capítulo 1: detección de la radiación - fisica.unlp.edu.ar de la... · fabricación de los...
TRANSCRIPT
Capítulo 1: Detección de la radiación
La radiación no es perceptible por los sentidos, por lo que es
necesario valerse de instrumentos apropiados para detectarla. Además de su
presencia, muchas veces interesa conocer su intensidad, su energía, o
cualquier otra propiedad que ayude a evaluar los efectos que pueden tener
sobre los materiales, organismos o el medio ambiente. Por esto, a lo largo
de los años se han desarrollado muchos tipos de detectores, algunos de los
cuales serán descriptos a continuación. Cada clase de detector es sensible a
cierto tipo de radiación en cierto intervalo de energía. Así pues, es de
primordial importancia seleccionar el detector adecuado al tipo y
características de la radiación que se desea medir.
El diseño de los detectores está basado en el conocimiento de la
interacción de la radiación con la materia. Las radiaciones depositan
energía en los materiales, principalmente a través de la ionización y
excitación de los átomos o moléculas que lo componen. Además, puede
haber emisión de luz, cambio de temperatura, o efectos químicos, que
indican la presencia de radiación.
Antes de discutir los diferentes tipos de detectores de radiación en
forma individual, se presentarán algunas propiedades generales aplicables a
todos ellos, la sensibilidad, la respuesta, la resolución y la eficiencia.
1.1. Sensibilidad
La sensibilidad de un detector es la capacidad de producir una señal
útil para detectar un dado tipo de radiación en un determinado rango de
energía. Fuera de estos rangos, la señal es inusable o decrece notoriamente.
La sensibilidad depende de factores tales como la sección eficaz para
la interacción con el material del detector, la masa del detector y el ruido
electrónico intrínseco del mismo. La sección eficaz y la masa del material
detector determinan la probabilidad de que la radiación incidente transfiera
toda o parte de su energía al material. Para el caso de partículas neutras,
como la radiación , las secciones eficaces de interacción son pequeñas, por
lo cual la densidad y el volumen del detector son un factor sumamente
importante para obtener una buena señal, ya que de lo contrario el detector
se vuelve transparente a la radiación incidente. El ruido electrónico
intrínseco del detector determina el umbral inferior de detección.
1.2. Respuesta del detector
Además de detectar la presencia de radiación, muchos detectores
también son capaces de proveer información acerca de la energía de la
misma. Esto se debe a que el número de ionizaciones producidas en el
detector es proporcional a la energía entregada por la radiación incidente en
el volumen del dispositivo. Si el detector (o mejor dicho, el material
detector) tiene un volumen y una densidad tal que la radiación incidente es
totalmente absorbida, entonces la cantidad de ionizaciones producidas es
una medida de la energía de la radiación incidente.
En general, la información provista por una unidad detectora es un
pulso de corriente. La cantidad de ionizaciones está reflejada en la carga
eléctrica contenida en la señal, i.e., la intengral del pulso respecto del
tiempo. Esta integral es proporcional a la amplitud o altura del pulso de la
señal, así esta caractrística puede ser usada. La relación entre la energía de
la radiación y la carga total o la altura del pulso de la señal de salida es
llamada respuesta del detector. Idealmente es deseable que la respuesta del
detector sea lineal (al menos en un rango de energías), hecho que facilita la
“conversión” a energía depositada. La función respuesta de un detector a
una dada energía queda determinada por las diferentes interacciones que
pueden tener lugar entre la radiación y el material detector.
Otra característica muy importante de un detector es el tiempo de
respuesta, que se define como el tiempo que le toma al detector formar una
señal luego de la llegada de la radiación incidente. Durante este período, un
segundo evento puede no ser registrado (el detector es insensible) o una
segunda señal puede sumarse a la primera, dando lugar a una altura de
pulso que no se corresponde con las energías de las radiaciones incidentes.
Estos procesos contribuyen a lo que se conoce como tiempo muerto del
detector y limitan la cantidad de eventos detectados por unidad de tiempo
por el detector.
1.3. Resolución en energía
Para el caso de detectores diseñados para determinar la energía de
una dada radiación incidente, el aspecto más importante es la resolución en
energía. Esta es la capacidad del detector para distinguir entre dos
radiaciones de energías próximas. En general, la resolución puede medirse
exponiendo el detector a una radiación monoenergética de neregía E y
observar el espectro resultante. Idealmente, se esperaría obtener un pico
muy delgado centrado en E tipo función delta de Dirac. En la realidad se
observa un pico con un ancho finito y de forma Gaussiana. Este ancho
finito aparece debido a las fluctuaciones estadísticas en el número de
excitaciones e ionizaciones que se producen en la masa del detector. La
resolución del detector se da en términos del ancho a mitad de altura del
pico. Así, señales cuyas energías están separadas por un valor mayor a este
ancho se consideran resueltos (Figura 1.1). Si E es el ancho a mitad de
altura del pico, entonces la resolución relativa es:
ER
E
1.1
Figura 1.1: Definición de resolución en energía. La línea sólida muestra la suma de
dos picos Gaussianos idénticos separados una distancia igual a E.
La resolución es función de la energía depositada en el detector y el
cociente de la Ec. 1.1 disminuye al aumentar la energía de la radiación
incidente ya que la energía necesaria para producir una ionización es un
número fijo (w) que depende sólo del material. Para una dada energía
depositada es de esperarse un número promedio de ionizaciones J = E / w.
Al incrementarse la energía, el número de ionizaciones aumenta y la
fluctuación estadística disminuye. Es posible demostrar que la resolución
en función de la energía de la radiación incidente viene dada por:
2,35f w
RE
1.2
donde f es el llamado factor de Fano que es una constante característica del
detector. Este factor es función de los diferentes procesos que conducen a
transferencia de energía en el detector. Puede verse de la Ec. 1.2, que la
resolución es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la energía de
la radiación incidente.
inte
nsid
ad
energía
1.4. Eficiencia del detector
Para realizar determinaciones cuantitativas de actividad debe tenerse
en cuenta la eficiencia absoluta. La eficiencia absoluta (o total) se define
como la fracción de eventos emitidos por la fuente que son registrados por
el detector:
total
eventos registrados
eventos emitidos por la fuente 1.3
La eficiencia es función de la geometría del detector y de la
probabilidad de interacción en el volumen sensible del mismo y se puede
factorizar en dos términos: la eficiencia intrínseca (int) y la eficiencia
geométrica (geom) de modo que total se puede expresar como:
int geom 1.4
int es la fracción de eventos incidentes sobre el detector que son
registrados:
int
eventos registrados
eventos incidentes sobre el ector
det 1.5
que depende sólo de la sección eficaz de interacción de la radiación
incidente con el medio detector o sea, del tipo y energía de la radiación
incidente y del material detector. Por otro lado, geom es la fracción de
eventos que inciden sobre el detector y, por supuesto, depende enteramente
de la configuración geométrica del detector y la fuente radioactiva.
