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Un contador de centelleo es un instrumento para detectar y medir la radiación ionizante mediante el efecto de excitación de la radiación incidente sobre un material centelleador , y la detección de los pulsos de luz resultantes.
Consta de un centelleador que genera fotones en respuesta a la radiación incidente, un fotodetector sensible (normalmente un tubo fotomultiplicador (PMT), una cámara de dispositivo de carga acoplada (CCD) o un fotodiodo ) que convierte la luz en una señal eléctrica y componentes electrónicos para procesar dicha señal.
Los contadores de centelleo se utilizan ampliamente en la protección radiológica, el análisis de materiales radiactivos y la investigación física, ya que se pueden fabricar a bajo coste con una buena eficiencia cuántica y pueden medir tanto la intensidad como la energía de la radiación incidente.
Historia
El primer contador electrónico de centelleo fue inventado en 1944 por Sir Samuel Curran [ 1 ] [ 2 ] mientras trabajaba en el Proyecto Manhattan en la Universidad de California en Berkeley . Existía la necesidad de medir la radiación de pequeñas cantidades de uranio, y su innovación consistió en utilizar uno de los tubos fotomultiplicadores de alta sensibilidad, recientemente disponibles y fabricados por la Radio Corporation of America, para contar con precisión los destellos de luz de un centelleador sometido a radiación.
Esto se basó en el trabajo de investigadores anteriores como Antoine Henri Becquerel , quien descubrió la radiactividad mientras trabajaba con la fosforescencia de las sales de uranio en 1896. Anteriormente, los eventos de centelleo debían detectarse laboriosamente a simple vista, utilizando un espintariscopio (un microscopio simple) para observar los destellos de luz en el centelleador. El primer contador de centelleo líquido comercial fue fabricado por Lyle E. Packard y vendido al Hospital de Investigación del Cáncer Argonne de la Universidad de Chicago en 1953. El modelo de producción fue diseñado especialmente para el tritio y el carbono-14 , que se utilizaban en estudios metabólicos in vivo e in vitro . [ 3 ]
Operación
Cuando una partícula ionizante atraviesa el material centelleador, los átomos se excitan siguiendo una trayectoria. Para las partículas cargadas, la trayectoria coincide con el recorrido de la propia partícula. En el caso de los rayos gamma (sin carga), su energía se convierte en un electrón energético mediante el efecto fotoeléctrico , la dispersión Compton o la producción de pares .
La química de la desexcitación atómica en el centelleador produce una multitud de fotones de baja energía, típicamente cerca del extremo azul del espectro visible. La cantidad es proporcional a la energía depositada por la partícula ionizante. Estos pueden dirigirse al fotocátodo de un tubo fotomultiplicador, que emite como máximo un electrón por cada fotón incidente debido al efecto fotoeléctrico . Este grupo de electrones primarios se acelera electrostáticamente y se enfoca mediante un potencial eléctrico para que impacten en el primer dinodo del tubo. El impacto de un solo electrón en el dinodo libera varios electrones secundarios que, a su vez, se aceleran para impactar en el segundo dinodo. Cada impacto subsiguiente en el dinodo libera más electrones, por lo que se produce un efecto de amplificación de corriente en cada etapa del dinodo. Cada etapa se encuentra a un potencial mayor que la anterior para proporcionar el campo acelerador.
La señal de salida resultante en el ánodo es un pulso medible para cada grupo de fotones provenientes de un evento ionizante original en el centelleador que llega al fotocátodo, y contiene información sobre la energía de la radiación incidente original. Al ser enviada a un amplificador de carga que integra la información energética, se obtiene un pulso de salida proporcional a la energía de la partícula que excita el centelleador.
El número de pulsos por unidad de tiempo también proporciona información sobre la intensidad de la radiación. En algunas aplicaciones, no se cuentan los pulsos individuales, sino que se utiliza únicamente la corriente promedio en el ánodo como medida de la intensidad de la radiación.
El centelleador debe estar protegido de toda la luz ambiental para que los fotones externos no interfieran con los eventos de ionización causados por la radiación incidente. Para lograr esto, se suele utilizar una lámina delgada opaca, como el mylar aluminizado, aunque debe tener una masa lo suficientemente baja como para minimizar la atenuación excesiva de la radiación incidente que se está midiendo.
El artículo sobre el tubo fotomultiplicador incluye una descripción detallada del funcionamiento del tubo.
Materiales de detección
El centelleador consiste en un cristal transparente , generalmente de fósforo, plástico (que suele contener antraceno ) o líquido orgánico (véase recuento por centelleo líquido ) que fluoresce cuando es impactado por radiación ionizante .
El yoduro de cesio (CsI) en forma cristalina se utiliza como centelleador para la detección de protones y partículas alfa. El yoduro de sodio (NaI), que contiene una pequeña cantidad de talio, se utiliza como centelleador para la detección de ondas gamma, y el sulfuro de zinc (ZnS) se utiliza ampliamente como detector de partículas alfa. El sulfuro de zinc es el material que Rutherford utilizó para realizar su experimento de dispersión. El yoduro de litio (LiI) se utiliza en detectores de neutrones.
Eficiencias de los detectores
Gama
La eficiencia cuántica de un detector de rayos gamma (por unidad de volumen) depende de la densidad de electrones en el detector, y ciertos materiales centelleadores, como el yoduro de sodio y el germanato de bismuto , alcanzan altas densidades de electrones debido a los elevados números atómicos de algunos de los elementos que los componen. Sin embargo, los detectores basados en semiconductores , en particular el germanio hiperpuro , tienen una mejor resolución energética intrínseca que los centelleadores y son preferibles, cuando es factible, para la espectrometría de rayos gamma .
