Dosimetría de radiación

En general, los semiconductores son materiales, inorgánicos u orgánicos, que tienen la capacidad de controlar su conducción dependiendo de la estructura química, la temperatura, la iluminación y la presencia de dopantes. El nombre semiconductor proviene del hecho de que estos materiales tienen una conductividad eléctrica entre la de un metal, como cobre, oro, etc. y un aislante, como el vidrio. Tienen una brecha de energía inferior a 4eV (aproximadamente 1eV). En física de estado sólido, este intervalo de energía o intervalo de banda es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción.donde los estados electrónicos están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en un semiconductor deben obtener energía (p. Ej., De la radiación ionizante) para atravesar el intervalo de banda y alcanzar la banda de conducción. Las propiedades de los semiconductores están determinadas por la brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción.

Semiconductores intrínsecos y extrínsecos

Semiconductor intrínseco

Un semiconductor intrínseco es un semiconductor completamente puro sin ninguna especie dopante presente. Por lo tanto, los semiconductores intrínsecos también se conocen como semiconductores puros o semiconductores de tipo i.

Por lo tanto, el número de portadores de carga a cierta temperatura está determinado por las propiedades del material en lugar de la cantidad de impurezas. Tenga en cuenta que una muestra de 1 cm ³ de germanio puro a 20 ° C contiene aproximadamente 4.2 × 10 ²² átomos, pero también contiene aproximadamente 2.5 x 10 ¹³ electrones libres y 2.5 x 10 ¹³ agujeros. Estos portadores de carga se producen por excitación térmica. En semiconductores intrínsecos, el número de electrones excitados y el número de agujeros son iguales: n = p . Los electrones y los agujeros se crean por excitación de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. Un agujero de electrones(a menudo simplemente llamado un agujero) es la falta de un electrón en una posición donde uno podría existir en un átomo o red atómica. Esta igualdad puede ser incluso el caso después de dopaje del semiconductor, aunque solo si está dopado con donantes y aceptadores por igual. En este caso, n = p aún se mantiene, y el semiconductor sigue siendo intrínseco, aunque dopado.

Los semiconductores tienen una brecha de energía inferior a 4eV (aproximadamente 1eV). Las brechas de banda son naturalmente diferentes para diferentes materiales. Por ejemplo, el diamante es un semiconductor de banda ancha (Egap = 5.47 eV) con alto potencial como material de dispositivo electrónico en muchos dispositivos. Por otro lado, el germanio tiene una pequeña energía de banda prohibida ( _brecha E = 0.67 eV), que requiere operar el detector a temperaturas criogénicas. En física de estado sólido, este intervalo de energía o intervalo de banda es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde los estados de electrones están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en un semiconductor deben obtener energía (p. Ej., De la radiación ionizante) para atravesar el intervalo de banda y alcanzar la banda de conducción.

Semiconductores extrínsecos

Un semiconductor extrínseco , o semiconductor dopado , es un semiconductor, que fue dopado intencionalmente con el fin de modular sus propiedades eléctricas, ópticas y estructurales. En el caso de detectores de semiconductores de radiación ionizante, el dopaje es la introducción intencional de impurezas en un semiconductor intrínseco con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Por lo tanto, los semiconductores intrínsecos también se conocen como semiconductores puros o semiconductores de tipo i.

La adición de un pequeño porcentaje de átomos extraños en la red cristalina regular de silicio o germanio produce cambios dramáticos en sus propiedades eléctricas, ya que estos átomos extraños incorporados en la estructura cristalina del semiconductor proporcionan portadores de carga libre (electrones o agujeros de electrones) en el semiconductor. En un semiconductor extrínseco, son estos átomos dopantes extraños en la red cristalina los que proporcionan principalmente los portadores de carga que transportan corriente eléctrica a través del cristal. En general, hay dos tipos de átomos dopantes que dan como resultado dos tipos de semiconductores extrínsecos. Estos dopantes que producen los cambios controlados deseados se clasifican como aceptores o donantes de electrones. y los semiconductores dopados correspondientes se conocen como:

• Semiconductores de tipo n .
• Semiconductores tipo p .

Los semiconductores extrínsecos son componentes de muchos dispositivos eléctricos comunes, así como de muchos detectores de radiación ionizante. Para estos fines, un diodo semiconductor (dispositivos que permiten la corriente en una sola dirección) generalmente consta de semiconductores tipo p y tipo n colocados en unión entre sí.

