Detección y Medida de las Radiaciones

Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 1/26
1. DEETTEECCCCIIÓ
S
AS
Y ME
LA
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EL
ÓN
DE
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ED
RAADDIIAACCIIO
S
ES
NE
ON
Fenómenos asociados con la detección
•
Ionización
o detectores de gas y de semiconductor
o emulsión fotográfica
o sólidos dieléctricos
•
Excitación
o detectores de centelleo
Clasificación de los detectores
•
De señal eléctrica
o de impulsos
o de corriente
•
Visuales
o emulsión fotográfica
o sólidos dieléctricos
Detectores de impulsos
•
•
•
•
Proporcionalidad entre la amplitud de la señal y la energía de la
partícula.
Eficiencia de contaje ( Ndetectadas / Nincidentes).
Resolución en energía = ∆ V / V
Resolución temporal (solapamiento de impulsos).
Concepto de resolución en energía y temporal
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
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R=
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anchura a la mitad del máximo
∆V
× 100 =
× 100
amplitud del impulso en el pico
V
Características del detector ideal
1. Eficiencia 100 %.
2. Buena resolución temporal.
3. Buena resolución en energía.
4. Buena proporcionalidad en la respuesta.
5. Detección de todo tipo de radiaciones.
6. Amplio intervalo de energías.
7. Gran ángulo sólido de captación.
8. Discriminación entre distintos tipos de radiación.
9. Información direccional.
10. Bajo ruido de fondo.
11. Visualización directa del suceso
12. Buen precio.
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2. DEETTEECCTTO
E GA
DE
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OR
S
AS
Fundamento:
ionización
Geometría:
cilíndrica, plana o esférica
Tensión:
100 a 1000 V
3 × 106
Ejemplo: α (3 MeV) → N =
= 100 000 pares de iones
30
Capacidad típica:
50 pF
q 105 × 1.6 × 10−19 C
= 0.5 mV
Amplitud de la señal: V = =
C
50 × 10−12 F
Tiempo de recolección:
•
•
En modo de corriente:
Elementos de Radioprotección
para electrones, 1 µs
iones positivos, 1 ms
q 105 × 1.6 × 10−19 C
i= =
= 16 nA
t
10-6 s
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1. Recombinación
2. Saturación:
multiplicación: N × M
3. Proporcionalidad estricta: M ≈ 1 a 104
4. Proporcionalidad limitada: N × M ≈ 1011
5. Zona Geiger:
M ≈ 109
6. Descarga continua
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Zona de Saturación
Zona de Proporcionalidad
Zona Geiger
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Discriminación
de energía
Contaje de partículas
Otros factores:
Naturaleza y presión del gas de llenado.
Tamaño y geometría del detector.
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3. CÁÁM
N
ÓN
CIIÓ
AC
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E IIO
DE
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RA
AR
MA
•
•
•
Trabaja en la zona de saturación.
No hay recombinación ni multiplicación.
Permite discriminar en energía
Geometría:
cámara plana
V
Campo eléctrico uniforme: E = ≈ 100 V/cm
d
ve = 106 cm/s v+ = 103 cm/s
Velocidad de deriva:
Si R es pequeña,
Si R es grande,
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modo de corriente.
modo de impulsos.
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Tema 5 - 7/26
1. Constante de tiempo, RC.
2. Tiempo muerto.
3. Tiempo de recuperación.
Si el tiempo muerto es superior a 1 ms, se recolecta toda la carga y la
amplitud de los impulsos es proporcional a la energía depositada por
la radiación en la cámara (exposición y dosis):
n=
E
w
q = ne
V=
q ne
=
≈ 1 mV
C C
Excelente resolución en energía (2 al 3 %)
Hay que controlar:
• intensidad del campo eléctrico.
• presión del gas de llenado
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CÁÁM
MA
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DE
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NIIZZA
AC
CIIÓ
ÓN
NC
CO
ON
NR
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EJJA
A
Si el tiempo muerto es muy largo se pierde resolución temporal, lo
que puede evitarse colocando un tercer electrodo - la reja - entre el
cátodo y el ánodo.
Anillos de guarda: corrigen la dispersión en los bordes.
Gas de llenado: gas noble (Ar) + CH4 o CO2 para enfriar la
descarga.
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FUUNNCCIIO
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NM
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EN
NTTE
E
•
•
R es pequeña
Se suprime el condensador de acoplamiento.
CÁÁM
MA
AR
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S IIN
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GR
RA
AD
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OR
RA
AS
S
La constante de tiempo RC es virtualmente infinita.
La carga liberada se acumula en los electrodos y produce una
disminución gradual de la tensión existente entre ellos.
•
•
•
Cámaras de paredes de aire
Cámaras de cavidad.
Cámaras de tipo pluma (radioprotección)
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4. CO
S
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CIIO
RC
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PO
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PR
SP
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AD
TA
NT
ON
•
•
Trabajan en la zona de proporcionalidad estricta.
Se produce multiplicación (ionización secundaria).
