfa – Detector de partículas alfa

Partícula Alfa - Interacción con la materiaLa detección de la radiación alfa es muy específica, porque las partículas alfa viajan solo unos pocos centímetros en el aire pero depositan todas sus energías a lo largo de sus caminos cortos, por lo que la cantidad de energía transferida es muy alta.

Para describir los principios de detección de la radiación alfa, debemos comprender la interacción de la radiación con la materia . Cada tipo de partícula interactúa de manera diferente, por lo tanto, debemos describir la interacción de las partículas alfa (radiación como flujo de estas partículas) por separado.

Interacción de partículas cargadas pesadas con materia

La radiación alfa consiste en partículas alfa a alta energía / velocidad. La producción de partículas alfa se denomina desintegración alfa . Las partículas alfa consisten en dos protones y dos neutrones unidos en una partícula idéntica a un núcleo de helio. Las partículas alfa son relativamente grandes y tienen una carga positiva doble. No son muy penetrantes y un trozo de papel puede detenerlos. En general, las partículas cargadas pesadas transfieren energía principalmente mediante:

  • Excitación. La partícula cargada puede transferir energía al átomo, elevando los electrones a niveles de energía más altos.
  • Ionización La ionización puede ocurrir cuando la partícula cargada tiene suficiente energía para eliminar un electrón. Esto da como resultado una creación de pares de iones en la materia circundante.

La distancia requerida para que la partícula descanse se conoce como su rango. El rango de partículas cargadas pesadas en sólidos asciende a solo unas pocas micras y, por lo tanto, la mayor parte de la energía de estas partículas se convierte en calor muy cerca del punto de su creación. En el caso de los gases, el rango aumenta a unos pocos centímetros dependiendo de los parámetros del gas (densidad, tipo de gas, etc.). Esta distancia es muy importante para los detectores y determina significativamente el diseño de todos los detectores. En los materiales, la trayectoria de las partículas cargadas pesadas no se ve muy afectada, ya que interactúan principalmente con electrones atómicos ligeros. Otras partículas cargadas, como los protones, se comportan de manera similar con una excepción: para partículas cargadas más ligeras, los rangos son algo más largos.

Una variable conveniente que describe las propiedades de ionización del medio circundante es el poder de detención . La expresión clásica que describe la pérdida de energía específica se conoce como la fórmula Bethe. Para las partículas alfa y las partículas más pesadas, el poder de detención de la mayoría de los materiales es muy alto para las partículas cargadas pesadas y estas partículas tienen rangos muy cortos. Por ejemplo, el rango de una partícula alfa de 5 MeV es de aproximadamente solo 0,002 cm en aleación de aluminio. La mayoría de las partículas alfa pueden ser detenidas por una hoja de papel ordinaria o tejido vivo.

Detectores de radiación alfa

Los detectores también se pueden clasificar de acuerdo con materiales y métodos sensibles que se pueden utilizar para realizar una medición:

Detección de radiación alfa usando la cámara de ionización

cámara de ionización - principio básicoPara que las partículas alfa y beta sean detectadas por las cámaras de ionización , deben estar provistas de una ventana delgada . Esta «ventana final» debe ser lo suficientemente delgada para que las partículas alfa y beta puedan penetrar. Sin embargo, una ventana de casi cualquier espesor evitará que una partícula alfa ingrese a la cámara. La ventana generalmente está hecha de mica con una densidad de aproximadamente 1.5 – 2.0 mg / cm 2 . Pero eso no significa que la radiación alfa no puede ser detectada por una cámara de ionización.

Por ejemplo, en algún tipo de detectores de humo, puede encontrar radionucleidos artificiales como el americio-241, que es una fuente de partículas alfa. El detector de humo tiene dos cámaras de ionización, una abierta al aire y una cámara de referencia que no permite la entrada de partículas. La fuente radiactiva emite partículas alfa en ambas cámaras, lo que ioniza algunas moléculas de aire. La cámara de aire libre permite la entrada de partículas de humo al volumen sensible y para cambiar la atenuación de las partículas alfa. Si alguna partícula de humo ingresa a la cámara de aire libre, algunos de los iones se unirán a las partículas y no estarán disponibles para transportar la corriente en esa cámara. Un circuito electrónico detecta que se ha desarrollado una diferencia de corriente entre las cámaras abiertas y selladas, y hace sonar la alarma.

Detección de radiación alfa usando el contador Geiger-Mueller

Los contadores Geiger se utilizan principalmente para instrumentación portátil debido a su sensibilidad, circuito de conteo simple y capacidad para detectar radiación de bajo nivel. Aunque el uso principal de los contadores Geiger es probablemente en la detección de partículas individuales, también se encuentran en medidores de gamma. Son capaces de detectar casi todos los tipos de radiación, pero hay ligeras diferencias en el tubo Geiger-Mueller. Sin embargo, el tubo Geiger-Müller produce una salida de pulso que es de la misma magnitud para toda la radiación detectada, por lo que un contador Geiger con un tubo de ventana final no puede distinguir entre partículas alfa y beta.

Tipo de ventana final

Para que las partículas alfa y beta sean detectadas por los contadores Geiger , deben contar con una ventana delgada. Esta «ventana final» debe ser lo suficientemente delgada para que las partículas alfa y beta puedan penetrar. Sin embargo, una ventana de casi cualquier espesor evitará que una partícula alfa ingrese a la cámara. La ventana generalmente está hecha de mica con una densidad de aproximadamente 1.5 – 2.0 mg / cm 2 para permitir que las partículas beta de baja energía (por ejemplo, del carbono 14) ingresen al detector. La reducción de la eficiencia para alfa se debe al efecto de atenuación de la ventana final, aunque la distancia desde la superficie que se verifica también tiene un efecto significativo, e idealmente una fuente de radiación alfa debería estar a menos de 10 mm del detector debido a la atenuación en el aire.

Detección de alfa usando 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.

Detección de alfa utilizando semiconductores – Detectores de tiras de silicio

detector de tiras de silicio - semiconductores
Detector de tiras de silicona Fuente: micronsemiconductor.co.uk

Los detectores a base de silicio son muy buenos para rastrear partículas cargadas. Un detector de tiras de silicio es una disposición de implantes en forma de tiras que actúan como electrodos de recogida de carga.

Detectores de tiras de silicona 5 x 5 cm 2en el área son bastante comunes y se utilizan en serie (al igual que los planos de MWPC) para determinar las trayectorias de partículas cargadas a precisiones de posición del orden de varios μm en la dirección transversal. Colocados en una oblea de silicio completamente empobrecida y dopada, estos implantes forman una matriz unidimensional de diodos. Al conectar cada una de las tiras metalizadas a un amplificador sensible a la carga, se construye un detector sensible a la posición. Se pueden lograr mediciones de posición bidimensionales aplicando una tira adicional como dopaje en la parte posterior de la oblea mediante el uso de una tecnología de doble cara. Dichos dispositivos se pueden usar para medir pequeños parámetros de impacto y, por lo tanto, determinar si alguna partícula cargada se originó a partir de una colisión primaria o si fue el producto de descomposición de una partícula primaria que viajó una pequeña distancia desde la interacción original y luego se descompuso.

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