Los detectores de semiconductores a base de silicio se usan principalmente para detectores de partículas cargadas (especialmente para rastrear partículas cargadas ) y detectores de rayos X blandos, mientras que el germanio se usa ampliamente para la espectroscopía de rayos gamma. Un semiconductor grande, limpio y casi perfecto es ideal como contador de radiactividad . Sin embargo, es difícil hacer cristales grandes con suficiente pureza. Los detectores de semiconductores tienen, por lo tanto, baja eficiencia, pero dan una medida muy precisa de la energía. Los detectores basados ​​en silicio tienen un ruido suficientemente bajo incluso a temperatura ambiente. Esto es causado por la gran brecha de bandade silicio (Egap = 1.12 eV), que nos permite operar el detector a temperatura ambiente, pero se prefiere enfriar para reducir el ruido. El inconveniente es que los detectores de silicio son mucho más caros que las cámaras de niebla o cámaras de cables y requieren un enfriamiento sofisticado para reducir las corrientes de fuga (ruido). También sufren degradación con el tiempo debido a la radiación, sin embargo, esto se puede reducir en gran medida gracias al efecto Lázaro.

Principio de funcionamiento de detectores de silicio

El funcionamiento de los detectores de semiconductores se resume en los siguientes puntos:

• La radiación ionizante ingresa al volumen sensible del detector e interactúa con el material semiconductor.
• La partícula que pasa a través del detector ioniza los átomos del semiconductor, produciendo los pares de electrones . El número de pares de electrones es proporcional a la energía de la radiación al semiconductor. Como resultado, se transfieren varios electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción, y se crea un número igual de agujeros en la banda de valencia.
• Bajo la influencia de un campo eléctrico, los electrones y los agujeros viajan a los electrodos, donde producen un pulso que se puede medir en un circuito externo,
• 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.

La energía requerida para producir pares de electrones es muy baja en comparación con la energía requerida para producir iones emparejados en un detector de ionización gaseosa . En los detectores de semiconductores, la variación estadística de la altura del pulso es menor y la resolución de la energía es mayor. Como los electrones viajan rápido, la resolución de tiempo también es muy buena. En comparación con los detectores de ionización gaseosa, la densidad de un detector de semiconductores es muy alta, y las partículas cargadas de alta energía pueden emitir su energía en un semiconductor de dimensiones relativamente pequeñas.

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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.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

Un detector de semiconductores es un detector de radiación que se basa en un semiconductor , como el silicio o el germanio, para medir el efecto de partículas o fotones cargados incidentes. En general, los semiconductores son materiales, inorgánicos u orgánicos, que tienen la capacidad de controlar su conducción dependiendo de la estructura química, la temperatura, la iluminación y la presencia de dopantes. El nombre semiconductor proviene del hecho de que estos materiales tienen una conductividad eléctrica entre la de un metal, como cobre, oro, etc. y un aislante, como el vidrio. Tienen una brecha de energía inferior a 4eV (aproximadamente 1eV). En física de estado sólido, esta brecha de energía o brecha de banda es un rango de energía entrebanda de valencia y banda de conducción donde los estados electrónicos están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en un semiconductor deben obtener energía (p. Ej., De la radiación ionizante ) para atravesar el intervalo de banda y alcanzar la banda de conducción.

Principio de funcionamiento de detectores de semiconductores  

El funcionamiento de los detectores de semiconductores se resume en los siguientes puntos:

• La radiación ionizante ingresa al volumen sensible del detector e interactúa con el material semiconductor.
• La partícula que pasa a través del detector ioniza los átomos del semiconductor, produciendo los pares de electrones . El número de pares de electrones es proporcional a la energía de la radiación al semiconductor. Como resultado, se transfieren varios electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción, y se crea un número igual de agujeros en la banda de valencia.
• Bajo la influencia de un campo eléctrico, los electrones y los agujeros viajan a los electrodos, donde producen un pulso que se puede medir en un circuito externo,
• 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.

La energía requerida para producir pares de electrones es muy baja en comparación con la energía requerida para producir iones emparejados en un detector de ionización gaseosa . En los detectores de semiconductores, la variación estadística de la altura del pulso es menor y la resolución de la energía es mayor. Como los electrones viajan rápido, la resolución de tiempo también es muy buena. En comparación con los detectores de ionización gaseosa, la densidad de un detector de semiconductores es muy alta, y las partículas cargadas de alta energía pueden emitir su energía en un semiconductor de dimensiones relativamente pequeñas.