La curva de calibración en eficiencias se obtiene mediante patrones
de actividades conocidas. La selección de los radionucleídos y la
fabricación de los patrones es una de las etapas más importantes en la
determinación de actividades, ya que de la elección apropiada de los
mismos y de su uso adecuado depende la confiabilidad del resultado. Los
radionucleídos seleccionados deben tener una vida media tal que puedan
ser utilizados durante tiempos largos y tener forma física y química estable
a fin de evitar pérdidas de actividad. En la medida de lo posible y a fin de
obviar correcciones tediosas, la forma y densidad de la matriz donde se
depositan los radionucleídos para fabricar el patrón deben ser similares a
las de las muestras a medir. La geometría del experimento también debe ser
la misma que la usada para la determinación de la calibración.
1.5. Tipos y características generales de los detectores
1.5.1 Detectores Gaseosos
Estos detectores representan uno de los tipos más antiguos en
referencia al concepto de diseño de detección de la radiación y han sido
usados por más de 50 años. A pesar de que hay diversos tipos, sus
propiedades fundamentales son similares. Como su nombre lo indica, estos
detectores constan de un gas encerrado en un recipiente de paredes tan
delgadas como sea posible para que no absorban la radiación que llega. La
geometría más usada para contadores gaseosos es un cilindro metálico que
contiene un gas con un alambre central. Entre el alambre y las parades del
cilindro se aplica un voltaje alto y positivo. De esta manera el alambre
actúa como ánodo y el cilindro como cátodo. Operan sobre el principio de
que la energía de la radiación incidente produce pares iónicos en el gas.
Esta carga es colectada mediante la aplicación de una diferencia de
potencial a través del gas. La diferencia de potencial aplicada hace que los
electrones se muevan hacia el ánodo y los iones positivos hacia el cátodo,
evitándose así la recombinación. La corriente eléctrica generada da lugar a
pulsos que son contados directamente, o activan un medidor de corriente
(ver Figura 1.2).
Figura 1.2: Funcionamiento de un detector gaseoso. Los iones y electrones
producidos en el gas por la radiación son colectados en el ánodo y el cátodo.
Debido a la baja densidad de los gases comparada con la de los
sólidos, los detectores gaseosos tienen baja eficiencia para detectar fotones
(típicamente del orden de 1%) pero detectan prácticamente todas las
partículas o que logran traspasar las paredes del detector. Por otra
parte, en un detector gaseoso puede usarse cualquier gas, incluso aire.
Normalmente se usa una mezcla de un gas inerte con un gas orgánico.
Debe tenerse en cuenta que cada gas tiene diferente potencial de
ionización, siendo éste de alrededor de 30-40 eV para las mezclas más
comunes.
Las diferencias operacionales de estos detectores radican en el
voltaje aplicado entre los dos electrodos colectores. En su trayecto hacia los
electrodos, los iones y electrones son acelerados por el campo eléctrico y
pueden a su vez producir nuevas ionizaciones, o bien pueden recombinarse
(neutralizarse). La magnitud de estos efectos depende del tipo de gas, del
voltaje aplicado y del tamaño del detector. Los diferentes detectores
gaseosos se distinguen por su operación en diferentes regiones de voltaje,
como se muestra en la Figura 1.3 donde se grafica el número de iones
colectados en los electrodos en función del voltaje aplicado, para partículas
y . Entre los detectores gaseosos se encuentran la cámara de ionización,
el proporcional y el contador Geiger-Müller.
radiación
Figura 1.3: Número de iones colectados en los electrodos en función el voltaje
aplicado, para partículas y .
En la región I el voltaje es tan bajo que la velocidad que adquieren
los iones y electrones es pequeña, dando lugar a una alta probabilidad de
recombinación. Por esto, la señal que se produce es muy débil y puede
degradarse o perderse.
En la región II, denominada región de cámara de ionización, el
número de iones colectados no cambia si se aumenta el voltaje aplicado
entre los electrodos. Se recogen esencialmente todos los iones primarios; es
decir no hay ni recombinación ni ionización secundaria. Por esta razón, el
tamaño del pulso de salida depende de la ionización primaria y, por lo
tanto, de la energía depositada por cada radiación. En general, la corriente
generada en estas cámaras es tan pequeña que se requiere de un circuito
electrónico amplificador muy sensible para medirla.
En la región III, llamada proporcional, la carga colectada aumenta al
incrementarse el voltaje. Esto se debe a que los iones iniciales (primarios)
ionización simple amplificación del gas
potencial aplicado
nú
mero
de io
ne
s c
ole
cta
do
s
fotones
se aceleran dentro del campo eléctrico pudiendo, a su vez, crear nuevos
pares de iones. Si se sube el voltaje, la producción de ionización secundaria
es cada vez mayor y da lugar a un efecto de multiplicación. Los pulsos
producidos son mayores que en la región anterior y se conserva la
dependencia de la cantidad de ionizaciones con la energía de las
radiaciones incidentes.
Aumentando aún más el voltaje se llega a la región IV, llamada de
proporcionalidad limitada, que por su inestabilidad es poco útil en la
práctica. Si se sigue aumentando el voltaje, se llega a la región V, llamada
Geiger-Müller. En esta región la multiplicación por ionización secundaria
es tan grande que se produce una avalancha de cargas que se extiende a
todo el volumen del gas. Los pulsos son grandes por la gran cantidad de
iones colectados, pero se pierde la dependencia con la ionización primaria.
Si se incrementa el voltaje aún más, se obtiene una descarga continua
(región VI), no útil para la utilización de la cámara como detector.
1.5.1.1 Cámara de ionización
El detector gaseoso más sencillo es la cámara de ionización, la cual
se puede considerar como un condensador plano-paralelo con la región
entre los planos llena de un gas, usualmente aire.
La energía media necesaria para producir un ión en aire es de unos
35 eV, por tanto una radiación de 1 MeV, produce una media de
3x104 iones y electrones. Para una cámara de ionización de tamaño medio,
de unos 100 cm2 con una separación de 1 cm entre las placas, la capacidad
es de 8,9 pF y el voltaje del pulso recogido es:
4 19
12
3 10 iones . 1,6 10 C/ion0,5mV
8,9 10 FV
1.6
Este voltaje es pequeño y debe ser amplificado hasta por un factor 10000
para su análisis. La amplitud de la señal es independiente del voltaje entre
las placas y proporcional al número de iones creados y por tanto, a la
energía depositada por la radiación. Sin embargo, el voltaje aplicado
determina la velocidad de deriva de los electrones y de los iones hacia los
electrodos de la cámara. Para un valor típico de voltaje de unos 100 V, los
iones se mueven a velocidades del orden de 1 m/s y tardan unos 0,01 s en
atravesar una cámara de 1 cm de grosor. Los electrones son más móviles,
por lo cual el tiempo se reduce a una milésima parte. Estos tiempos son
excesivamente largos para los valores con los que normalmente se trabaja
en la detección de radiaciones nucleares. Por ejemplo, una fuente de
3,7x107 Bq da un promedio de una desintegración cada 30 ms. Por tanto, la
cámara de ionización no sirve como contador de señales individuales o
actividades altas.
