El Detector de Centelleo.

Hola querida comunidad de steemit, hoy les explicaré que es un detector de centelleo o centelladores y el funcionamiento del mismo.

Los centelladores son un material que exhibe luminiscencia cuando son expuestos a la radiación ionizante. Este material absorbe parte de la energía de la partícula incidente y la emite en forma de fotón. Para ciertos centelladores la energía cinética de las partículas es convertida en energía luminosa, pero el resto se transfiere como calor o como una vibración de la red cristalina del centellador. Dependiendo de la naturaleza de la partícula y de su energía, el centellador desprenderá una luz específica, ver Figura 1.

Figura 1. Diagrama del proceso de centelleo[1].

Los centelladores pueden ser orgánicos e inorgánicos. Los inorgánicos poseen mejor rendimiento luminoso y linealidad que los orgánicos, pero tienen menor velocidad de respuesta. El mecanismo de centelleo en estos materiales depende de los estados de energía determinados por su red cristalina [1].

En los materiales aislantes o semiconductores, los electrones sólo pueden ocupar un número discreto de niveles de energía agrupadas en “bandas”. La banda de valencia contiene electrones firmemente ubicados en sus niveles energéticos, mientras que la banda de conducción está constituida por niveles de energía ocupados por electrones con suficiente energía como para migrar libremente por el cristal.

Existe una banda de energía intermedia, llamada banda prohibida, que en los cristales puros no puede estar ocupada por niveles energéticos correspondientes a electrones. La absorción de energía en un cristal puede resultar en la excitación de un electrón desde su estado de energía original, en la banda de valencia, hasta una posición en la banda de conducción, atravesando la banda prohibida y dejando un vacante o “hueco” (ión positivo) en la banda de valencia.

Al regresar el electrón a su posición original durante la desexcitación, el átomo emite energía en forma de luz. Este proceso en un cristal puro es muy poco eficiente a los fines requeridos y además, debido a la excesiva “altura energética” de la banda prohibida (4 ó 5 eV) la frecuencia del fotón es superior a la correspondiente al rango de luz visible [1].

Para mejorar la probabilidad de emisión de un fotón en el proceso de desexcitación, a los centelladores inorgánicos se les incorpora pequeñas cantidades de impurezas denominadas dopantes o activadores, que llevan a la aparición de niveles energéticos intermedios dentro de la banda prohibida, Figura 2. Como resultado, los electrones que por excitación externa arriben a esos niveles provocan, al regresar a su nivel energético original, la emisión de fotones de frecuencia comprendida en el rango de luz visible (pues su energía es menor que la correspondiente a la banda prohibida) [1].

Figura 2. Bandas de los materiales aisladores[1].

Una partícula cargada que interactúa con el centellador creará un gran número de pares electrones-huecos por la elevación de electrones desde la banda de valencia. Un hueco puede migrar hasta la posición de una impureza activador o ionizarla, debido a que la energía de ionización de la impureza es menor, mientras que el electrón libre podrá desplazarse por la red cristalina hasta encontrar un hueco a “llenar” en el activador. Ese nuevo átomo neutro de impureza se encuentra excitado y en su transición al estado estable, es altamente probable que emita el exceso de energía en forma de un fotón [1].

Los centelladores inorgánicos según [1] más frecuentes son:
a. Ioduro de Sodio activado con Talio, NaI (TI).
b. Ioduro de Cesio activado con Talio, ICs (TI).
c. Ioduro de Litio activado con Europio, LiI(Eu).
d. Sulfuro de Cinc activado con Plata, ZnS(Ag).
e. Fluoruro de Calcio activado con Europio, CaF(Eu).

Un detector de centelleo está constituido fundamentalmente por la sustancia luminiscente, el acoplamiento óptico y el fotomultiplicador. En la Figura 3 se puede observar la esquematización de un detector de centelleo.

Figura 3. Esquematización del detector de centelleo[1].

• El acoplamiento óptico: en el proceso de centelleo, la luz se emite en todas direcciones y debe ser canalizada hacia el fotocátodo. Con este fin las paredes de los cristales centelladores están perfectamente pulidas salvo la que enfrenta el fotocátodo, debido a que por allí la luz incide. Además se recubren de un reflectante tal como Óxido de Magnesio o de Aluminio. Se intercala un aceite de índice de refracción intermedio entre el cristal y la ventana transparente del fotomultiplicador con objeto de eliminar las reflexiones al máximo [1].

• Fotomultiplicador: es un tipo especial de válvula electrónica que consta de un fotocátodo, una serie de electrodos sucesivos denominados dinodos a potenciales positivos crecientes y un electrodo colector o ánodo. Todos estos elementos están contenidos en una cápsula de cristal al vacío [1], ver Figura 4.

El fotocátodo es una capa de material fotosensible en la que los fotones producidos en el centellador producen electrones. Estos fotoelectrones son acelerados hacia el primer dínodo a potencial positivo y allí se generan nuevos electrones secundarios, 4 o 5 por cada electrón incidente. Este proceso se repite en cada dínodo, con lo que se logra una amplificación que oscila entre 106 y 109, según el número de dínodos, cuyo número ésta entre 8 y 14 [1].

Figura 4. Representación esquemática del tubo fotomultiplicador[1].

La alta tensión aplicada al tubo se reparte entre los dínodos mediante un divisor de tensión, alcanzando un valor total comprendido entre 600 V y 2000 V. La diferencia de potencial entre dos dínodos sucesivos suele ser de unos 100 V a 150 V [1].

La resolución temporal de los tubos fotomultiplicadores es excelente y típicamente está comprendida entre 2.10-9 s y 2.10-8 s [1]. Esta propiedad hace de los contadores de centelleo un instrumento adecuado para detectar radiaciones ionizantes por su alta tasa de conteo.

El cristal de Iodo de Sodio (NaI) tiene una buena respuesta a la radiación, también es factible producir en grandes volúmenes y “doparlo” con Talio. Asimismo, tiene una gran capacidad de producción a la luz visible y el NaI(TI) responde linealmente para un gran intervalo de energía para electrones y rayos gamma. A pesar de sus cualidades, la mayor desventaja del NaI es que es un material altamente higroscópico, pero para evitar su deterioro se encapsula generalmente con Aluminio. El detector normalmente tiene forma de cilíndrica o rectangular y se comercializa en diferentes diámetros y espesor dependiendo de su aplicación.

El detector de NaI activado con TI, es uno de los materiales más utilizados en el área nuclear en especial en radioprotección. Las principales ventajas de este tipo de detector son su alta eficiencia, resistencia y facilidad de operación. La desventaja es su baja resolución en energía, debido a la dificultad de captar radionúclidos emisores de fotón con energías próximas y es un instrumento muy delicado y costoso [2].

REFERENCIA

[1] Instituto Balseiro. Protección Radiologica. Principio de detección de la radiación. Argentina. Págs. 20-24.

[2] Organismo Internacional de Energía Atómica (2004). Evaluación de la exposición ocupacional debida a incorporaciones de radionucleidos. Colección de normas de seguridad del OIEA. No. RS-G-1.2. Austria.