Un  semiconductor dopado , es un semiconductor, que fue dopado intencionalmente con el fin de modular sus propiedades eléctricas, ópticas y estructurales. En el caso de detectores de semiconductores de radiación ionizante, el dopaje es la introducción intencional de impurezas en un semiconductor intrínseco con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Por lo tanto, los semiconductores intrínsecos también se conocen como semiconductores puros o semiconductores de tipo i.

La adición de un pequeño porcentaje de átomos extraños en la red cristalina regular de silicio o germanio produce cambios dramáticos en sus propiedades eléctricas, ya que estos átomos extraños incorporados en la estructura cristalina del semiconductor proporcionan portadores de carga libre (electrones o agujeros de electrones) en el semiconductor. En un semiconductor extrínseco, son estos átomos dopantes extraños en la red cristalina los que proporcionan principalmente los portadores de carga que transportan corriente eléctrica a través del cristal. En general, hay dos tipos de átomos dopantes que dan como resultado dos tipos de semiconductores extrínsecos. Estos dopantes que producen los cambios controlados deseados se clasifican como aceptores de electrones olos donantes y los semiconductores dopados correspondientes se conocen como:

• Semiconductores de tipo n.
• Semiconductores tipo p.

Los semiconductores extrínsecos son componentes de muchos dispositivos eléctricos comunes, así como de muchos detectores de radiación ionizante. Para estos fines, un diodo semiconductor (dispositivos que permiten la corriente en una sola dirección) generalmente consta de semiconductores tipo p y tipo n colocados en unión entre sí.

Donante de electrones – Grupo V Dopante

Un semiconductor extrínseco que ha sido dopado con átomos donadores de electrones se llama semiconductor de tipo n, porque la mayoría de los portadores de carga en el cristal son electrones negativos. Como el silicio es un elemento tetravalente, la estructura cristalina normal contiene 4 enlaces covalentes de cuatro electrones de valencia. En el silicio, los dopantes más comunes son los elementos del grupo III y del grupo V. Los elementos del grupo V (pentavalente) tienen cinco electrones de valencia, lo que les permite actuar como donantes. Eso significa que la adición de estas impurezas pentavalentes como el arsénico, el antimonio o el fósforo contribuye a la formación de electrones libres, lo que aumenta en gran medida la conductividad del semiconductor intrínseco. Por ejemplo, un cristal de silicio dopado con boro (grupo III) crea un semiconductor de tipo p, mientras que un cristal dopado con fósforo (grupo V) da como resultado un semiconductor de tipo n.

Los electrones de conducción están completamente dominados por la cantidad de electrones donadores . Por lo tanto:

El número total de electrones de conducción es aproximadamente igual al número de sitios donantes, n≈N _D .

La neutralidad de carga del material semiconductor se mantiene porque los sitios donantes excitados equilibran los electrones de conducción. El resultado neto es que el número de electrones de conducción aumenta, mientras que el número de agujeros se reduce. El desequilibrio de la concentración de portadores en las bandas respectivas se expresa por el número absoluto diferente de electrones y agujeros. Los electrones son portadores mayoritarios, mientras que los agujeros son portadores minoritarios en material de tipo n.

Aceptador de electrones – Grupo III Dopante

Un semiconductor extrínseco que ha sido dopado con átomos aceptores de electrones se llama semiconductor de tipo p , porque la mayoría de los portadores de carga en el cristal son agujeros de electrones (portadores de carga positiva). El silicio semiconductor puro es un elemento tetravalente , la estructura cristalina normal contiene 4 enlaces covalentes de cuatro electrones de valencia. En el silicio, los dopantes más comunes son los elementos del grupo III y del grupo V. Los elementos del grupo III (trivalentes) contienen tres electrones de valencia, lo que hace que funcionen como aceptores cuando se usan para dopar silicio. Cuando un átomo aceptor reemplaza un átomo de silicio tetravalente en el cristal, se crea un estado vacante (un agujero de electrones). Un agujero de electrones (a menudo simplemente llamado agujero) es la falta de un electrón en una posición en la que uno pudiera existir en un átomo o en una red atómica. Es uno de los dos tipos de portadores de carga que son responsables de crear corriente eléctrica en materiales semiconductores. Estos agujeros cargados positivamente pueden moverse de un átomo a otro en materiales semiconductores a medida que los electrones abandonan sus posiciones. La adición de impurezas trivalentes como boro , aluminio o galio.a un semiconductor intrínseco crea estos agujeros de electrones positivos en la estructura. Por ejemplo, un cristal de silicio dopado con boro (grupo III) crea un semiconductor de tipo p, mientras que un cristal dopado con fósforo (grupo V) da como resultado un semiconductor de tipo n.

