Contadores de centelleo
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 reaccione 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, se pueden usar 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 física porque se pueden hacer 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 de rayos gamma basadas en el efecto de centelleo y, por lo tanto, también se denominan cámaras de centelleo.
El centelleador determina las ventajas y desventajas de los contadores de centelleo. Las siguientes características no son generales para todos los centelleadores.
Ventajas de los contadores de centelleo
- Eficiencia . 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.
- Espectroscopía . 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. El centelleador de NaI (Tl) tiene una resolución de energía más alta que un contador proporcional, lo que permite determinaciones de energía más precisas. Por otro lado, si se requiere una resolución energética perfecta, tenemos que usar un detector a base de germanio, como el detector HPGe.
Desventajas de los contadores de centelleo
- Higroscopicidad . 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.
- NaI (Tl) no tiene respuesta beta o alfa y una pobre respuesta gamma de baja energía.
- Los centelleadores líquidos son relativamente engorrosos.
Detectores de semiconductores
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 cargadas o fotones incidentes. Los detectores de semiconductores se utilizan ampliamente en protección radiológica , ensayo de materiales radiactivos e investigación física.
Ventajas de los detectores HPGe
- Mayor número atómico. Se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción de rayos gamma.
- El germanio tiene una energía promedio más baja necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio.
- Muy buena resolución energética . El FWHM para 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.
- Los cristales grandes . Si bien los detectores a base de silicio no pueden ser más gruesos que unos pocos milímetros, el germanio puede tener un espesor de centímetros agotado y sensible y, por lo tanto, puede usarse como un detector de absorción total para rayos gamma de hasta pocos MeV.
Desventajas de los detectores HPGe
- Enfriamiento . El principal inconveniente de los detectores HPGe es que deben enfriarse a temperaturas de nitrógeno líquido. Debido a que el germanio tiene un intervalo de banda relativamente bajo , estos detectores deben enfriarse para reducir la generación térmica de portadores de carga a un nivel aceptable. De lo contrario, el ruido inducido por la corriente de fuga destruye la resolución energética del detector. Recuerde, la brecha de banda (una distancia entre la valencia y la banda de conducción ) es muy baja para germanio (Egap = 0.67 eV). El enfriamiento a la temperatura del nitrógeno líquido (-195.8 ° C; -320 ° F) reduce las excitaciones térmicas de los electrones de valencia, de modo que solo una interacción de rayos gamma puede dar a un electrón la energía necesaria para cruzar la brecha de banda y alcanzar la banda de conducción.
- Precio . La desventaja es que los detectores de germanio son mucho más caros que las cámaras de ionización o los contadores de centelleo .
Ventajas de los detectores de silicio
- 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.
- El silicio tiene una alta densidad de 2.329 g / cm 3 y, por lo tanto, la pérdida de energía promedio por unidad de longitud permite construir detectores delgados (por ejemplo, 300 µm) que aún producen señales medibles. Por ejemplo, en caso de mínima partícula ionizante (MIP) la pérdida de energía es de 390 eV / µm. Los detectores de silicio son mecánicamente rígidos y, por lo tanto, no se necesitan estructuras de soporte especiales.
- Los detectores basados en silicio son muy buenos para rastrear partículas cargadas, constituyen una parte sustancial del sistema de detección en el LHC en el CERN.
- Los detectores de silicio se pueden usar en campos magnéticos fuertes.
Desventajas de los detectores de silicio
- Precio . La desventaja es que los detectores de silicio son mucho más caros que las cámaras de nube o las cámaras de cables.
- La degradación . También sufren degradación con el tiempo por la radiación, sin embargo, esto se puede reducir en gran medida gracias al efecto Lázaro.
- Alto FWHM . 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.
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