Contador de centelleo - Scintillation counter
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 electrónica para procesar esta señal.
Los contadores de centelleo se utilizan ampliamente en la protección radiológica, el ensayo de materiales radiactivos y la investigación física porque se pueden fabricar de forma económica pero con una buena eficiencia cuántica y pueden medir tanto la intensidad como la energía de la radiación incidente.
Historia
El contador de centelleo electrónico moderno fue inventado en 1944 por Sir Samuel Curran mientras trabajaba en el Proyecto Manhattan en la Universidad de California en Berkeley . Había un requisito para 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 , quien descubrió la radiactividad mientras trabajaba en la fosforescencia de las sales de uranio en 1896. Los eventos de centelleo anteriormente tenían que ser detectados laboriosamente a simple vista utilizando un espirariscopio, que era un simple microscopio para observar destellos de luz. en el centelleador.
Operación
Cuando una partícula ionizante pasa al material de centelleo, los átomos se excitan a lo largo de una pista. Para las partículas cargadas, la pista es el camino de la propia partícula. Para los rayos gamma (sin carga), su energía se convierte en un electrón energético a través del efecto fotoeléctrico , la dispersión de 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 golpean el primer dínodo del tubo. El impacto de un solo electrón en el dínodo libera varios electrones secundarios que a su vez se aceleran para golpear el segundo dínodo. Cada impacto subsiguiente del dinodo libera electrones adicionales, por lo que hay un efecto amplificador de corriente en cada etapa del dinodo. 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 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 pulsos por unidad de tiempo también proporciona información sobre la intensidad de la radiación. En algunas aplicaciones, los pulsos individuales no se cuentan, sino que solo se utiliza 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 inunden los eventos de ionización causados por la radiación incidente. Para lograr esto, a menudo se usa una lámina opaca delgada, como 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.
Materiales de detección
El centelleador consiste en un cristal transparente , generalmente fósforo, plástico (que generalmente contiene antraceno ) o líquido orgánico (ver recuento de centelleo líquido ) que emite fluorescencia cuando es golpeado 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 usa como centelleador para la detección de ondas gamma y el sulfuro de zinc (ZnS) se usa 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.
Eficiencias del detector
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 centelleantes, como el yoduro de sodio y el germanato de bismuto , alcanzan altas densidades de electrones 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 se prefieren cuando es posible para la espectrometría de rayos gamma .
Neutrón
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 eficaz y práctico de cuantificar la radiación beta .
Aplicaciones
Los contadores de centelleo se utilizan para medir la radiación en una variedad de aplicaciones que incluyen medidores portátiles de medición de radiación , monitoreo de personal y ambiental para 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 puentes de pesaje, depósitos de chatarra y monitoreo de contaminación de desechos nucleares. Existen variantes de contadores de centelleo montados en camionetas pick-up y helicópteros para una respuesta rápida en caso de una situación de seguridad debido a bombas sucias o desechos radiactivos . También se utilizan habitualmente unidades portátiles.
Orientación sobre el uso de la aplicación
En el Reino Unido , el Health and Safety Executive , o HSE, ha publicado una nota de orientación para el usuario sobre la selección del instrumento de medición de radiación correcto para la aplicación en cuestión. [1] Esto cubre todas las tecnologías de instrumentos de radiación y es una guía comparativa útil para el uso de detectores de centelleo.
Protección de radiación
Contaminación alfa y beta
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 esto, es ideal un centelleador delgado con una ventana de área grande y un tubo fotomultiplicador integrado. Encuentran una amplia aplicación en el campo de la monitorización 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 doble" se utilizan para detectar ambos.
Se utiliza un centelleador como el sulfuro de zinc para la detección de partículas alfa, mientras que los centelleadores de plástico se utilizan para la detección beta. 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. Esta técnica se utiliza tanto en equipos de monitorización portátiles como fijos, y estos 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 utiliza una construcción diferente para detectar la contaminación, ya que no se requiere una ventana delgada.
Como espectrómetro
Los centelleadores a menudo convierten un solo fotón de radiación de alta energía en un gran número de fotones de menor energía, donde el número de fotones por megaelectronvoltio de energía de entrada es bastante constante. 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 de centelleo 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, produciendo 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 de 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 de suma con energías hasta el valor de dos o más fotopicos agregados
Ver también
- Espectroscopia gamma
- contador Geiger
- Recuento de centelleo líquido
- Lucas celular
- Efecto pandemonio
- Conteo de fotones
- Gammagrafía
- Espectroscopia de absorción total