Un contador de centelleo es un instrumento para detectar y medir la radiación ionizante utilizando el efecto de excitación de la radiación incidente sobre un material centelleante y detectando los pulsos de luz resultantes.
Consiste en un centelleador que genera fotones en respuesta a la radiación incidente, un fotodetector sensible (normalmente un tubo fotomultiplicador (PMT), una cámara con dispositivo de carga acoplada (CCD) o un fotodiodo ), que convierte la luz en una señal eléctrica y electrónica para procesar esta señal.
Los contadores de centelleo se utilizan ampliamente en protección radiológica, análisis de materiales radiactivos e investigación física porque pueden fabricarse de forma económica pero con buena eficiencia cuántica y pueden medir tanto la intensidad como la energía de la radiación incidente.
El primer contador de centelleo electrónico 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 fue utilizar uno de los tubos fotomultiplicadores altamente sensibles recientemente disponibles fabricados por 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 , que descubrió la radiactividad mientras trabajaba en la fosforescencia de las sales de uranio en 1896. Anteriormente, los eventos de centelleo tenían que detectarse laboriosamente a simple vista, utilizando un espintaroscopio (un microscopio simple) para observar La luz parpadea en el centelleador. El primer contador de centelleo líquido comercial fue fabricado por Lyle E. Packard y vendido al Argonne Cancer Research Hospital de la Universidad de Chicago en 1953. El modelo de producción fue diseñado especialmente para tritio y carbono-14 , que se utilizaron en estudios metabólicos in vivo y en vitro . [3]
Cuando una partícula ionizante pasa al material centelleador, los átomos se excitan a lo largo de una pista. Para partículas cargadas, la trayectoria es la trayectoria 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 que llega debido al efecto fotoeléctrico . Este grupo de electrones primarios es acelerado electrostáticamente y enfocado por un potencial eléctrico de manera que choquen con el primer dínodo del tubo. El impacto de un solo electrón sobre el dínodo libera una serie de electrones secundarios que a su vez se aceleran para golpear el segundo dínodo. Cada impacto posterior del dínodo libera más electrones, por lo que hay un efecto amplificador de corriente en cada etapa del dínodo. Cada etapa tiene un potencial mayor que la anterior para proporcionar el campo acelerador.
La señal de salida resultante en el ánodo es un pulso mensurable para cada grupo de fotones de un evento ionizante original en el centelleador que llegó al fotocátodo y transporta información sobre la energía de la radiación incidente original. Cuando se alimenta a un amplificador de carga que integra la información energética, se obtiene un pulso de salida que es proporcional a la energía de la partícula que excita el centelleador.
El número de estos impulsos por unidad de tiempo también proporciona información sobre la intensidad de la radiación. En algunas aplicaciones no se cuentan los impulsos individuales, sino que sólo se utiliza la corriente media 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 inunden los eventos de ionización causados por la radiación incidente. Para lograr esto, a menudo se utiliza una lámina delgada y opaca, como el mylar aluminizado, aunque debe tener una masa lo suficientemente baja para minimizar la atenuación indebida de la radiación incidente que se está midiendo.
El artículo sobre el tubo fotomultiplicador incluye una descripción detallada del funcionamiento del tubo.
El centelleador consiste en un cristal transparente , generalmente de fósforo, plástico (que suele contener antraceno ) o líquido orgánico (ver conteo de centelleo líquido ) que emite fluorescencia 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 utilizó Rutherford para realizar su experimento de dispersión. El yoduro de litio (LiI) se utiliza en detectores de neutrones.
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 centelleantes, como el yoduro de sodio y el germanato de bismuto , alcanzan altas densidades de electrones como resultado de los altos números atómicos de los rayos gamma. algunos de los elementos que los componen. Sin embargo, los detectores basados en semiconductores , en particular el germanio hiperpuro , tienen una mejor resolución de energía intrínseca que los centelleadores y, cuando es posible, se prefieren para la espectrometría de rayos gamma .
En el caso de los detectores de neutrones , la alta eficiencia se logra mediante el uso de materiales centelleantes ricos en hidrógeno que dispersan los neutrones de manera eficiente. Los contadores de centelleo líquido son un medio eficaz y práctico para cuantificar la radiación beta .
Los contadores de centelleo se utilizan para medir la radiación en una variedad de aplicaciones, incluidos medidores de radiación portátiles , monitoreo del personal y ambiental para la contaminación radiactiva , imágenes médicas, ensayos radiométricos, seguridad nuclear y seguridad de plantas 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, aplicaciones de básculas puente, depósitos de chatarra y monitoreo de contaminación de desechos 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 desechos radiactivos . [4] [ verificación fallida ] [5] [ verificación fallida ] Las unidades portátiles también se utilizan comúnmente. [6]
En el Reino Unido , el Ejecutivo de Salud y Seguridad , o HSE, ha publicado una nota de orientación para el usuario sobre cómo seleccionar el instrumento de medición de radiación correcto para la aplicación en cuestión. Cubre todas las tecnologías de instrumentos de radiación y es una guía comparativa útil para el uso de detectores de centelleo. [7]
Los monitores de contaminación radiactiva , para estudios de área o personales, requieren una gran área de detección para garantizar una cobertura eficiente y rápida de las superficies monitoreadas. Para ello resulta ideal un centelleador fino con una ventana de gran superficie y un tubo fotomultiplicador integrado. Encuentran una amplia aplicación en el campo del control de la contaminación radiactiva del personal y el medio ambiente. Los detectores están diseñados para tener uno o dos materiales de centelleo, según la aplicación. Los detectores de "fósforo único" se utilizan para alfa o beta, y los detectores de "fósforo dual" se utilizan para detectar ambos. [8]
Para la detección de partículas alfa se utiliza un centelleador como el sulfuro de zinc, mientras que para la detección beta se utilizan centelleadores de plástico. Las energías de centelleo resultantes se pueden discriminar de modo que los recuentos alfa y beta se puedan medir por separado con el mismo detector. [8] Esta técnica se utiliza tanto en equipos de monitoreo fijos como portátiles, y dichos instrumentos son relativamente económicos en comparación con los proporcionales de gas. detector.
Los materiales de centelleo se utilizan para medir la dosis gamma ambiental, aunque se utiliza una construcción diferente para detectar la contaminación, ya que no se requiere una ventana delgada.
Los centelleadores a menudo convierten un solo fotón de radiación de alta energía en una gran cantidad de fotones de menor energía, donde la cantidad de fotones por megaelectronvoltio de energía de entrada es bastante constante. Por lo tanto, midiendo la intensidad del destello (el número de fotones producidos por los rayos X o el fotón gamma) es posible discernir 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 clasifican por su altura, lo que produce un gráfico xy del 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 una respuesta a las energías más bajas, causada 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 golpean el detector casi simultáneamente ( acumulación , dentro de la resolución temporal de la cadena de adquisición de datos ), apareciendo como picos sumados con energías hasta el valor de dos o más fotopicos agregados [8].
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