1.5.1.2 Contadores proporcionales
Para observar pulsos individuales se debe aumentar el voltaje
aplicado a valores mayores a los 1000 V. De este modo, el mayor campo
eléctrico generado es capaz de acelerar los electrones lo suficiente como
para que éstos puedan generar ionizaciones secundarias. Los electrones
secundarios acelerados producen nuevas ionizaciones, produciéndose una
avalancha o cascada de ionizaciones. Aunque hay un gran número de
ionizaciones secundarias, entre 1000 y 100000, el número de pares
electrón/ión es proporcional al número de ionizaciones primarias y por
ende, a la energía y tipo de partícula incidente sobre el detector. De ahí el
nombre de contador proporcional.
La avalancha ocurrirá cerca del ánodo en la región donde el campo
es mayor. Esta región, sin embargo, representa solamente una pequeña
fracción del volumen de la cámara. La gran mayoría de los iones originales
son creados lejos de esta región central y la deriva de los electrones es lenta
hasta que inician el proceso de avalancha. Los sucesos primarios que
ocurren dentro de la región de campo intenso son poco amplificados dado
que no tienen la oportunidad de crear tantas ionizaciones secundarias.
Debido a que la señal de salida proviene principalmente del proceso
de avalancha, el cual ocurre muy rápidamente, la velocidad de detección
viene determinada por el tiempo de deriva de los electrones primarios
desde el punto de formación hasta la vecindad del ánodo donde ocurre la
avalancha. Este tiempo es del orden de los microsegundos, y por tanto, el
contador puede trabajar a ritmos de conteo del orden de 106 cuentas/ s.
Estos detectores se emplean para detectar fotones y electrones de
baja energía. En el caso en que el gas es BF3 o ³He se pueden detectar
neutrones con energías en el rango desde 0,1 eV hasta 100 keV.
1.5.1.3 Contador Geiger-Müller
En la región Geiger-Müller se pueden generar avalanchas
secundarias en cualquier parte del tubo, por lo cual todo el volumen del
detector participa en el proceso. En esta región de voltajes, el factor de
amplificación puede llegar a ser de hasta 1010
veces. Los contadores
basados en este principio se conocen como contadores Geiger-Müller. En
esta región se pierde la relación entre la carga del pulso generado y la
energía y tipo de partícula incidente. Más allá de las características de la
radiación incidente, un detector Geiger-Müller produce un pulso de salida
de aproximadamente 1 V de tensión, por lo cual, en general, no se requiere
de amplificación adicional. El tiempo de colección de carga es del orden de
10-6
s, tiempo durante el cual los iones positivos no se mueven lejos de la
región de la avalancha. El ciclo será completado después que los iones
positivos hayan alcanzado el cátodo y sido neutralizados. El tiempo
necesario para completar este ciclo es del orden de 10-4
-10-3
s. Debido a la
naturaleza del proceso de avalancha múltiple en el tubo, basta con un
electrón para crear un pulso de salida. Para evitar que esto ocurra, se añade
un segundo gas, denominado gas de apagado, compuesto por moléculas
orgánicas complejas, como el Etanol.
Estos detectores son útiles para detectar la presencia de radiación,
pero no pueden determinar la energía de la misma ni el tipo de partícula
incidente. Son los más usados a fines de monitoreos rutinarios porque son
fáciles de operar, son de construcción sencilla y se pueden incorporar a un
monitor portátil. Generalmente operan con voltaje de alrededor de 700 a
800 V, pero esto puede variar según el diseño de cada detector.
1.5.2 Detectores de centelleo
En los detectores de centelleo se aprovecha el hecho de que la
radiación produce pequeños destellos luminosos al interactuar con ciertos
sólidos. Esta luz se recoge y transforma en un pulso eléctrico. La detección
de la radiación por el centelleo de luz en ciertos materiales es una de las
técnicas más antiguas y útiles para la determinación de espectros de una
gran variedad de radiaciones.
Los cristales centelladores exhiben la propiedad conocida como
luminiscencia. Los materiales luminiscentes, al ser expuestos a ciertas
formas de energía (luz, calor, radiaciones, etc.), la absorben y la re-emiten
en forma de luz. Si esta re-emisión ocurre inmediatamente después de la
absorción (o más precisamente dentro de 10-8
s después de ésta), el proceso
se denomina fluorescencia. Por el contrario, si la re-emisión es retardada, el
proceso se conoce como fosforescencia (en este caso, el proceso entre
absorción y re-emisión puede durar desde unos microsegundos hasta horas,
dependiendo del material). En este tipo de detectores, en conjunto con el
material luminiscente se emplea un segundo componente del sistema de
detección, llamado fotomultiplicador. Sobre el fotocátodo del
fotomultiplicador incide la luz emitida por el cristal centellador, la cual
produce emisión de electrones por efecto fotoeléctrico. De esta manera, la
radiación incidente es convertida primero en destellos de luz y luego en
electrones. En otras palabras, en un pulso eléctrico.
Si bien existen muchos materiales centelladores, no todos son
utilizables como detectores. En general, un buen detector centellador debe
cumplir ciertas condiciones:
i) Convertir, en forma lineal, la energía de la radiación incidente en luz
detectable, de modo que la intensidad de la luz sea proporcional a la
energía depositada en un amplio rango de longitudes de onda.
ii) El medio debe ser transparente a la longitud de onda de su propia
emisión para obtener una buena colección de luz.
iii) El tiempo de decaimiento de la luminiscencia inducida debe ser corto
para que los pulsos de la señal producida sean rápidos.
iv) El material debe tener buena calidad óptica y poder ser fabricado en
tamaños grandes, compatibles con los requerimientos experimentales.
v) El material debe tener un índice de refracción cercano al del vidrio (1,5)
para que el acoplamiento óptico con el fototubo sea bueno.
No todos los materiales satisfacen todos los criterios en forma
simultánea, así la elección de uno de ellos debe acompañarse con la
evaluación de otros factores. En la actualidad existen seis tipos de
materiales usados como detectores: cristales orgánicos, líquidos orgánicos,
plásticos, cristales inorgánicos, gases y vidrios. Uno de los materiales más
empleado en la detección de fotones es el ioduro de sodio activado con
talio, NaI(Tl), otro usado es el fluoruro de bario BaF2. Para detectar
neutrones suelen emplearse materiales orgánicos plásticos, siendo los más
importantes el antraceno y el estilbeno. Para ciertas aplicaciones en
bioquímica y medioambiente son útiles también los centelladores líquidos
orgánicos.