Amplitud del impulso:
Si V ∝ n
V =
nM e
C
de 1mV a 300 mV
◙ espectrometría de energías
◙ resolución en energía del 2 al 3 %
Geometría:
cilíndrica
Campo eléctrico:
no uniforme,
mucho más intenso cerca del electrodo central.
rc = distancia crítica para producción de avalanchas
Forma del impulso:
(iones positivos)
Tiempo de recolección (iones +):
Gas de llenado:
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100 µs
argón (90%) + CH4 (10%)
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Tema 5 - 11/26
CO
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RD
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OC
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NTTIIN
NU
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La muestra que se analiza se sitúa en el interior del contador.
Se hace circular continuamente el gas de llenado.
Buena eficiencia para partículas cargadas.
Presentan dos “ plateaux ” bien diferenciados.
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Tema 5 - 12/26
5. CO
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R-MÜ
R
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TA
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EIIG
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•
Geometría cilíndrica.
•
Trabaja a tensión elevada (500 a 1000 V).
•
Gran multiplicación (M = 109 ).
o La avalancha se extiende rápidamente (10-7 s) a todo el
ánodo (fotoelectrones).
o Amplitud de los impulsos independientemente de la
energía de la partícula detectada.
o Gran amplitud de los impulsos (1 a 10 V).
•
Gas de extinción: argón + alcohol o halógeno
•
Vida media:
•
Tiempo muerto: de 100 a 200 µs
•
Ideales para partículas beta.
•
Baja eficiencia para fotones ( gamma y X)
o Eficiencia para rayos-X de E < 20 keV, 50%
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de 1010 a 1013 cuentas
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Tema 5 - 13/26
Curva característica del contador de Geiger-Müller
Pendiente del “plateau” ≈ 2 a 3 %
DEETTEECCCCIIÓ
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Neutrones térmicos: Contador Proporcional (gas de llenado, BF3)
n + 10B →
7
Li + α
Neutrones rápidos: ídem recubierto de parafina (se detecta el protón
de retroceso)
Flujos elevados de neutrones térmicos: Recubrimiento con material
físil ( uranio-235)
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Tema 5 - 14/26
6. DEETTEECCTTO
E CE
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LL
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NT
EN
Utilizan la propiedad de ciertos materiales de emitir luz visible
cuando sus átomos o moléculas se desexcitan tras el paso de la
radiación ionizante.
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Tema 5 - 15/26
Elementos fundamentales del detector de centelleo
Sustancias luminiscentes
•
•
Gran eficiencia de detección para la radiación relevante.
Buena transparencia a la luz.
Fluorescencia: los electrones excitados vuelven a su estado normal
rápidamente (después del paso de la radiación).
Fosforescencia: los electrones excitados son metaestables (tardan
más tiempo). ¡Es indeseable!
Compuestos inorgánicos: ZnS(Ag) y NaI(Tl). Son apropiados
para la detección de la radiación gamma debido a su número
atómico medio alto.
Compuestos orgánicos : antraceno, estilbeno y terfenilo. Son
apropiados para la detección de la radiación beta debido a su
bajo número atómico medio.
Líquidos luminiscentes orgánicos: aplicaciones médicas.
Acoplamiento óptico
Cristales centelleadores perfectamente pulimentados y cubiertos
de reflectantes (Mg2O, Al2O3).
Utilización de aceites de índice de refracción intermedio para
eliminar las refracciones al máximo y canalizar la luz hacia el
fotocátodo.
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Tema 5 - 16/26
Fotomultiplicador
•
Fotocátodo de material sensible que produce electrones que son
acelerados al primer dinodo positivo produciendo electrones
secundarios (cuatro ó cinco electrones secundarios por cada
electrón). El proceso es sucesivo.
•
Los dinodos están a potenciales positivos crecientes.
•
Amplificación según el número de dinodos (106 a 109).
•
Amplitud de la señal proporcional a la energía del fotón
incidente.
•
Diferencia de potencial entre dinodos de 100 a 150 V.
•
Tensión aplicada entre 600 y 2000 V (fuente muy bien
estabilizada para aumentar la resolución).
•
Resolución temporal:
entre 2 ns y 10 ns
•
Resolución en energía:
≈7-8%
•
Muy adecuados para medir altas tasas de contaje.
•
Corriente de oscuridad: producida por las impurezas
radiactivas del tubo o impulsos parásitos. Es indeseable.
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Tema 5 - 17/26
7. ESSPPEECCTTRRO
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•
Utilización de cristales de NaI (Tl).
•
Formas de interaccionar con el cristal
o Efecto fotoeléctrico
o Efecto Compton
o Creación de pares
•
Se distinguen distintas zonas en el espectro:
o Fotopico (a): rayos gamma totalmente absorbidos.
o Pico de escape simple(b) y doble(c): efecto Compton y
creación de pares.
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Tema 5 - 18/26
8. DEETTEECCTTO
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Fundamento análogo al de las cámaras de ionización, pero
sustituyendo el gas por un sólido.
