¿Qué es el centelleo? Definición

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. 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

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.

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 protegerse 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 mide.

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 que crecen 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. .

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