El número de agujeros de electrones está completamente dominado por el número de sitios aceptores. Por lo tanto:

El número total de orificios es aproximadamente igual al número de sitios donantes, p ≈ N _A .

La neutralidad de carga de este material semiconductor también se mantiene. El resultado neto es que aumenta el número de agujeros de electrones, mientras que se reduce el número de electrones de conducción. El desequilibrio de la concentración de portadores en las bandas respectivas se expresa por el número absoluto diferente de electrones y agujeros. Los agujeros de electrones son portadores mayoritarios , mientras que los electrones son portadores minoritarios en material tipo p.

Un semiconductor extrínseco , o semiconductor dopado , es un semiconductor, que fue dopado intencionalmente con el fin de modular sus propiedades eléctricas, ópticas y estructurales. En el caso de detectores de semiconductores de radiación ionizante, el dopaje es la introducción intencional de impurezas en un semiconductor intrínseco con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Por lo tanto, los semiconductores intrínsecos también se conocen como semiconductores puros o semiconductores de tipo i.

La adición de un pequeño porcentaje de átomos extraños en la red cristalina regular de silicio o germanio produce cambios dramáticos en sus propiedades eléctricas, ya que estos átomos extraños incorporados en la estructura cristalina del semiconductor proporcionan portadores de carga libre (electrones o agujeros de electrones) en el semiconductor. En un semiconductor extrínseco, son estos átomos dopantes extraños en la red cristalina los que proporcionan principalmente los portadores de carga que transportan corriente eléctrica a través del cristal. En general, hay dos tipos de átomos dopantes que dan como resultado dos tipos de semiconductores extrínsecos. Estos dopantes que producen los cambios controlados deseados se clasifican como aceptores o donantes de electrones. y los semiconductores dopados correspondientes se conocen como:

• Semiconductores de tipo n.
• Semiconductores tipo p.

Semiconductores degenerados

Cabe señalar que un mayor dopaje conduce a una mayor conductividad debido a la mayor concentración de portadores de carga. Los semiconductores altamente dopados se comportan de manera metálica y estos semiconductores se conocen como semiconductores degenerados (muy dopados) . Los semiconductores degenerados a menudo se usan en circuitos integrados como reemplazo del metal. A menudo, los símbolos de superíndice más y menos se usan para denotar la concentración relativa de dopaje en semiconductores. Por ejemplo, n ⁺ denota un semiconductor de tipo n con una alta concentración de dopaje. Del mismo modo, p ^– indicaría un material tipo p muy ligeramente dopado.

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Un  semiconductor dopado , es un semiconductor, que fue dopado intencionalmente con el fin de modular sus propiedades eléctricas, ópticas y estructurales. En el caso de detectores de semiconductores de radiación ionizante, el dopaje es la introducción intencional de impurezas en un semiconductor intrínseco con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Por lo tanto, los semiconductores intrínsecos también se conocen como semiconductores puros o semiconductores de tipo i.

La adición de un pequeño porcentaje de átomos extraños en la red cristalina regular de silicio o germanio produce cambios dramáticos en sus propiedades eléctricas, ya que estos átomos extraños incorporados en la estructura cristalina del semiconductor proporcionan portadores de carga libre (electrones o agujeros de electrones) en el semiconductor. En un semiconductor extrínseco, son estos átomos dopantes extraños en la red cristalina los que proporcionan principalmente los portadores de carga que transportan corriente eléctrica a través del cristal. En general, hay dos tipos de átomos dopantes que dan como resultado dos tipos de semiconductores extrínsecos. Estos dopantes que producen los cambios controlados deseados se clasifican como aceptores o donantes de electrones. y los semiconductores dopados correspondientes se conocen como:

• Semiconductores de tipo n.
• Semiconductores tipo p.

Los semiconductores extrínsecos son componentes de muchos dispositivos eléctricos comunes, así como de muchos detectores de radiación ionizante. Para estos fines, un diodo semiconductor (dispositivos que permiten la corriente en una sola dirección) generalmente consta de semiconductores tipo p y tipo n colocados en unión entre sí.

Semiconductores Dopados por Donante

Un semiconductor extrínseco que ha sido dopado con átomos donadores de electrones se llama semiconductor de tipo n, porque la mayoría de los portadores de carga en el cristal son electrones negativos. Como el silicio es un elemento tetravalente, la estructura cristalina normal contiene 4 enlaces covalentes de cuatro electrones de valencia. En el silicio, los dopantes más comunes son los elementos del grupo III y del grupo V. Los elementos del grupo V (pentavalente) tienen cinco electrones de valencia, lo que les permite actuar como donantes. Eso significa que la adición de estas impurezas pentavalentes como el arsénico, el antimonio o el fósforo contribuye a la formación de electrones libres, lo que aumenta en gran medida la conductividad del semiconductor intrínseco. Por ejemplo, un cristal de silicio dopado con boro (grupo III) crea un semiconductor de tipo p, mientras que un cristal dopado con fósforo (grupo V) da como resultado un semiconductor de tipo n.

