Capítulo 1: Detección de la radiación

La radiación no es perceptible por los sentidos, por lo que es

necesario valerse de instrumentos apropiados para detectarla. Además de su

presencia, muchas veces interesa conocer su intensidad, su energía, o

cualquier otra propiedad que ayude a evaluar los efectos que pueden tener

sobre los materiales, organismos o el medio ambiente. Por esto, a lo largo

de los años se han desarrollado muchos tipos de detectores, algunos de los

cuales serán descriptos a continuación. Cada clase de detector es sensible a

cierto tipo de radiación en cierto intervalo de energía. Así pues, es de

primordial importancia seleccionar el detector adecuado al tipo y

características de la radiación que se desea medir.

El diseño de los detectores está basado en el conocimiento de la

interacción de la radiación con la materia. Las radiaciones depositan

energía en los materiales, principalmente a través de la ionización y

excitación de los átomos o moléculas que lo componen. Además, puede

haber emisión de luz, cambio de temperatura, o efectos químicos, que

indican la presencia de radiación.

Antes de discutir los diferentes tipos de detectores de radiación en

forma individual, se presentarán algunas propiedades generales aplicables a

todos ellos, la sensibilidad, la respuesta, la resolución y la eficiencia.

1.1. Sensibilidad

La sensibilidad de un detector es la capacidad de producir una señal

útil para detectar un dado tipo de radiación en un determinado rango de

energía. Fuera de estos rangos, la señal es inusable o decrece notoriamente.

La sensibilidad depende de factores tales como la sección eficaz para

la interacción con el material del detector, la masa del detector y el ruido

electrónico intrínseco del mismo. La sección eficaz y la masa del material

detector determinan la probabilidad de que la radiación incidente transfiera

toda o parte de su energía al material. Para el caso de partículas neutras,

como la radiación , las secciones eficaces de interacción son pequeñas, por

lo cual la densidad y el volumen del detector son un factor sumamente

importante para obtener una buena señal, ya que de lo contrario el detector

se vuelve transparente a la radiación incidente. El ruido electrónico

intrínseco del detector determina el umbral inferior de detección.

1.2. Respuesta del detector

Además de detectar la presencia de radiación, muchos detectores

también son capaces de proveer información acerca de la energía de la

misma. Esto se debe a que el número de ionizaciones producidas en el

detector es proporcional a la energía entregada por la radiación incidente en

el volumen del dispositivo. Si el detector (o mejor dicho, el material

detector) tiene un volumen y una densidad tal que la radiación incidente es

totalmente absorbida, entonces la cantidad de ionizaciones producidas es

una medida de la energía de la radiación incidente.

En general, la información provista por una unidad detectora es un

pulso de corriente. La cantidad de ionizaciones está reflejada en la carga

eléctrica contenida en la señal, i.e., la intengral del pulso respecto del

tiempo. Esta integral es proporcional a la amplitud o altura del pulso de la

señal, así esta caractrística puede ser usada. La relación entre la energía de

la radiación y la carga total o la altura del pulso de la señal de salida es

llamada respuesta del detector. Idealmente es deseable que la respuesta del

detector sea lineal (al menos en un rango de energías), hecho que facilita la

“conversión” a energía depositada. La función respuesta de un detector a

una dada energía queda determinada por las diferentes interacciones que

pueden tener lugar entre la radiación y el material detector.

Otra característica muy importante de un detector es el tiempo de

respuesta, que se define como el tiempo que le toma al detector formar una

señal luego de la llegada de la radiación incidente. Durante este período, un

segundo evento puede no ser registrado (el detector es insensible) o una

segunda señal puede sumarse a la primera, dando lugar a una altura de

pulso que no se corresponde con las energías de las radiaciones incidentes.

Estos procesos contribuyen a lo que se conoce como tiempo muerto del

detector y limitan la cantidad de eventos detectados por unidad de tiempo

por el detector.