En el caso de los detectores centelladores sólidos, el mecanismo de
centelleo puede ser explicado a partir de la estructura de bandas
electrónicas del material. Cuando una radiación entra al cristal se pueden
producir dos tipos de procesos, la ionización del cristal por la excitación de
un electrón de la banda de valencia a la de conducción, creando un electrón
libre y un hueco o la promoción de un electrón a la banda de excitones,
localizada por debajo de la banda de conducción. En este estado, el electrón
y el hueco permanecen ligados como un par capaz de moverse libremente a
través del cristal. Si el cristal contiene impurezas, pueden crearse niveles
electrónicos en la banda prohibida por lo cual, un hueco pueden encontrar
en su migración uno de estos sitios de impurezas, ionizándolo. Un electrón
puede entonces “caer” en el hueco, realizando una transición desde el nivel
excitado, emitiendo radiación si el modo de desexcitación está permitido.
Si la transición se produce sin la emisión de radiación, el centro de
impurezas se convierte en una trampa para electrones, perdiéndose la
radiación incidente.
Figura 1.4: Estructura de bandas de un cristal inorgánico.
Como ya se dijo, los cristales de centelleo necesitan ser acoplados a
fototubos o fotomultiplicadores para convertir la débil luz de salida del
cristal en una señal eléctrica que pueda manejarse con más comodidad. El
fototubo es un cilindro de vidrio sellado a alto vacío que consta de una
lámina fotosensible llamada fotocátodo que convierte los fotones incidentes
en fotoelectrones (electrones de baja energía). Una lente magnética enfoca
los fotoelectrones en la cadena de multiplicación de electrones llamada
cadena de dinodos (Figura 1.5). La sección de los dinodos colecta los
fotoelectrones y los multiplica de manera lineal, aumentando su número.
De esta forma son producidos 107-10
8 electrones, los cuales constituyen
A cristal de centelleo B contacto óptico
C fotomultiplicador
D fotocátodo E dinodos
F señal de salida
una buena señal de salida que es colectada en el último de los dinodos. Los
dinodos están conectados a una fuente de alto voltaje y a una serie de
divisores de voltaje. Así se logra una diferencia de potencial entre los
dinodos adyacentes de unos 100 V, confiriendo a los electrones 100 eV de
energía. Los dinodos están construidos de materiales con una alta
probabilidad de emitir electrones secundarios. Ya que se necesitan del
orden de 2-3 eV para liberar un electrón, es posible obtener una
multiplicación (ganancia) de entre 30 y 50 veces en el número de
electrones por dinodo en el caso ideal. En la realidad, dado que no todos los
electrones generados son capaces de atravesar el material que forma el
dinodo y dado que además no todos los electrones desprendidos de un
dinodo alcanzan el siguiente, la ganancia real es del orden de 5 veces en
cada dinodo. Debido a que la ganancia de cada dinodo depende de la
diferencia de potencial, cualquier cambio en el alto voltaje, producirá una
variación en el pulso de salida. Por ello suele ser necesario estabilizar la
fuente de alto voltaje.
Figura 1.5: Esquema de un fototubo.
Falta indicar A, B…en la fig
La salida de dinodo se toma
en un punto de la cadena de
luz
multiplicación antes del ánodo (último dinodo), por lo tanto el pulso de
dinodo tiene una amplitud menor que la del ánodo, como se puede ver en la
Figura 1.6, que muestra las salidas de ánodo y dinodo. La amplitud de la
salida de ánodo es 15 veces mayor.
Figura 1.6: Pulso de salida de ánodo
(derecha) y de dinodo (izquierda) del
fotomultiplicador.
Existe una amplia variedad de
fototubos y la elección está
determinada por parámetros tales
como tamaño, respuesta del
fotocátodo a las diferentes longitudes de onda, sensibilidad, ganancia, nivel
de ruido y tiempo de respuesta.
1.5.3 Detectores semiconductores
El principio de funcionamiento de los detectores semiconductores
puede asemejarse al de la cámara de ionización, donde el medio ionizable
en vez de un gas, consiste en un semiconductor de alta resistividad como el
Ge o el Si. La alta resistividad se alcanza mediante la formación de zonas
del material exentas de portadores libres o volumen efectivo. La ventaja de
los detectores semiconductores radica en la alta densidad del medio
ionizable implicando una considerable eficiencia de detección por unidad
de volumen efectivo del detector. Por otra parte, la energía necesaria para
producir un par de portadores de carga en los semiconductores es
aproximadamente 10 veces menor que en los gases y 100 veces menor que
en un centellador. Por lo tanto, para una misma energía, la cantidad de
portadores de carga producidos es mucho mayor en los detectores
semiconductores que en detectores de gases o centelladores, lo cual se
traduce en menores fluctuaciones estadísticas y por ende en una mejor
resolución en energía. La movilidad de los electrones y huecos es elevada y
por otra parte, el volumen efectivo del medio detector es reducido,
traduciéndose en un tiempo de recolección de cargas muy breve (del orden
del ns). Sin embargo, los inconvenientes tecnológicos de los
semiconductores son su alta conductividad en comparación con la de los
gases, lo cual conduce a la producción de ruido electrónico que puede
enmascarar la medición de partículas de muy baja energía. Los defectos en
su estructura cristalina (es decir, las vacancias y dislocaciones) producen
recombinación de los portadores y, por lo tanto, pérdida de algunos de
ellos, lo que resta eficiencia de detección.
1.5.3.1 Detectores semiconductores dopados
Para controlar la conducción eléctrica de los semiconductores son
añadidas pequeñas cantidades de materiales llamados dopantes. En el
proceso de dopado son introducidos en la red cristalina átomos con
valencia 3 o 5. En el caso de átomos de valencia 5 (P, As, Sb) cuatro de los
electrones forman enlaces covalentes con los átomos vecinos de Si o Ge. El
quinto se puede mover libremente a través de la red cristalina y forma un
conjunto de estados discretos donores justo bajo la banda de conducción.
Debido a que existe un exceso de portadores de carga negativa, este
material se llama semiconductor de tipo-n. Por otro lado, se pueden usar
átomos de valencia 3 los cuales intentan formar 4 enlaces covalentes con
los átomos vecinos de Si o Ge, produciendo vacantes (huecos cargados
positivamente). Estos forman estados aceptores justo sobre la banda de
valencia y el material recibe el nombre de semiconductor tipo-p debido a
que los portadores dominantes de carga son los huecos cargados
positivamente. Cuando se ponen en contacto un material de tipo-p y uno de
tipo-n, los electrones del semiconductor de tipo-n pueden difundirse a
través de la unión en el semiconductor de tipo-p y combinarse con los
huecos. En las proximidades de la unión p-n, los conductores de carga son
neutralizados, creando una región denominada zona de depleción. La
difusión de electrones de la región tipo-n deja atrás estados ionizados
donores fijos, mientras que en la región tipo-p quedan estados aceptores
fijos cargados negativamente. Se crea por tanto un campo eléctrico que
finalmente impide que la difusión continúe. Se forma una unión p-n típica
de un diodo.
