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 (generalmente un tubo fotomultiplicador (PMT), una cámara con dispositivo de carga acoplada (CCD) o un fotodiodo ), que convierte la luz en una señal eléctrica y una electrónica para procesar esta señal.
Los contadores de centelleo se utilizan ampliamente en la protección radiológica, el análisis de materiales radiactivos y la investigación física porque se pueden fabricar de forma económica pero con buena eficiencia cuántica , y pueden medir tanto la intensidad como la energía de la radiación incidente.
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 fue utilizar uno de los nuevos tubos fotomultiplicadores de alta sensibilidad fabricados por la Radio Corporation of America para contar con precisión los destellos de luz de un centelleador sometido a radiación.
Este método se basó en el trabajo de investigadores anteriores, como Antoine Henri Becquerel , quien descubrió la radiactividad mientras trabajaba en 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 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]
Cuando una partícula ionizante pasa al material centelleador, los átomos se excitan siguiendo una trayectoria. En el caso de las partículas cargadas, la trayectoria es la de la propia partícula. En el caso de los rayos gamma (sin carga), su energía se convierte en un electrón energético a través del 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 se acelera electrostáticamente y se enfoca mediante un potencial eléctrico de modo que chocan contra el primer dínodo del tubo. El impacto de un solo electrón en el dínodo libera una serie de electrones secundarios que a su vez se aceleran para chocar contra el segundo dínodo. Cada impacto posterior en el dínodo libera más electrones, por lo que hay un efecto amplificador de corriente en cada etapa del dínodo. Cada etapa tiene un potencial más alto que la anterior para proporcionar el campo de aceleración.
La señal de salida resultante en el ánodo es un pulso medible para cada grupo de fotones de un evento ionizante original en el centelleador que llegó al fotocátodo y lleva 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 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 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 invadan los eventos de ionización causados por la radiación incidente. Para lograr esto, se suele utilizar una lámina fina opaca, como el mylar aluminizado, aunque debe tener una masa lo suficientemente baja para minimizar la atenuación indebida de la radiación incidente que se mide.
El artículo sobre el tubo fotomultiplicador contiene una descripción detallada del funcionamiento del tubo.
El centelleador consiste en un cristal transparente , generalmente un fósforo, plástico (que normalmente contiene antraceno ) o líquido orgánico (ver recuento de centelleo líquido ) que emite fluorescencia cuando es alcanzado 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 cinc (ZnS) se utiliza ampliamente como detector de partículas alfa. El sulfuro de cinc es el material que Rutherford utilizó 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 electrónicas como resultado de los altos 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 de energía intrínseca que los centelleadores, y son los preferidos cuando es posible para la espectrometría de rayos gamma .
En el caso de los detectores de neutrones , se obtiene una alta eficiencia mediante el uso de materiales centelleantes ricos en hidrógeno que dispersan los neutrones de manera eficiente. Los contadores de centelleo líquido son un medio eficiente y práctico para cuantificar la radiación beta .
Los contadores de centelleo se utilizan para medir la radiación en una variedad de aplicaciones, incluidos medidores portátiles de radiación , monitoreo de personal y ambiental para contaminación radiactiva , imágenes médicas, análisis radiométrico, 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 potencialmente peligrosos que emiten rayos gamma durante el transporte. Entre ellos se incluyen contadores de centelleo diseñados para terminales de carga, seguridad fronteriza, puertos, aplicaciones de básculas puente, patios de chatarra y control 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] [ verificación fallida ] [5] [ verificación fallida ] También se utilizan comúnmente unidades portátiles. [6]
En el Reino Unido , la Dirección de Salud y Seguridad (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. Esta nota abarca todas las tecnologías de instrumentos de radiación y es una guía comparativa útil para el uso de detectores de centelleo. [7]
Los detectores de contaminación radiactiva , para estudios de áreas o personales, requieren una gran área de detección para garantizar una cobertura eficiente y rápida de las superficies monitoreadas. Para esto, un centelleador delgado con una ventana de área grande y un tubo fotomultiplicador integrado es ideal. Encuentran una amplia aplicación en el campo del monitoreo de 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 doble" se utilizan para detectar ambos. [8]
Para la detección de partículas alfa se utiliza un centelleador como el sulfuro de cinc, mientras que para la detección de partículas 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 monitorización portátiles como fijos, y dichos instrumentos son relativamente económicos en comparación con el detector proporcional a los gases.
Para la medición de la dosis gamma ambiental se utilizan materiales de centelleo, aunque se utiliza una construcción diferente para detectar la contaminación, ya que no se requiere una ventana delgada.
Los centelleadores suelen convertir un único fotón de radiación de alta energía en una gran cantidad de fotones de menor energía, siendo la cantidad de fotones por megaelectronvoltio de energía de entrada bastante constante. Midiendo la intensidad del destello (la cantidad de fotones producidos por el fotón de rayos X o 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 se 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 respuesta en las energías más bajas, causada por la dispersión Compton , dos picos de escape más pequeños en 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 inciden en el detector casi simultáneamente ( acumulación , dentro de la resolución temporal de la cadena de adquisición de datos ), que aparecen como picos de suma con energías de hasta el valor de dos o más fotopicos añadidos [8].
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