1.3. Resolución en energía

Para el caso de detectores diseñados para determinar la energía de

una dada radiación incidente, el aspecto más importante es la resolución en

energía. Esta es la capacidad del detector para distinguir entre dos

radiaciones de energías próximas. En general, la resolución puede medirse

exponiendo el detector a una radiación monoenergética de neregía E y

observar el espectro resultante. Idealmente, se esperaría obtener un pico

muy delgado centrado en E tipo función delta de Dirac. En la realidad se

observa un pico con un ancho finito y de forma Gaussiana. Este ancho

finito aparece debido a las fluctuaciones estadísticas en el número de

excitaciones e ionizaciones que se producen en la masa del detector. La

resolución del detector se da en términos del ancho a mitad de altura del

pico. Así, señales cuyas energías están separadas por un valor mayor a este

ancho se consideran resueltos (Figura 1.1). Si E es el ancho a mitad de

altura del pico, entonces la resolución relativa es:

ER

E

1.1

Figura 1.1: Definición de resolución en energía. La línea sólida muestra la suma de

dos picos Gaussianos idénticos separados una distancia igual a E.

La resolución es función de la energía depositada en el detector y el

cociente de la Ec. 1.1 disminuye al aumentar la energía de la radiación

incidente ya que la energía necesaria para producir una ionización es un

número fijo (w) que depende sólo del material. Para una dada energía

depositada es de esperarse un número promedio de ionizaciones J = E / w.

Al incrementarse la energía, el número de ionizaciones aumenta y la

fluctuación estadística disminuye. Es posible demostrar que la resolución

en función de la energía de la radiación incidente viene dada por:

2,35f w

RE

1.2

donde f es el llamado factor de Fano que es una constante característica del

detector. Este factor es función de los diferentes procesos que conducen a

transferencia de energía en el detector. Puede verse de la Ec. 1.2, que la

resolución es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la energía de

la radiación incidente.

inte

nsid

ad

energía

1.4. Eficiencia del detector

Para realizar determinaciones cuantitativas de actividad debe tenerse

en cuenta la eficiencia absoluta. La eficiencia absoluta (o total) se define

como la fracción de eventos emitidos por la fuente que son registrados por

el detector:

total

eventos registrados

eventos emitidos por la fuente 1.3

La eficiencia es función de la geometría del detector y de la

probabilidad de interacción en el volumen sensible del mismo y se puede

factorizar en dos términos: la eficiencia intrínseca (int) y la eficiencia

geométrica (geom) de modo que total se puede expresar como:

int geom 1.4

int es la fracción de eventos incidentes sobre el detector que son

registrados:

int

eventos registrados

eventos incidentes sobre el ector

det 1.5

que depende sólo de la sección eficaz de interacción de la radiación

incidente con el medio detector o sea, del tipo y energía de la radiación

incidente y del material detector. Por otro lado, geom es la fracción de

eventos que inciden sobre el detector y, por supuesto, depende enteramente

de la configuración geométrica del detector y la fuente radioactiva.

La curva de calibración en eficiencias se obtiene mediante patrones

de actividades conocidas. La selección de los radionucleídos y la

fabricación de los patrones es una de las etapas más importantes en la

determinación de actividades, ya que de la elección apropiada de los

mismos y de su uso adecuado depende la confiabilidad del resultado. Los

radionucleídos seleccionados deben tener una vida media tal que puedan

ser utilizados durante tiempos largos y tener forma física y química estable

a fin de evitar pérdidas de actividad. En la medida de lo posible y a fin de

obviar correcciones tediosas, la forma y densidad de la matriz donde se

depositan los radionucleídos para fabricar el patrón deben ser similares a

las de las muestras a medir. La geometría del experimento también debe ser

la misma que la usada para la determinación de la calibración.

1.5. Tipos y características generales de los detectores

1.5.1 Detectores Gaseosos

Estos detectores representan uno de los tipos más antiguos en

referencia al concepto de diseño de detección de la radiación y han sido

usados por más de 50 años. A pesar de que hay diversos tipos, sus

propiedades fundamentales son similares. Como su nombre lo indica, estos

detectores constan de un gas encerrado en un recipiente de paredes tan

delgadas como sea posible para que no absorban la radiación que llega. La

geometría más usada para contadores gaseosos es un cilindro metálico que

contiene un gas con un alambre central. Entre el alambre y las parades del

cilindro se aplica un voltaje alto y positivo. De esta manera el alambre

actúa como ánodo y el cilindro como cátodo. Operan sobre el principio de

que la energía de la radiación incidente produce pares iónicos en el gas.