Neutrón
En el caso de los detectores de neutrones , se logra una alta eficiencia mediante el uso de materiales centelleadores ricos en hidrógeno que dispersan los neutrones de manera eficiente. Los contadores de centelleo líquido son un método eficiente y práctico para cuantificar la radiación beta .
Aplicaciones
Los contadores de centelleo se utilizan para medir la radiación en diversas aplicaciones, entre las que se incluyen medidores portátiles de radiación , monitorización de personal y del medio ambiente para detectar contaminación radiactiva , diagnóstico por imagen médica, análisis radiométrico, seguridad nuclear y seguridad de las centrales nucleares.
Se han introducido en el mercado varios productos que utilizan contadores de centelleo para la detección de materiales emisores de rayos gamma potencialmente peligrosos durante el transporte. Estos incluyen contadores de centelleo diseñados para terminales de carga, seguridad fronteriza, puertos, básculas de pesaje, depósitos de chatarra y monitoreo de contaminación de residuos nucleares. Existen variantes de contadores de centelleo montados en camionetas y helicópteros para una respuesta rápida en caso de una situación de seguridad debido a bombas sucias o residuos radiactivos . [ 4 ] [ 5 ] También se utilizan comúnmente unidades portátiles. [ 6 ]
cámara de niebla de difusión
En el Reino Unido , la Dirección de Salud y Seguridad (HSE, por sus siglas en inglés) ha publicado una guía para el usuario sobre la selección del instrumento de medición de radiación adecuado para cada aplicación. Esta guía abarca todas las tecnologías de instrumentos de radiación y constituye una útil guía comparativa para el uso de detectores de centelleo. [ 7 ]
Protección radiológica
Contaminación alfa y beta
Los monitores de contaminación radiactiva , para estudios de área o personales, requieren una amplia área de detección para garantizar una cobertura eficiente y rápida de las superficies monitoreadas. Para ello, resulta ideal un centelleador delgado con una ventana de área amplia y un tubo fotomultiplicador integrado. Estos detectores tienen una amplia aplicación en el campo del monitoreo de la contaminación radiactiva del personal y el medio ambiente. Los detectores están diseñados para tener uno o dos materiales centelleadores, según la aplicación. Los detectores de fósforo simple se utilizan para detectar radiación alfa o beta, y los detectores de fósforo doble se utilizan para detectar ambas. [ 8 ]
Para la detección de partículas alfa se utiliza un centelleador como el sulfuro de zinc, mientras que para la detección de partículas beta se emplean centelleadores plásticos. Las energías de centelleo resultantes pueden distinguirse, de modo que los recuentos alfa y beta pueden medirse por separado con el mismo detector. [ 8 ] Esta técnica se utiliza tanto en equipos de monitorización portátiles como fijos, y dichos instrumentos son relativamente económicos en comparación con el detector proporcional de gas.
Gama
Los materiales de centelleo se utilizan para la medición de la dosis gamma ambiental, aunque se emplea una construcción diferente para detectar la contaminación, ya que no se requiere una ventana delgada.
Como espectrómetro
Los centelleadores suelen convertir un único fotón de radiación de alta energía en un gran número de fotones de menor energía, donde la cantidad de fotones por megaelectronvoltio de energía de entrada es bastante constante. Por lo tanto, al medir la intensidad del destello (la cantidad de fotones producidos por el fotón de rayos X o gamma) es posible determinar la energía del fotón original.
El espectrómetro consta de un cristal centelleador adecuado, un tubo fotomultiplicador y un circuito para medir la altura de los pulsos producidos por el fotomultiplicador. Los pulsos se cuentan y se ordenan según su altura, produciendo un gráfico xy de brillo del destello del centelleador frente al número de destellos, que se aproxima al espectro de energía de la radiación incidente, con algunos artefactos adicionales. Una radiación gamma monocromática produce un fotopico en su energía. El detector también muestra respuesta a energías más bajas, causadas por la dispersión Compton , dos picos de escape más pequeños a energías de 0,511 y 1,022 MeV por debajo del fotopico para la creación de pares electrón-positrón cuando uno o ambos fotones de aniquilación escapan, y un pico de retrodispersión . Se pueden medir energías más altas cuando dos o más fotones impactan en el detector casi simultáneamente ( apilamiento , dentro de la resolución temporal de la cadena de adquisición de datos ), apareciendo como picos suma con energías de hasta el valor de dos o más fotopicos sumados [ 8 ].
Véase también
Referencias
- ↑ Curran, Samuel C. (1949). Tubos de conteo, teoría y aplicaciones . Academic Press (Nueva York). pág. 235. OL 17868379M .
- ↑ Diccionario Oxford de Biografías Nacionales
- ↑ Joerges, Bernward (2001). Instrumentación entre la ciencia, el Estado y la industria (Anuario de Sociología de las Ciencias, 22) . Kluwer Academic Publishers. pág. 270. ISBN 978-1402002427
- ↑ "Sistema automático de detección y monitorización de radiación" . Archivado del original el 14 de agosto de 2014.
- ↑ "Vehículos de detección automática de radiación" . Archivado del original el 14 de agosto de 2014.
- ↑ Medidores de sondeo MicroR portátiles Archivados el 7 de diciembre de 2009 en Wayback Machine
- ↑ "Selección, uso y mantenimiento de instrumentos de monitorización portátiles" (PDF) . Health & Safety Executive . 2001. Archivado del original el 6 de octubre de 2012. Consultado el 6 de octubre de 2012 .
{{cite web}}: CS1 maint: bot: estado de la URL original desconocido ( enlace ) - 1 2 3 Glenn F Knoll. Detección y medición de radiación, tercera edición 2000. John Wiley and Sons, ISBN 0-471-07338-5
- Detectores de partículas
- Espectrómetros
- Detectores de radiación ionizante
- Protección radiológica