Los electrones de conducción están completamente dominados por la cantidad de electrones donadores . Por lo tanto:

El número total de electrones de conducción es aproximadamente igual al número de sitios donantes, n≈N _D .

La neutralidad de carga del material semiconductor se mantiene porque los sitios donantes excitados equilibran los electrones de conducción. El resultado neto es que el número de electrones de conducción aumenta, mientras que el número de agujeros se reduce. El desequilibrio de la concentración de portadores en las bandas respectivas se expresa por el número absoluto diferente de electrones y agujeros. Los electrones son portadores mayoritarios, mientras que los agujeros son portadores minoritarios en material de tipo n.

Semiconductores dopados con aceptor

Un semiconductor extrínseco que ha sido dopado con átomos aceptores de electrones se llama semiconductor de tipo p , porque la mayoría de los portadores de carga en el cristal son agujeros de electrones (portadores de carga positiva). El silicio semiconductor puro es un elemento tetravalente , la estructura cristalina normal contiene 4 enlaces covalentes de cuatro electrones de valencia. En el silicio, los dopantes más comunes son los elementos del grupo III y del grupo V. Los elementos del grupo III (trivalentes) contienen tres electrones de valencia, lo que hace que funcionen como aceptores cuando se usan para dopar silicio. Cuando un átomo aceptor reemplaza un átomo de silicio tetravalente en el cristal, se crea un estado vacante (un agujero de electrones). Un agujero de electrones (a menudo simplemente llamado agujero) es la falta de un electrón en una posición en la que uno pudiera existir en un átomo o en una red atómica. Es uno de los dos tipos de portadores de carga que son responsables de crear corriente eléctrica en materiales semiconductores. Estos agujeros cargados positivamente pueden moverse de un átomo a otro en materiales semiconductores a medida que los electrones abandonan sus posiciones. La adición de impurezas trivalentes como boro , aluminio o galio.a un semiconductor intrínseco crea estos agujeros de electrones positivos en la estructura. Por ejemplo, un cristal de silicio dopado con boro (grupo III) crea un semiconductor de tipo p, mientras que un cristal dopado con fósforo (grupo V) da como resultado un semiconductor de tipo n.

El número de agujeros de electrones está completamente dominado por el número de sitios aceptores. Por lo tanto:

El número total de orificios es aproximadamente igual al número de sitios donantes, p ≈ N _A .

La neutralidad de carga de este material semiconductor también se mantiene. El resultado neto es que aumenta el número de agujeros de electrones, mientras que se reduce el número de electrones de conducción. El desequilibrio de la concentración de portadores en las bandas respectivas se expresa por el número absoluto diferente de electrones y agujeros. Los agujeros de electrones son portadores mayoritarios , mientras que los electrones son portadores minoritarios en material tipo p.

Detectores Cherenkov

Un detector de Cherenkov es un detector de partículas, que se basa en la detección de la radiación de Cherenkov (luz visible o fotones UV). A diferencia de un contador de centelleo, la producción de luz es instantánea. Los detectores de centelleo típicos tienen un tiempo de caída medido en microsegundos, mientras que la radiación de Cherenkov es casi instantánea y con un equipo de procesamiento de pulso rápido se puede medir en picosegundos. Los contadores de Cherenkov se utilizan principalmente para la identificación de partículas , es decir, para la determinación de masas de partículas. Los contadores de Cherenkov contienen dos elementos principales:

• un radiador a través del cual pasa la partícula cargada,
• un fotodetector (por ejemplo, un tubo fotomultiplicador – PMT ).

La radiación de Cherenkov, que se produce en el radiador, es radiación electromagnética emitida cuando una partícula cargada (como un electrón) se mueve a través de un medio dieléctrico más rápido que la velocidad de fase de la luz en ese medio . Las partículas que exceden la velocidad de fase de la luz dan como resultado una polarización a lo largo del eje de movimiento creando un campo dipolo. Cuando este campo se colapsa, se emite un pulso electromagnético (radiación de Cherenkov) en dirección hacia adelante.

