Contador de centelleo

Esquemática mostrando el incidente fotones de alta energía golpeando un cristal centelleante, desencadenando la liberación de fotones de baja energía que luego se convierten en fotoelectros y multiplicados en el fotomultiplier

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.

Se compone de 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 un 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 primer contador de centelleo electrónico 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 usar 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 sujeto 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. Anteriormente, los eventos de centelleo tenían que ser laboriosamente detectados a simple vista, utilizando un espintaroscopio (un microscopio simple) para observar destellos de luz en el centelleador. Lyle E. Packard fabricó el primer contador de centelleo líquido comercial y lo vendió al Argonne Cancer Research Hospital de la Universidad de Chicago en 1953. El modelo de producción se diseñó especialmente para el tritio y el carbono 14, que se utilizaron en estudios metabólicos en vivo e in vitro. Poco después, Packard Instrument Company comenzó la producción de un contador de centelleo líquido Tri-Carb que incorporaba un cambiador automático de muestras. Este avance mejoró enormemente el análisis en el campo de la biología molecular al permitir recuentos en serie de cientos de muestras sin supervisión y durante la noche.

Operación

Aparato con componentes de cristal, fotomultiplier y adquisición de datos.

animación del mostrador de radiación mediante un tubo fotomultiplier.

Cuando una partícula ionizante pasa al material del centelleador, los átomos se excitan a lo largo de una pista. Para 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, normalmente 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 para que golpeen 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 golpear el segundo dínodo. Cada impacto de dínodo subsiguiente libera más electrones, por lo que hay un efecto de amplificación de corriente en cada etapa de 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 de energía, se obtiene un pulso de salida que es proporcional a la energía de la partícula que excita el centelleador.

El número de dichos pulsos por unidad de tiempo también brinda información sobre la intensidad de la radiación. En algunas aplicaciones, los pulsos individuales no se cuentan, sino que solo se usa la corriente promedio en el ánodo como medida de la intensidad de la radiación.

El centelleador debe protegerse 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 fina lámina 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.

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 usó 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 la alta 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 eficiente y práctico para cuantificar la radiación beta.

Aplicaciones

Se utiliza sonda para medir la contaminación radiactiva superficial. La sonda se mantiene lo más cerca posible del objeto

Los contadores de centelleo se utilizan para medir la radiación en una variedad de aplicaciones, incluidos los medidores portátiles de medición de radiación, el control ambiental y del personal para detectar contaminación radiactiva, imágenes médicas, ensayos radiométricos, seguridad nuclear y seguridad de plantas nucleares.

Se han introducido varios productos en el mercado 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 y helicópteros para una respuesta rápida en caso de una situación de seguridad por bombas sucias o desechos radiactivos. Las unidades portátiles también se utilizan comúnmente.

Guía de selección para uso portátil

En el Reino Unido, el Ejecutivo de Salud y Seguridad, o HSE, ha emitido 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.

Protección contra la radiación

Contaminación alfa y beta

Sonda de alfa de área grande de mano bajo calibración con una fuente de placa en un jig de calibración de banco.

Patrocinación mantenida para leer la dosis de gamma ambiente. La posición del detector interno se muestra por la cruz

Los monitores de contaminación radiactiva, para estudios de área o personales, requieren un área de detección grande para garantizar una cobertura eficiente y rápida de las superficies monitoreadas. Para ello es ideal un centelleador fino con una ventana de gran área y un tubo fotomultiplicador integrado. Encuentran una amplia aplicación en el campo de la vigilancia de la contaminación radiactiva del personal y del medio ambiente. Los detectores están diseñados para tener uno o dos materiales de centelleo, según la aplicación. "Fósforo simple" los detectores se utilizan para alfa o beta, y "fósforo dual" se utilizan detectores para detectar ambos.

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 para que los conteos alfa y beta se puedan medir por separado con el mismo detector. Esta técnica se usa en equipos de monitoreo tanto portátiles como fijos, y dichos instrumentos son relativamente económicos en comparación con el detector proporcional de gas.

Gama

Los materiales de centelleo se usan para medir la dosis gamma ambiental, aunque se usa una construcción diferente para detectar la contaminación, ya que no se requiere una ventana delgada.

Como espectrómetro

Medición del espectro de rayos gamma con un contador de centelleo. Un alto voltaje impulsa el contador que alimenta señales al analizador multicanal (MCA) y el ordenador.

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. Al medir la intensidad del destello (el número de fotones producidos por los rayos X o fotones 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 x-y 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, provocada 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 (apilamiento, dentro de la resolución de tiempo de la cadena de adquisición de datos), apareciendo como picos de suma con energías hasta el valor de dos o más fotopicos agregados