radiacion

Detección y Medida de las Radiaciones Tema 5 - 1/26

Elementos de Radioprotección ISBN 84-398-9769-3 © Manuel R. Ortega Girón

111... DDDEEETTTEEECCCCCCIIIÓÓÓNNN YYY MMMEEEDDDIIIDDDAAA DDDEEE LLLAAASSS RRRAAADDDIIIAAACCCIIIOOONNNEEESSS

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).

CCoonncceeppttoo ddee rreessoolluucciióónn eenn eenneerrggííaa yy tteemmppoorraall



anchura a la mitad del máximo 100 100amplitud del impulso en el pico

VRV

∆= × = ×

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.



222... DDDEEETTTEEECCCTTTOOORRREEESSS DDDEEE GGGAAASSS

Fundamento: ionización Geometría: cilíndrica, plana o esférica Tensión: 100 a 1000 V

Ejemplo: α (3 MeV) → N = 63 10

30× = 100 000 pares de iones

Capacidad típica: 50 pF

Amplitud de la señal: 5 19

12

10 1.6 10 C50 10

0.5

mF

VqVC

−

−

× ×= = =×

Tiempo de recolección:

• para electrones, 1 µs • iones positivos, 1 ms

En modo de corriente: 5 19

-6

10 1.6 10 C10

s

16 nAqit

−× ×= = =



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



Zona de Saturación

Zona de Proporcionalidad

Discriminación de energía

Zona Geiger Contaje de partículas

OOttrrooss ffaaccttoorreess:: Naturaleza y presión del gas de llenado.

Tamaño y geometría del detector.



333... CCCÁÁÁMMMAAARRRAAA DDDEEE IIIOOONNNIIIZZZAAACCCIIIÓÓÓNNN

• Trabaja en la zona de saturación. • No hay recombinación ni multiplicación. • Permite discriminar en energía

Geometría: cámara plana

Campo eléctrico uniforme: 100 V/cmVEd

= ≈

Velocidad de deriva: ve = 106 cm/s v+ = 103 cm/s Si R es pequeña, modo de corriente. Si R es grande, modo de impulsos.



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):

Enw

= q = ne 1 mVq neVC C

= = ≈

Excelente resolución en energía (2 al 3 %) Hay que controlar:

• intensidad del campo eléctrico. • presión del gas de llenado



CCCÁÁÁMMMAAARRRAAA DDDEEE IIIOOONNNIIIZZZAAACCCIIIÓÓÓNNN CCCOOONNN RRREEEJJJAAA 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.



FFFUUUNNNCCCIIIOOONNNAAAMMMIIIEEENNNTTTOOO EEENNN MMMOOODDDOOO DDDEEE CCCOOORRRRRRIIIEEENNNTTTEEE • R es pequeña • Se suprime el condensador de acoplamiento.

CCCÁÁÁMMMAAARRRAAASSS IIINNNTTTEEEGGGRRRAAADDDOOORRRAAASSS 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)



444... CCCOOONNNTTTAAADDDOOORRREEESSS PPPRRROOOPPPOOORRRCCCIIIOOONNNAAALLLEEESSS

• Trabajan en la zona de proporcionalidad estricta. • Se produce multiplicación (ionización secundaria).

Amplitud del impulso: nM eVC

= de 1mV a 300 mV

Si V ∝ n ◙ 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 +): 100 µs Gas de llenado: argón (90%) + CH4 (10%)



CCCOOONNNTTTAAADDDOOORRR DDDEEE FFFLLLUUUJJJOOO CCCOOONNNTTTIIINNNUUUOOO 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.



555... CCCOOONNNTTTAAADDDOOORRR DDDEEE GGGEEEIIIGGGEEERRR---MMMÜÜÜLLLLLLEEERRR

• 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: de 1010 a 1013 cuentas

• 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%



Curva característica del contador de Geiger-Müller

Pendiente del “plateau” ≈ 2 a 3 %

DDDEEETTTEEECCCCCCIIIÓÓÓNNN DDDEEE NNNEEEUUUTTTRRROOONNNEEESSS Neutrones térmicos: Contador Proporcional (gas de llenado, BF3)

n + 10B → 7Li + α Neutrones rápidos: ídem recubierto de parafina (se detecta el protón

de retroceso) Flujos elevados de neutrones térmicos: Recubrimiento con material

físil ( uranio-235)



666... DDDEEETTTEEECCCTTTOOORRREEESSS DDDEEE CCCEEENNNTTTEEELLLLLLEEEOOO

Utilizan la propiedad de ciertos materiales de emitir luz visible cuando sus átomos o moléculas se desexcitan tras el paso de la radiación ionizante.



EElleemmeennttooss ffuunnddaammeennttaalleess ddeell ddeetteeccttoorr ddee cceenntteelllleeoo 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.



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.



777... EEESSSPPPEEECCCTTTRRROOOSSSCCCOOOPPPIIIAAA DDDEEE RRRAAADDDIIIAAACCCIIIÓÓÓNNN GGGAAAMMMMMMAAA MMMEEEDDDIIIAAANNNTTTEEE CCCRRRIIISSSTTTAAALLLEEESSS IIINNNOOORRRGGGÁÁÁNNNIIICCCOOOSSS

• 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.



888... DDDEEETTTEEECCCTTTOOORRREEESSS DDDEEE SSSEEEMMMIIICCCOOONNNDDDUUUCCCTTTOOORRR

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.



999... EEESSSTTTRRRUUUCCCTTTUUURRRAAA EEENNNEEERRRGGGÉÉÉTTTIIICCCAAA DDDEEE LLLOOOSSS SSSÓÓÓLLLIIIDDDOOOSSS

(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.



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. TTiippooss ddee iimmppuurreezzaass:: 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.



DDDEEETTTEEECCCTTTOOORRREEESSS DDDEEE UUUNNNIIIÓÓÓNNN

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.



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.

DDDEEETTTEEECCCTTTOOORRREEESSS CCCOOOMMMPPPEEENNNSSSAAADDDOOOSSS CCCOOONNN LLLIIITTTIIIOOO 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.



111000... DDDEEETTTEEECCCTTTOOORRREEESSS DDDEEE SSSEEEMMMIIICCCOOONNNDDDUUUCCCTTTOOORRR...

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



111111... DDDEEETTTEEECCCTTTOOORRREEESSS DDDEEE TTTEEERRRMMMOOOLLLUUUMMMIIINNNIIISSSCCCEEENNNCCCIIIAAA

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).



111222... EEEMMMUUULLLSSSIIIÓÓÓNNN FFFOOOTTTOOOGGGRRRÁÁÁFFFIIICCCAAA

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.



111333... EEELLLEEECCCTTTRRRÓÓÓNNNIIICCCAAA AAASSSOOOCCCIIIAAADDDAAA AAA LLLOOOSSS DDDEEETTTEEECCCTTTOOORRREEESSS DDDEEE SSSEEEÑÑÑAAALLL EEELLLÉÉÉCCCTTTRRRIIICCCAAA...

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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