La radiación de Cherenkov se produce comúnmente en materiales dieléctricos a través de electrones Compton o electrones y positrones de producción en pares. La intensidad de la luz producida por este proceso es mucho menor que la de la luminiscencia (la base para la operación del detector de centelleo) que requiere un equipo de detección de fotones ópticos más sensible, como los tubos foto-multiplicadores de baja luz (PMT). Los contadores de Cherenkov se pueden clasificar como imágenes o tipos de umbral , dependiendo de si utilizan o no la información del ángulo de Cherenkov (θ). En el caso simple de un detector de umbralLa energía umbral dependiente de la masa permite la discriminación entre una partícula más ligera (que irradia) y una partícula más pesada (que no irradia) de la misma energía o momento. Los contadores de imágenes se pueden usar para rastrear partículas e identificarlas. Aunque los dispositivos que usan radiación Cherenkov a menudo se consideran detectores de identificación de partículas (PID), en la práctica, se usan ampliamente en una gama mucho más amplia de aplicaciones; incluso:

• contadores rápidos de partículas
• identificación de partículas hadrónicas
• Detectores de seguimiento que realizan reconstrucción completa de eventos.

Los detectores de Cherenkov se pueden clasificar como imágenes o tipos de umbral , dependiendo de si utilizan o no la información del ángulo de Cherenkov (θ). En el caso simple de un detector de umbral, la energía umbral dependiente de la masa permite la discriminación entre una partícula más ligera (que irradia) y una partícula más pesada (que no irradia) de la misma energía o momento. Los contadores de imágenes se pueden usar para rastrear partículas e identificarlas. Aunque los dispositivos que usan radiación Cherenkov a menudo se consideran detectores de identificación de partículas (PID), en la práctica, se usan ampliamente en una gama mucho más amplia de aplicaciones; incluso:

• contadores rápidos de partículas
• identificación de partículas hadrónicas
• Detectores de seguimiento que realizan reconstrucción completa de eventos.

Tipos de detectores Cherenkov – Ejemplos

• RICO. Los detectores prácticos de múltiples pistas de Cherenkov de imágenes de anillo (genéricamente llamados contadores RICH) son un desarrollo más reciente. En un detector RICH, se produce un cono de luz Cherenkov cuando una partícula cargada de alta velocidad atraviesa un medio adecuado, a menudo llamado radiador. Este cono de luz se detecta en un detector de fotones plano sensible a la posición, que permite reconstruir un anillo o disco, cuyo radio es una medida para el ángulo de emisión de Cherenkov. Por ejemplo, el experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones utiliza dos detectores RICH para diferenciar entre piones y kaons.
• Super-Kamiokande. Super-Kamiokande es un observatorio subterráneo de neutrinos, que utiliza grandes contadores de agua Cherenkov para detectar neutrinos de alta energía para buscar la descomposición de protones, estudiar neutrinos solares y atmosféricos, y vigilar las supernovas en la Vía Láctea. Consiste en un tanque cilíndrico de acero inoxidable de aproximadamente 40 m (131 pies) de altura y diámetro que contiene 50,000 toneladas de agua ultrapura. Montados en una superestructura interior hay unos 13,000 tubos fotomultiplicadores que detectan la luz de la radiación de Cherenkov.

Un detector de Cherenkov es un detector de partículas, que se basa en la detección de la radiación de Cherenkov (luz visible o fotones UV). A diferencia de un contador de centelleo, la producción de luz es instantánea. Los detectores de centelleo típicos tienen un tiempo de caída medido en microsegundos, mientras que la radiación de Cherenkov es casi instantánea y con un equipo de procesamiento de pulso rápido se puede medir en picosegundos. Los contadores de Cherenkov se utilizan principalmente para la identificación de partículas , es decir, para la determinación de masas de partículas. Los contadores de Cherenkov contienen dos elementos principales:

• un radiador a través del cual pasa la partícula cargada,
• un fotodetector (por ejemplo, un tubo fotomultiplicador – PMT ).

La radiación de Cherenkov, que se produce en el radiador, es radiación electromagnética emitida cuando una partícula cargada (como un electrón) se mueve a través de un medio dieléctrico más rápido que la velocidad de fase de la luz en ese medio . Las partículas que exceden la velocidad de fase de la luz dan como resultado una polarización a lo largo del eje de movimiento creando un campo dipolo. Cuando este campo se colapsa, se emite un pulso electromagnético (radiación de Cherenkov) en dirección hacia adelante. Es similar a la onda de proa producida por un barco que viaja más rápido que la velocidad de las ondas de agua. La radiación de Cherenkov se produce solo si la velocidad de la partícula es mayor que la velocidad de fase de la luz en el material. Incluso a altas energías la energía perdidaLa radiación de Cherenkov es mucho menor que la de otros mecanismos (colisiones, bremsstrahlung). Lleva el nombre del físico soviético Pavel Alekseyevich Cherenkov , quien compartió el Premio Nobel de física en 1958 con Ilya Frank e Igor Tamm por el descubrimiento de la radiación de Cherenkov, realizada en 1934.