Si alguna radiación penetra en la zona de depleción y crea un par
electrón-hueco, el resultado es muy similar al de una cámara de ionización.
De hecho, la zona de depleción tiene un gran parecido con un condensador
plano-paralelo. Los electrones fluyen en una dirección y los huecos en la
otra. El número de electrones recogidos crea un pulso electrico cuya
amplitud es proporcional a la energía de la radiación incidente.
En la práctica estos detectores operan con grandes voltajes inversos
(1000-3000V) que aumentan la magnitud del campo eléctrico en la región
de depleción haciendo más eficiente la recolección de la carga y
aumentando el ancho de la región de depleción, es decir el volumen
sensible del detector, forzando que más cargas se desplacen de un tipo de
material al otro.
A la hora de construir estos detectores se puede partir de un
semiconductor de tipo-p en el que se difunden átomos de Li. La capa de
tipo-n creada al producir detectores como Ge(Li) o Si(Li) es del orden de
1 m de grosor, la cual es fácilmente penetrada por rayos gamma de
energía media (el rango de un fotón de 100 keV en Ge es de unos 4 mm y
en Si es de unos 2 cm). Sin embargo, para partículas cargadas el alcance es
mucho menor, por ejemplo, para un electrón de 1 MeV, el alcance es de 1
mm en Si y Ge; mientras que el alcance es de tan sólo 0,02 mm en ambos
detectores para una partícula de 5 MeV. Así una capa del grosor de 1 mm
como puede tener la capa-n, impediría a las partículas alcanzar la zona de
depleción. Para partículas cargadas, la mejor elección es un detector de
barrera de superficie, en el que una capa tipo-p extremadamente fina se
deposita en una superficie de Si de tipo-n. Una fina capa de oro es entonces
evaporada en la superficie frontal para servir de contacto eléctrico. El
grosor total que las partículas deben penetrar para alcanzar la región de
depleción es de aproximadamente 0,1 mm. El tiempo necesario para
recoger la carga de un detector de gran volumen se encuentra en el rango
de 10-100 ns, dependiendo de la geometría del detector (plano o coaxial) y
en el punto de entrada de la radiación respecto a los electrodos. Este tiempo
es mucho menor que el que se tiene con una cámara de ionización, dado
que aquí el recorrido que deben hacer las cargas creadas se ve reducido en
varios órdenes de magnitud. La principal desventaja de este tipo de
detectores reside en que la distribución de Li a temperatura ambiente
resulta sumamente inestable, por lo que estos detectores se deben
almacenar y operar a bajas temperaturas (normalmente la que corresponde
a la de evaporación de nitrógeno líquido a presión atmosférica, 77 K).
1.5.3.2 Detectores semiconductores hiperpuros
A partir del logro de semiconductores de muy alto grado de pureza
(10-6
ppm; 1010
átomos de impureza/cm3) se puede obtener germanio de
resistividad específica sumamente elevada, que posibilita la producción de
de volumenes efectivos de aproximadamente 10 mm de espesor. Así se
pueden obtener detectores con volúmenes activos de detección
comparables a los Si(Li) o Ge(Li). Estos detectores reciben la
denominación de “hiperpuros”, ya sean de germanio o silicio y son
ampliamente utilizados en espectrometría de de alta resolución.
La configuración básica de un detector de germanio hiperpuro
(HPGe) es del tipo n+-p- p
+ (la designación + corresponde a alto grado de
dopaje). La zona n+
está generalmente constituida por un depósito de Li
logrado por evaporación y al cual se lo ha hecho migrar ligeramente por
efecto térmico. La zona de carga espacial queda constituida en la zona de
juntura n+ - p polarizada en inversa y el contacto p
+, por un depósito
metálico adecuado (ver Figura 1.7). Polarizando con valores
suficientemente altos de tensión la zona p+
negativamente respecto de la
zona n+, puede lograrse que el volumen efectivo se extienda a todo lo largo
de la región p y que los tiempos de colección se reduzcan suficientemente
para minimizar la recombinación de pares electrón-hueco que degradan la
resolución.
Figura 1.7: Configuración básica de un detector de Ge hiperpuro.
1.6. Electrónica asociada a los detectores
Los detectores modernos proveen una amplia información de la
radiación detectada en forma de un pulso eléctrico. Para extraer esta
información, la señal debe ser procesada por un sistema electrónico. Este
sistema debe estar diseñado para realizar una enorme variedad de tareas,
distinguir entre diferentes señales, extraer información de la energía de la
radiación incidente, determinar la diferencia temporal relativa entre dos
eventos, etc. Además, a partir de estos datos, “tomar decisiones”, como ser
aceptar o no un dado evento. Todas estas tareas se realizan mediante un
sistema electrónico modular. Además del detector se requiere de un
distribución de cargas
intensidad de campo
detector
conjunto de módulos electrónicos que convierten la señal analógica de
salida del detector en señales que pueden ser contadas y/o analizadas en
energía. El detector más el equipamiento electrónico se llama sistema de
contaje o sistema detector. La electrónica asociada en conjunción con los
detectores es diseñada bajo normas estandarizadas ya sea “Nuclear
Instrument Modules (NIM)” o “Computer Automated Measurements and
Control (CAMAC)”.
1.6.1 Gabinetes y módulos
Los dispositivos electrónicos básicos (amplificadores,
discriminadores, contadores, etc.) son construidos en forma de módulos de
acuerdo a especificaciones mecánicas y eléctricas estandarizadas. Estos
módulos se conectan en gabinetes estandarizados, de modo que cualquier
módulo puede ser conectado en cualquier gabinete. Por lo tanto, un sistema
electrónico específico puede ser fácilmente creado coleccionando los
módulos electrónicos necesarios, instalándolos en un gabinete y realizando
el cableado adecuado. Después de efectuado el experimento, los módulos
pueden ser transferidos, combinados con otros módulos para otro uso o
sencillamente almacenados para otro experimento. Esto hace que el sistema
sea enormemente flexible, permitiendo un diseño sencillo, intercambio
simple de módulos, fácil reemplazo de estos, etc., con la consecuente
reducción de costos y utilización eficiente de los instrumentos. La
alimentación a los módulos se suministra a través de conectores en la parte
posterior de cada uno de ellos, que encajan en el conector correspondiente
del gabinete, el cual se conecta a la línea. Aparte de las restricciones
mecánicas, de tamaño y en el voltaje de trabajo, el diseño individual de los
módulos es libre.
En el procesamiento de señales es importante distinguir entre dos
tipos de pulsos: el pulso lineal o analógico es un pulso que lleva
información en alguna de sus características (por ejemplo la amplitud o la
forma). Los pulsos lineales pueden diferir entonces en su forma o amplitud.
