Download Detección y Medida de las Radiaciones

Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 1/26
1. DEETTEECCCCIIÓ
S
AS
Y ME
LA
NY
EL
ÓN
DE
AD
DA
DIID
ED
RAADDIIAACCIIO
S
ES
NE
ON
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).
Concepto de resolución en energía y temporal
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
R=
Tema 5 - 2/26
anchura a la mitad del máximo
∆V
× 100 =
× 100
amplitud del impulso en el pico
V
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.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 3/26
2. DEETTEECCTTO
E GA
DE
SD
ES
RE
OR
S
AS
Fundamento:
ionización
Geometría:
cilíndrica, plana o esférica
Tensión:
100 a 1000 V
3 × 106
Ejemplo: α (3 MeV) → N =
= 100 000 pares de iones
30
Capacidad típica:
50 pF
q 105 × 1.6 × 10−19 C
= 0.5 mV
Amplitud de la señal: V = =
C
50 × 10−12 F
Tiempo de recolección:
•
•
En modo de corriente:
Elementos de Radioprotección
para electrones, 1 µs
iones positivos, 1 ms
q 105 × 1.6 × 10−19 C
i= =
= 16 nA
t
10-6 s
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 4/26
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
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Zona de Saturación
Zona de Proporcionalidad
Zona Geiger
Tema 5 - 5/26
Discriminación
de energía
Contaje de partículas
Otros factores:
Naturaleza y presión del gas de llenado.
Tamaño y geometría del detector.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 6/26
3. CÁÁM
N
ÓN
CIIÓ
AC
ZA
NIIZ
ON
E IIO
DE
AD
RA
AR
MA
•
•
•
Trabaja en la zona de saturación.
No hay recombinación ni multiplicación.
Permite discriminar en energía
Geometría:
cámara plana
V
Campo eléctrico uniforme: E = ≈ 100 V/cm
d
ve = 106 cm/s v+ = 103 cm/s
Velocidad de deriva:
Si R es pequeña,
Si R es grande,
Elementos de Radioprotección
modo de corriente.
modo de impulsos.
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 7/26
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):
n=
E
w
q = ne
V=
q ne
=
≈ 1 mV
C C
Excelente resolución en energía (2 al 3 %)
Hay que controlar:
• intensidad del campo eléctrico.
• presión del gas de llenado
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 8/26
CÁÁM
MA
AR
RA
AD
DE
E IIO
ON
NIIZZA
AC
CIIÓ
ÓN
NC
CO
ON
NR
RE
EJJA
A
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.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 9/26
FUUNNCCIIO
ON
NA
AM
MIIE
EN
NTTO
OE
EN
NM
MO
OD
DO
OD
DE
EC
CO
OR
RR
RIIE
EN
NTTE
E
•
•
R es pequeña
Se suprime el condensador de acoplamiento.
CÁÁM
MA
AR
RA
AS
S IIN
NTTE
EG
GR
RA
AD
DO
OR
RA
AS
S
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)
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 10/26
4. CO
S
ES
LE
AL
NA
ON
CIIO
RC
OR
PO
OP
RO
PR
SP
ES
RE
OR
DO
AD
TA
NT
ON
•
•
Trabajan en la zona de proporcionalidad estricta.
Se produce multiplicación (ionización secundaria).
Amplitud del impulso:
Si V ∝ n
V =
nM e
C
de 1mV a 300 mV
◙ 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 +):
Gas de llenado:
Elementos de Radioprotección
100 µs
argón (90%) + CH4 (10%)
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 11/26
CO
ON
NTTA
AD
DO
OR
RD
DE
E FFLLU
UJJO
OC
CO
ON
NTTIIN
NU
UO
O
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.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 12/26
5. CO
E GE
DE
RD
OR
DO
R-MÜ
R
AD
ER
ER
TA
GE
LE
NT
LL
ON
EIIG
ÜL
•
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:
•
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%
Elementos de Radioprotección
de 1010 a 1013 cuentas
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 13/26
Curva característica del contador de Geiger-Müller
Pendiente del “plateau” ≈ 2 a 3 %
DEETTEECCCCIIÓ
ÓN
ND
DE
EN
NE
EU
UTTR
RO
ON
NE
ES
S
Neutrones térmicos: Contador Proporcional (gas de llenado, BF3)
n + 10B →
7
Li + α
Neutrones rápidos: ídem recubierto de parafina (se detecta el protón
de retroceso)
Flujos elevados de neutrones térmicos: Recubrimiento con material
físil ( uranio-235)
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 14/26
6. DEETTEECCTTO
E CE
DE
SD
ES
O
RE
EO
OR
LE
LL
EL
TE
NT
EN
Utilizan la propiedad de ciertos materiales de emitir luz visible
cuando sus átomos o moléculas se desexcitan tras el paso de la
radiación ionizante.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 15/26
Elementos fundamentales del detector de centelleo
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.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 16/26
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.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 17/26
7. ESSPPEECCTTRRO
A
MA
MM
AM
GA
NG
ÓN
CIIÓ
AC
DIIA
AD
RA
ER
DE
AD
PIIA
OP
CO
SC
OS
M
S
OS
CO
NIIC
ÁN
GÁ
RG
OR
NO
S IIN
ES
LE
AL
TA
ST
RIIS
CR
EC
TE
NT
AN
DIIA
ED
ME
•
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.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 18/26
8. DEETTEECCTTO
R
OR
TO
CT
UC
DU
ND
ON
CO
MIIC
EM
SE
ES
DE
SD
ES
RE
OR
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.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 19/26
9. ESSTTRRUUCCTTUURRAA EENNEERRG
S
OS
LO
EL
DE
AD
CA
TIIC
ÉT
GÉ
S
S
OS
DO
LIID
ÓL
SÓ
(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.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 20/26
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.
Tipos de impurezas:
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.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 21/26
DEETTEECCTTO
OR
RE
ES
SD
DE
EU
UN
NIIÓ
ÓN
N
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.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 22/26
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.
DEETTEECCTTO
OR
RE
ES
SC
CO
OM
MP
PE
EN
NS
SA
AD
DO
OS
SC
CO
ON
N LLIITTIIO
O
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.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 23/26
10. DEETTEECCTTO
E SE
R.
DE
OR
TO
SD
CT
ES
UC
RE
DU
OR
ND
ON
CO
MIIC
EM
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
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 24/26
11. DEETTEECCTTO
A
CIIA
NC
EN
E TE
CE
DE
SC
SD
NIIS
ES
RE
MIIN
OR
UM
LU
OL
MO
RM
ER
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).
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 25/26
12. EM
A
CA
N FO
FIIC
ÓN
ÁF
RÁ
SIIÓ
GR
LS
OG
UL
TO
MU
OT
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.
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón
Detección y Medida de las Radiaciones
Tema 5 - 26/26
13. ELLEECCTTRRÓ
S
OS
LO
A AS
CA
AL
NIIC
AA
ÓN
DA
AD
CIIA
OC
SO
DEETTEECCTTO
E SE
DE
SD
ES
A.
RE
CA
OR
RIIC
L EL
TR
AL
CT
ÑA
ÉC
EÑ
LÉ
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).
Elementos de Radioprotección
ISBN 84-398-9769-3
© Manuel R. Ortega Girón