Mayor poder de frenado.
Menor energía necesaria para crear un par de iones.
Eficiencia de detección alta.
Gran resolución en energía.
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Tema 5 - 19/26
9. ESSTTRRUUCCTTUURRAA EENNEERRG
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(a) aislador: banda de valencia totalmente llena y banda de
conducción vacía, con una gran separación entre ambas.
(b) semiconductor: situación intermedia (Si y Ge).
(c) conductor: banda de conducción parcialmente ocupada y
separación entre ambas bandas casi nula.
Creación de pares electrones-hueco (por acción de un campo
eléctrico) y excitación del semiconductor.
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Tema 5 - 20/26
Semiconductores intrínsecos: carentes de impurezas y con
resistividades intermedias.
Presencia de impurezas: provoca la aparición de electrones y huecos
en proporción superior al del material puro.
Tipos de impurezas:
Semiconductores tipo n
Átomos pentavalentes (P, Sb) que reemplazan a átomos tetravalentes
(Si, Ge) proporcionando un electrón sobrante por átomo. Producción
de electrones libres fácilmente desplazables y de iones positivos
fijados en la red cristalina.
Semiconductores tipo p
Átomos tetravalentes reemplazados por átomos trivalentes (B, Ga).
Formación de iones negativos y de huecos desplazables por la red.
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Tema 5 - 21/26
DEETTEECCTTO
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N
Son monocristales contaminados por un extremo con impurezas p y
en el otro extremo con impurezas n.
En la zona de unión no hay electrones libres ni huecos, la región tipo
n queda cargada positivamente, la región tipo p queda cargada
negativamente y se crea una diferencia de potencial interna.
• La aplicación de tensión externa grande aumenta la
resistividad de la unión.
• Mejor resolución en energía que los contadores de gas.
• Tiempos de recolección más cortos.
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Tema 5 - 22/26
Tipos de detectores de unión
• Detectores de barrera de superficie.
• Detectores de unión difusa.
• Detectores de implantación iónica.
Todos ellos son de geometría plana y volúmenes delgados.
DEETTEECCTTO
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N LLIITTIIO
O
Introducción de iones de litio en la red cristalina de un semiconductor
tipo p (Ge, Si) en atmósfera gaseosa o con recubrimiento superficial
Detectores Si (Li): resultan adecuados para espectroscopia alfa,
beta o de rayos-X.
Detectores Ge(Li): adecuados para espectroscopia gamma.
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Tema 5 - 23/26
10. DEETTEECCTTO
E SE
R.
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CO
MIIC
EM
Detección de partículas cargadas
Se puede emplear cualquier tipo de detector de semiconductor.
• Son más adecuados los cristales de silicio (debido a su bajo número
atómico, que origina menor retrodispersión de electrones)
• Eficiencia 100% (prácticamente).
• Alta resolución en energía (inversamente proporcional a la
temperatura).
• Muy apropiados para espectroscopía alfa
Detección de Rayos-X y Gamma
• Detectores de Si(Li)
• Detectores de Ge(Li) o germanio intrínseco.
• Altas resoluciones en energía
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Tema 5 - 24/26
11. DEETTEECCTTO
A
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NC
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E TE
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LU
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Detectan la dosis acumulada de radiación experimentando cambios en
sus propiedades físicas.
La combinación de los electrones extraídos de las trampas con los
huecos de la banda de valencia origina la emisión de luz, que se
relaciona con la radiación recibida.
Proceso de Radiotermoluminiscencia
• Extracción de los electrones de las “trampas” energéticas
calentando el cristal.
• Cristales más apropiados: LiF, CaF2, CaSO4 y aluminio fosfato,
todos ellos activados con magnesio.
• Pueden volver a ser utilizados con el dosímetro de
termoluminiscencia (TLD).
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Tema 5 - 25/26
12. EM
A
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ÁF
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GR
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OG
UL
TO
MU
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Es el detector más antiguo (Becquerel, 1896).
Emulsión sensible de granos de bromuro de plata en una matriz
de gelatina.
La sensibilidad depende del tamaño del grano.
Representación bidimensional de la radiación incidente.
Sensible a la luz visible.
Características de la emulsión fotográfica
Excelente resolución espacial (imprecisión de 10-6 m).
Simplicidad y bajo coste del detector.
Escasa eficiencia y baja linealidad en la respuesta tras su
saturación.
No suministra información sobre la energía de las partículas ni
sobre el instante de la interacción.
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Tema 5 - 26/26
13. ELLEECCTTRRÓ
S
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DEETTEECCTTO
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LÉ
Su objetivo es transformar las señales proporcionadas por los
detectores en otras medibles con una instrumentación convencional.
o Realimentación negativa: consiste en incrementar la corriente de
entrada y reintroducir la señal de salida (en sentido opuesto) para
corregir la inestabilidad.
o Descontaminación de suciedad y aislamiento perfecto (entre la
salida del detector y la entrada del amplificador).
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