Por otro lado, un pulso lógico o digital es una señal de amplitud y forma
constantes, que lleva información sólo en su presencia o ausencia, o en el
preciso tiempo de aparición. En cierto modo, las señales lógicas llevan
menos información que las lineales, y son menos afectadas por las
distorsiones y el ruido introducido por el sistema analizador.
Las señales lógicas y analógicas se pueden dividir en dos grupos:
rápidas y lentas. Las señales rápidas se refieren a señales cuyo tiempo de
crecimiento es de unos pocos nanosegundos o menos, mientras que las
lentas tienen tiempos de crecimiento del orden de los cientos de
nanosegundos o más. Los pulsos rápidos son muy importantes para
aplicaciones temporales y altos contajes. En estas aplicaciones es
fundamental preservar el tiempo de crecimiento a lo largo del sistema
analizador. Los pulsos lentos, por el contrario, ofrecen mejor información
sobre la altura de pulsos para estudios espectroscópicos. En una rama
analizadora puede llegar a ser necesaria la utilización de ambos tipos de
señales. En este caso se debe tener en cuenta que los pulsos rápidos deben
ser tratados en forma diferente que los lentos. Esto se debe a que los pulsos
rápidos son fácilmente afectados por las inductancias, capacitancias y
resistencias de los circuitos y los cables conectores. Además, se deben tener
en cuenta las distorsiones debidas a las reflexiones en los interconectores
de los cables. Estas aparecen debido al corto tiempo de duración de los
pulsos rápidos con respecto al tiempo de tránsito en los cables.
El equipamiento electrónico básico para analizar la información a la
salida de un detector o un fototubo está formado esencialmente por: a)
fuente de alta tensión, b) pre-amplificador, c) amplificador y d) analizador
de altura de pulso y almacenador de información (multicanal). Un diagrama
en bloque se muestra en la Figura 1.8, donde se ha incluido también al
detector.
Figura 1.8: Esquema en bloques de un sistema de detección.
Todo detector requiere de un voltaje para operar, que puede variar
desde unos pocos voltios para detectores de barrera de superficie hasta
varios kilovoltios para detectores de fotones. Este voltaje se aplica
generalmente a través de un filtro en el pre-amplificador, excepto para los
detectores de centelleo en el que se lo aplicada al fototubo.
La cantidad de carga producida por la radiación es muy pequeña y
depende de la energía media necesaria para producir electrones, de modo
que es requerida una etapa de conformación de pulsos y amplificación. Esta
etapa está constituida por el pre-amplificador y el amplificador. El pre-
amplificador provee una amplificación inicial a la señal del detector y da
una señal de baja impedancia compatible con los módulos subsiguientes.
Para maximizar la relación señal-ruido es importante que el pre-
amplificador esté colocado lo más próximo posible al detector, lo cual
también reduce las capacitancias de entrada. Los pulsos de salida se
caracterizan por un rápido crecimiento seguido de una cola larga de forma
exponencial (ver Figura 1.9).
alta tensión
detector pre-amplificador amplificador
multicanal
Figura 1.9: Pulso de salida del pre-amplificador.
En el caso de los detectores centelladores, una considerable
amplificación se produce en la cadena de dinodos.
El amplificador lineal cumple dos funciones primarias: amplificar los
pulsos del pre-amplificador y dar forma al pulso. En ambos casos, el
amplificador debe preservar la información de interés. Si se requiere
información temporal, es necesaria una respuesta rápida. Si se desea
información en energías, el amplificador debe mantener una estricta
proporcionalidad entre los pulsos de entrada y salida (de allí el nombre de
amplificador lineal). El factor de amplificación o ganancia depende de la
aplicación, variando entre 10 y 500 veces. El amplificador lineal presenta
dos tipos de salida: una bipolar y otra unipolar (como las mostradas en la
Figura 1.10). La salida unipolar se encuentra retrasada unos 100 ms con
respecto a la bipolar. Además, presenta un ajuste (shaping time) que
permite variar el ancho del pulso.
Figura 1.10: Pulsos típicos generados por el amplificador. Unipolar (izquierda) y
bipolar (derecha)
Existe un amplificador con una función distinta, el llamado
amplificador biasado. Su función es amplificar una cierta porción de la
señal lineal. Esta función es particularmente útil cuando se requiere
expandir una región del espectro para un análisis en detalle. Para lograr
esto, el amplificador posee un nivel de corte variable (bias). Todos los
pulsos por debajo de ese nivel son descartados, mientras que a los pulsos
que se encuentran por encima de este valor, se les resta el nivel de corte.
Por lo tanto, solamente los pulsos que exceden el nivel son aceptados y
amplificados.
El análisis de la altura de los pulsos puede consistir de un simple
discriminador que establece “una ventana de altura de pulsos” y que
produce una salida lógica (ver Figura 1.11) o en un analizador de pulsos
que mide dicha altura y clasifica los pulsos de acuerdo a la misma. En el
primer caso se utiliza un módulo discriminador o analizador monocanal, el
cual da una señal lógica de salida sólo si el pulso lineal de entrada está
dentro del rango de alturas previamente establecido. El valor del nivel
puede ser escogido mediante potenciómetros ubicados en el frente del
módulo. También es posible, de la misma manera, ajustar el ancho de la
señal de salida. El principal uso del discriminador es bloquear las señales
de baja amplitud (ruido) provenientes del fotomultiplicador o el
amplificador. Los buenos pulsos son entonces separados del ruido y
convertidos en pulsos lógicos. En este aspecto, el discriminador actúa
esencialmente como un conversor analógico - lógico de altura constante
igual a 1V. El discriminador presenta dos pulsos de salida, uno lento
positivo y otro rápido negativo.
Figura 1.11: Pulsos lógicos del analizador monocanal.
El segundo tipo de análisis se realiza con un analizador multicanal.
El principio del funcionamiento consiste en clasificar los pulsos de entrada
según su amplitud en diferentes categorías, llamadas canales y acumular
separadamente el número de pulsos en cada canal. El multicanal está
constituido por tres bloques principales que cumplen distintas funciones
específicas. La Figura 1.12 muestra un diagrama de bloques elemental de
un analizador multicanal de altura de pulsos.
señal a
analizar selector
convertidor
analógico
digital
acumulador
multicanal
Figura 1.12: Diagrama de bloques de un analizador multicanal de altura de pulsos.