La radiación de Cherenkov se produce comúnmente en materiales dieléctricos a través de electrones Compton o electrones y positrones de producción en pares. La intensidad de la luz producida por este proceso es mucho menor que la de la luminiscencia (la base para la operación del detector de centelleo) que requiere un equipo de detección de fotones ópticos más sensible, como los tubos foto-multiplicadores de baja luz (PMT). Los contadores de Cherenkov se pueden clasificar como imágenes o tipos de umbral , dependiendo de si utilizan o no la información del ángulo de Cherenkov (θ). En el caso simple de un detector de umbralLa energía umbral dependiente de la masa permite la discriminación entre una partícula más ligera (que irradia) y una partícula más pesada (que no irradia) de la misma energía o momento. Los contadores de imágenes se pueden usar para rastrear partículas e identificarlas. Aunque los dispositivos que usan radiación Cherenkov a menudo se consideran detectores de identificación de partículas (PID), en la práctica, se usan ampliamente en una gama mucho más amplia de aplicaciones; incluso:

• contadores rápidos de partículas
• identificación de partículas hadrónicas
• Detectores de seguimiento que realizan reconstrucción completa de eventos.

Tipos de detectores Cherenkov – Ejemplos

• RICO. Los detectores prácticos de múltiples pistas de Cherenkov de imágenes de anillo (genéricamente llamados contadores RICH) son un desarrollo más reciente. En un detector RICH, se produce un cono de luz Cherenkov cuando una partícula cargada de alta velocidad atraviesa un medio adecuado, a menudo llamado radiador. Este cono de luz se detecta en un detector de fotones plano sensible a la posición, que permite reconstruir un anillo o disco, cuyo radio es una medida para el ángulo de emisión de Cherenkov. Por ejemplo, el experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones utiliza dos detectores RICH para diferenciar entre piones y kaons.
• Super-Kamiokande. Super-Kamiokande es un observatorio subterráneo de neutrinos, que utiliza grandes contadores de agua Cherenkov para detectar neutrinos de alta energía para buscar la descomposición de protones, estudiar neutrinos solares y atmosféricos, y vigilar las supernovas en la Vía Láctea. Consiste en un tanque cilíndrico de acero inoxidable de aproximadamente 40 m (131 pies) de altura y diámetro que contiene 50,000 toneladas de agua ultrapura. Montados en una superestructura interior hay unos 13,000 tubos fotomultiplicadores que detectan la luz de la radiación de Cherenkov.

La detección de rayos X  es muy específica, porque los fotones de alta energía interactúan de manera diferente con la materia. Los fotones de alta energía pueden viajar miles de pies en el aire y pueden pasar fácilmente a través de diversos materiales. Además, los fotones de alta energía pueden ionizar átomos indirectamente y directamente (a pesar de que son eléctricamente neutros) a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton . Pero la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa.

Para describir los principios de detección de fotones de alta energía, debemos comprender la interacción de la radiación con la materia . Cada tipo de partícula interactúa de manera diferente, por lo tanto, debemos describir las interacciones de los fotones de alta energía (radiación como un flujo de estos rayos) por separado.

Ver también: rayos X

Interacción de rayos X con materia

Aunque se conoce una gran cantidad de posibles interacciones, existen tres mecanismos de interacción clave con la materia. La fuerza de estas interacciones depende de la  energía de los rayos X  y la composición elemental del material, pero no mucho de las propiedades químicas, ya que la energía del fotón de rayos X es mucho mayor que las energías de unión química. La absorción fotoeléctrica domina  a bajas energías de rayos X,  mientras que la dispersión de Compton domina a energías más altas.

• Efecto fotoeléctrico
• Dispersión de Compton
• la dispersión de Rayleigh

El fotón se absorbe completamente en el efecto fotoeléctrico, mientras que solo se deposita energía parcial en cualquier dispersión de Compton. La probabilidad de absorción fotoeléctrica (domina a energías de rayos X más bajas) por unidad de masa es aproximadamente proporcional a:

τ (fotoeléctrico) = constante x Z ^N / E ^3.5

donde Z es el número atómico, el exponente n varía entre 4 y 5. E es la energía del fotón incidente. La probabilidad de dispersión de Compton por interacción con un átomo aumenta linealmente con el número atómico Z, porque depende de la cantidad de electrones, que están disponibles para dispersarse en el átomo objetivo.