El selector permite el pasaje de las señales que satisfacen algún
criterio de aceptación, para su posterior análisis. Está formado al menos por
un conjunto analizador monocanal de altura de pulsos de entrada y una
compuerta lineal, cuya función es la de permitir el pasaje de sólo los pulsos
de entrada cuya amplitud se encuentre dentro del rango de entrada del
analizador. El convertidor analógico-digital clasifica las señales de entrada
de acuerdo a su altura, generando un número proporcional a la misma. Esta
información es guardada en el acumulador multicanal en forma de
histograma. Esto constituye la salida del sistema y puede visualizarse en
forma de espectro o mediante el trazado gráfico vía algún otro
equipamiento externo. De este modo, a cada señal de voltaje de entrada se
le asocia un número de canal, elegido como la parte entera de una cantidad
proporcional a la altura del pulso. Hay dos parámetros importantes que
deben tenerse en cuenta, la altura máxima de los pulsos admisibles (Vmax),
generalmente 10 V y el número total de canales (memorias) que es 2N, por
ejemplo 2048. Con 10 V y 2048 canales, los pulsos de altura V se ubicarán
en el canal i de acuerdo a la siguiente expresión:
max
2N Vi
V 1.7
De modo que, a cada canal i está asociada una memoria en la cual se
almacena un número entero ni eventos que constituyen el contenido del
canal. Cada vez que un evento es detectado en el canal i, el contenido ni se
aumenta en una unidad:
1i in n . 1.8
Las 2N memorias tienen entonces el rol de contabilizar los números
de eventos en cada canal, es decir, ya que las alturas de los pulsos son
proporcionales a las energías depositadas en el detector, el número de
eventos comprendidos entre E y E+E. Resta ahora asociar a cada canal la
energía correspondiente. Esta operación se realiza mediante la obtención de
espectros de fuentes radioactivas de energías conocidas, obteniéndose así la
curva energía vs canal de calibración en energía.
1.7. Selección del equipamiento
La selección del equipamiento depende de la aplicación en particular,
los factores que deben tenerse en cuenta incluyen:
- Tipo de radiación a medir y rangos de actividades.
- Tipo de medida a realizar, determinación de actividades o sólo
identificación de presencia de radioactividad.
- Respuesta del instrumento a la energía.
- Respuestas no deseadas y superposiciones de señales.
- Velocidad de respuesta del instrumento.
- Sensibilidad y rango de respuesta requeridos.
- Facilidad en el uso del instrumento.
- Respuesta a la temperatura, humedad, radiofrecuencias, campos
magnéticos ambientales, etc.
- Seguridad intrínseca en lugares con explosivos o inflamables.
- Fácil descontaminación.
- Disponibilidad de alimentación y expectativa de uso.
- Costo inicial y de mantenimiento.
1.7.1 Detección de partículas alfa
Existen varios tipos de detectores que pueden ser usados para la
medida de nucleídos emisores , como las cámaras de ionización,
contadores proporcionales, centelladores líquidos y plásticos o
semiconductores. Las cámaras de ionización tienen alta eficiencia de
contaje pero muy pobre resolución en energía. Los contadores
proporcionales y los centelladores líquidos tienen la ventaja de que el
emisor puede ubicarse dentro del contador, permitiendo detectar la
radiación en un ángulo sólido de 4. Los detectores semiconductores son
normalmente usados para la determinación de emisores en muestras
ambientales y residuos, cuando se necesita información espectroscópica.
En estos casos se utilizan detectores de Si de barrera de superficie o
implantados debido a su superior resolución. La eficiencia está en el rango
entre el 10% y el 45%, mientras que la resolución en energía varía entre
15 keV y 55 keV. A pesar que la resolución en energía de estos detectores
es buena, las pequeñas diferencias en las energías de la partículas
emitidas por diferentes nucleídos torna difícil separar los picos asociados a
los diferentes radionucleídos, como en el caso del 241
Am y del 238
Pu, o del
237Np, del
233U, del
234U y del
230Th. Por lo tanto es importante realizar una
buena separación química del radinucleído de interés de la matriz estudiada
y de los radionucleídos que interfieren. Así mismo, la autoabsorción en la
fuente reducirá la eficiencia de contaje y empeorará la resolución en
energía del espectro. Por esta razón es esencial la preparación de fuentes
delgadas. Esto puede lograrse por electrodeposición en discos de acero
inoxidable. También son usados la evaporación, co-deposición,
electrospray, precipitación electrostática, deposición espontánea, láminas
moleculares y sublimación en vacío.
La principal desventaja de la espectroscopía es el largo tiempo
requerido para el análisis el cual resulta de los largos y costosos
procedimientos de separación y de los largos tiempos de adquisición de
datos. En muestras ambientales, la concentración de radionucleídos es
usualmente muy pequeña requiriendo de 1 a 10 días de adquisición de
datos para muestras con actividades menores a 10 mBq. Esto hace que la
capacidad analítica de estos métodos sea baja. Sin embargo, debido al costo
relativamente bajo del equipamiento estándar y de su mantenimiento, los
laboratorios de radioquímica y radioactividad ambiental están equipados
con varias unidades detectoras. Cabe destacar que los factores mencionados
anteriormente hacen que la espectroscopía no sea adecuada para una
determinación rápida en situaciones de emergencia, las cuales requieren
respuestas rápidas.
1.7.2 Detección de partículas beta
Las actividades de los nucleídos emisores pueden ser medidas por
detectores gaseosos tales como cámaras de ionización, detectores de flujo
gaseoso o Geiger-Müller. Los contadores Geiger-Müller se los utiliza en el
caso de nucleídos emisores de electrones de alta energía debido a que los
de baja energía son absorbidos en la ventana que separa el gas de la
muestra. La eficiencia de este tipo de detectores varía entre el 10% y el
70% dependiendo de la energía de los electrones, el espesor de la fuente y
de las características del contador. Para análisis medioambiental y residuos
de baja actividad se requiere un contador de bajo nivel, el cual se obtiene
reduciendo el contaje de fondo a valores tan bajos como 0,1 cuentas/min
mediante el uso de cámaras de apantallamiento, permitiendo alcanzar un
límite de detección de 1,5 mBq para 99
Tc y 90
Sr. Sin embargo, los
detectores de Geiger-Müller carecen de resolución en energía y por lo tanto
cualquier actividad de un radionucleído desconocido en la muestra debe
identificarse por otros medios, tal como la determinación de la vida media.
Los centelladores líquidos, también usados en la determinación de
radiación , tienen ventajas en la detección de electrones de baja energía
debido a la ausencia de atenuación cuando la muestra a analizar está
inmersa en el centellador, pudiendo usarse así para la medida de electrones
de baja y alta energía. A pesar de su relativamente pobre resolución en
energía permiten la identificación de actividades de radionucleídos.
Además poseen una baja autoabsorción, alta eficiencia, permiten una
distribución homogénea de la muestra en el líquido centellador, tienen
procedimientos de preparación de muestras relativamente simples y fácil
estandarización del uso de patrones internos o externos. Otra propiedad que
tienen estos detectores es posibilidad de determinación de radionucleídos
que decaen por conversión interna o captura electrónica mediante la
medida de los electrones Auger producidos durante estos procesos de
decaimiento. Sin embargo debido a la baja energía de estos electrones (<20
keV) la eficiencia de conteo es baja, del orden del 30%. Comparado con el
Geiger-Müller, la velocidad de conteo de fondo es mayor (0,5
cuentas/min), resultando así el límite de detección del 99
Tc en 25 mBq.
Debido a la distribución continua de energía de los electrones en el
decaimiento , esta espectroscopía es una herramienta pobre para
identificar las contribuciones individuales a un espectro. Por lo tanto, la
identificación de nucleídos emisores requiere, como en el caso de los
emisores , de la separación química de los radionucleídos de interés. A
pesar de dicha separación, varios isótopos de un mismo elemento pueden
estar presentes en la muestra, como el 89
Sr y 90
Sr y aún cuando los isótopos
emitan electrones de energías discretas, los electrones generados en la
relajación de los niveles atómicos tienen una distribución de energía
complicada que impide un análisis certero.
1.7.3 Detección de fotones
Entre los detectores que pueden ser usados para la detección de rayos
figuran los detectores de centelleo con cristales de NaI, CsF y ZnS,
contadores gaseosos y detectores semiconductores basados en Si dopado
con Li, HPGe, CdTe y GaAs. Debido a su alta resolución en energía, desde
su introducción en el mercado en 1970, los detectores basados en Si(Li) y
Ge(Li) son intensamente usados para medidas de espectroscopía de
muestras biológicas, ambientales y de residuos. El último desarrollo de los
detectores de Ge en los 80 usando Ge hiperpuro hizo que el mantenimiento
del detector sea sencillo, dado que pueden mantenerse a temperatura
ambiente sin daño. Este adelanto condujo a un reemplazo paulatino de los
detectores de Si(Li) y Ge(Li) por los HPGe en muchos laboratorios, a pesar
de las prestaciones similares de los detectores. El desarrollo más reciente
en esta espectroscopía es la introducción de detectores de Ge de gran
volumen lo que ha producido un aumento de la eficiencia, disminuyéndose
notablemente los tiempos de adquisición de datos.
Los detectores de Si(Li) o pequeños detectores planares de Ge son
normalmente utilizados en medidas de fotones de baja energía (<100 keV),
con una resolución en energía de 0,15 keV a 5,9 keV. Mientras que los
detectores de Ge de gran volumen son más adecuados para la
determinación de rayos de mayor energía (> 25 keV), teniendo
generalmente una resolución en energía de 2 keV para la línea del 60
Co de
1332 keV. Dado que la radiación puede penetrar grandes distancias en la
muestra sin absorción significativa, especialmente la de alta energía, las
muestras no necesitan tratamientos complicados antes de su análisis,
minimizando el riesgo de contaminación durante la preparación de las
mismas. Las características de estos detectores hacen que sea posible la
medida simultánea de un conjunto de radionucleídos sin la necesidad de
realizar procedimientos de separación química. Debe tenerse en cuenta que
la eficiencia de estos detectores es baja (10% de eficiencia absoluta) y varía
con la energía de los fotones, distancia fuente-detector y tamaño del cristal
detector. Actualmente se han desarrollado detectores con eficiencias más
altas dependiendo del volumen del detector. El contaje de fondo es del
orden de 10 cuentas/h para el rayo de 661,6 keV del 137
Cs y mayor que
25 cuentas/h para el rayo de 59,5 keV del 241
Am, variando con el
apantallamiento del detector. El límite de detección es típicamente mayor
que 50 mBq, algunos órdenes de magnitud mayor que en el caso se
espectroscopía y , pero depende del apantallamiento del detector, los
radionucleídos de interés y la interferencia de radionucleídos.
1.7.3.1 Formación de un espectro gamma
La forma del espectro de la radiación , es decir el número de
cuentas detectadas en función de la energía, depende de las secciones
eficaces de interacción de los fotones con el detector, la geometría, etc. En
el caso de una fuente radioactiva monoenegética, el espectro gamma está
formado por la suma de las contribuciones originadas en la interacción de
los procesos fotoeléctrico, Compton y de formación de pares, tal como se
observa en la Figura 1.13.
En el caso de absorción fotoeléctrica, la vacancia creada por la
eyección del fotoelectrón es rápidamente llenada por la reacomodación de
los electrones mediante la emisión de rayos X y procesos Auger. Los rayos
X así producidos pueden también ser absorbidos por el medio por procesos
fotoeléctricos. De modo que, conjuntamente con el electrón del proceso
inicial, se originan uno o más electrones secundarios. Dado que la energía
cinética de los todos electrones resulta igual a la del fotón, se forma un pico
centrado en la energía de los fotones incidentes (ver Figura 1.13).
E
2E /(1+2
inte
nsid
ad
E /(1+2
pico de retrodispersión
borde Compton
fotopico
meseta Compton
Figura 1.13: Espectro gamma de una fuente monoenergética.
En cambio, el resultado de una interacción Compton del fotón
incidente con el detector es la creación de un electrón y un rayo
dispersado, dependiendo la energía de ambos de los ángulos de dispersión.
En particular, la energía cinética ganada por el fotoelectrón varía en forma
continua (Ec. ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.). Este
proceso da lugar a la formación de la meseta Compton (ver Figura 1.13).
Cuando los fotones interactúan con los elementos del medio que rodea a la
fuente radioactiva pueden ser retrodispersados por los átomos de los
materiales circundantes y así alcanzar el detector con una energía menor a
la del fotón original. Este proceso da lugar a un pico llamado de
retrodispersión sobre la meseta Compton (Figura 1.13).
Otro proceso significativo de interacción de los fotones con el
detector es la formación de pares mediante la creación de un par electrón-
positrón por fotones de energía superiores a dos veces la masa en reposo
del electrón, el cual se aniquila dando lugar a dos fotones de 511 keV. Los
fotones de aniquilación pueden escapar del cristal detector o sufrir una
interacción posterior dentro del mismo. Estas interacciones adicionales
pueden conducir a la absorción total o parcial de uno o ambos fotones de
aniquilación, dando lugar a picos de 1022 keV y/o 511 keV con sus
correspondientes bordes Compton.
La forma particular de cada espectro depende del tipo de detector
utilizado, por ejemplo, se comparan en la Figura 1.14 el espectro de 137
Cs
tomado con un detector de INa(Tl) y con un detector de HPGe. Debe
remarcarse aquí la diferencia en la resolución en energía y en la altura
relativa fotopico/meseta Compton. Estas diferencias están relacionadas con
las secciones eficaces de los procesos involucrados que dependen de
características del cristal con el que están fabricados los detectores.
400 500 600 700
cu
en
tas
Energía (keV)
Figura 1.14: Comparación de espectros monoenergéticos tomados con NaI(Tl) y
HPGe.
Bibliografía
Cooper J. R., Randle K., Sokhi R. S., Radioactive Releases in the
Environment. Impact and Assessment, John Wiley & Sons (2003).
Evans R., The atomic nucleus, New York, McGraw-Hill, (1955).
Knoll G.F., Radiation detection and measurements, New York, John
Willey and Sons, (1989).
Leo W. R., Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments,
New York, Springer Verlag, (1994).
http://www.ortec-online.com.
http://www.canberra.com.