Detectores de rayos X

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

• Detectores de ionización gaseosa
• Detectores de centelleo
• Detectores de semiconductores

Detección de rayos X utilizando la cámara de ionización

Los rayos gamma  tienen muy pocos problemas para penetrar las paredes metálicas de la cámara. Por lo tanto, las cámaras de ionización pueden usarse para detectar radiación gamma y rayos X colectivamente conocidos como fotones, y para esto se usa el tubo sin ventanas. Las cámaras de ionización tienen una buena respuesta uniforme a la radiación en una amplia gama de energías y son los medios preferidos para medir altos niveles de radiación gamma. Algunos problemas son causados ​​por el hecho de que las partículas alfa son más ionizantes que las partículas beta y que los rayos gamma, por lo que se produce más corriente en la región de la cámara de ionización por alfa que beta y gamma. Los rayos gamma depositan una cantidad de energía significativamente menor en el detector que otras partículas.

Detección de rayos X utilizando el contador Geiger

El contador Geiger  puede detectar radiaciones ionizantes como  partículas alfa  y  beta ,  neutrones , rayos X y rayos  gamma  utilizando el efecto de ionización producido en un tubo Geiger-Müller, que da nombre al instrumento. El voltaje del detector se ajusta de modo que las condiciones correspondan a la  región Geiger-Mueller .

El  alto factor de amplificación  del contador Geiger es la principal ventaja sobre la cámara de ionización. El contador Geiger es, por lo tanto, un dispositivo mucho más sensible que otras cámaras. A menudo se usa en la detección de rayos gamma de bajo nivel y partículas beta por este motivo.

Tipo sin ventana

Los rayos gamma  tienen muy pocos problemas para penetrar las paredes metálicas de la cámara. Por lo tanto, los contadores Geiger se pueden usar para detectar radiación gamma y  rayos X  (tubos de pared delgada) conocidos colectivamente como fotones, y para esto se usa el tubo sin ventanas.

• Se   utiliza un tubo de pared gruesa para la detección de radiación gamma por encima de las energías de aproximadamente 25 KeV, este tipo generalmente tiene un espesor de pared total de aproximadamente 1-2 mm de acero al cromo.
• Se   usa un tubo de pared delgada para fotones de baja energía (rayos X o rayos gamma) y partículas beta de alta energía. La transición del diseño de pared delgada al diseño de pared gruesa tiene lugar en los niveles de energía de 300–400 keV. Por encima de estos niveles se utilizan diseños de paredes gruesas, y por debajo de estos niveles predomina el efecto de ionización de gas directo.

Detección de rayos X 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  alfa ,  beta , rayos X y  radiación gamma . Se pueden usar también para la  detección de neutrones . Para estos fines, se utilizan diferentes centelleadores.

• Rayos-X .  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 caída de pulso de aproximadamente 1 microsegundo (~ 10 ^-6 segundo). 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.

Detección de rayos X utilizando semiconductores – Detectores HPGe

Detectores de germanio de alta pureza  ( detectores de HPGe ) son la mejor solución para precisa  gamma y espectroscopia de rayos x .

Como se escribió, el estudio y análisis de los espectros de rayos gamma para uso científico y técnico se llama espectroscopía gamma, y ​​los espectrómetros de rayos gamma son los instrumentos que observan y recopilan dichos datos. Un espectrómetro de rayos gamma (GRS) es un dispositivo sofisticado para medir la distribución de energía de la radiación gamma. Para la medición de rayos gamma por encima de varios cientos de keV, hay dos categorías de detectores de gran importancia,  centelleadores inorgánicos como NaI (Tl)  y  detectores de semiconductores . Si  se requiere una  resolución energética perfecta , tenemos que usar  un detector a base de germanio , como el  detector HPGe. Detectores semiconductores a base de germanio son los más utilizados cuando se requiere una muy buena resolución en energía, especialmente para  espectroscopia gamma , así como  espectroscopia de rayos x . En la espectroscopía gamma, se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción con los rayos gamma. Además, el germanio tiene una energía promedio menor necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio. Esto también proporciona a este último una mejor resolución en energía. El FWHM (ancho completo a la mitad como máximo) para los detectores de germanio es una función de la energía. Para un fotón de 1.3 MeV, el FWHM es 2.1 keV, que es muy bajo.