Esta carga es colectada mediante la aplicación de una diferencia de

potencial a través del gas. La diferencia de potencial aplicada hace que los

electrones se muevan hacia el ánodo y los iones positivos hacia el cátodo,

evitándose así la recombinación. La corriente eléctrica generada da lugar a

pulsos que son contados directamente, o activan un medidor de corriente

(ver Figura 1.2).

Figura 1.2: Funcionamiento de un detector gaseoso. Los iones y electrones

producidos en el gas por la radiación son colectados en el ánodo y el cátodo.

Debido a la baja densidad de los gases comparada con la de los

sólidos, los detectores gaseosos tienen baja eficiencia para detectar fotones

(típicamente del orden de 1%) pero detectan prácticamente todas las

partículas o que logran traspasar las paredes del detector. Por otra

parte, en un detector gaseoso puede usarse cualquier gas, incluso aire.

Normalmente se usa una mezcla de un gas inerte con un gas orgánico.

Debe tenerse en cuenta que cada gas tiene diferente potencial de

ionización, siendo éste de alrededor de 30-40 eV para las mezclas más

comunes.

Las diferencias operacionales de estos detectores radican en el

voltaje aplicado entre los dos electrodos colectores. En su trayecto hacia los

electrodos, los iones y electrones son acelerados por el campo eléctrico y

pueden a su vez producir nuevas ionizaciones, o bien pueden recombinarse

(neutralizarse). La magnitud de estos efectos depende del tipo de gas, del

voltaje aplicado y del tamaño del detector. Los diferentes detectores

gaseosos se distinguen por su operación en diferentes regiones de voltaje,

como se muestra en la Figura 1.3 donde se grafica el número de iones

colectados en los electrodos en función del voltaje aplicado, para partículas

y . Entre los detectores gaseosos se encuentran la cámara de ionización,

el proporcional y el contador Geiger-Müller.

radiación

Figura 1.3: Número de iones colectados en los electrodos en función el voltaje

aplicado, para partículas y .

En la región I el voltaje es tan bajo que la velocidad que adquieren

los iones y electrones es pequeña, dando lugar a una alta probabilidad de

recombinación. Por esto, la señal que se produce es muy débil y puede

degradarse o perderse.

En la región II, denominada región de cámara de ionización, el

número de iones colectados no cambia si se aumenta el voltaje aplicado

entre los electrodos. Se recogen esencialmente todos los iones primarios; es

decir no hay ni recombinación ni ionización secundaria. Por esta razón, el

tamaño del pulso de salida depende de la ionización primaria y, por lo

tanto, de la energía depositada por cada radiación. En general, la corriente

generada en estas cámaras es tan pequeña que se requiere de un circuito

electrónico amplificador muy sensible para medirla.

En la región III, llamada proporcional, la carga colectada aumenta al

incrementarse el voltaje. Esto se debe a que los iones iniciales (primarios)

ionización simple amplificación del gas

potencial aplicado

nú

mero

de io

ne

s c

ole

cta

do

s

fotones

se aceleran dentro del campo eléctrico pudiendo, a su vez, crear nuevos

pares de iones. Si se sube el voltaje, la producción de ionización secundaria

es cada vez mayor y da lugar a un efecto de multiplicación. Los pulsos

producidos son mayores que en la región anterior y se conserva la

dependencia de la cantidad de ionizaciones con la energía de las

radiaciones incidentes.

Aumentando aún más el voltaje se llega a la región IV, llamada de

proporcionalidad limitada, que por su inestabilidad es poco útil en la

práctica. Si se sigue aumentando el voltaje, se llega a la región V, llamada

Geiger-Müller. En esta región la multiplicación por ionización secundaria

es tan grande que se produce una avalancha de cargas que se extiende a

todo el volumen del gas. Los pulsos son grandes por la gran cantidad de

iones colectados, pero se pierde la dependencia con la ionización primaria.

Si se incrementa el voltaje aún más, se obtiene una descarga continua

(región VI), no útil para la utilización de la cámara como detector.

1.5.1.1 Cámara de ionización

El detector gaseoso más sencillo es la cámara de ionización, la cual

se puede considerar como un condensador plano-paralelo con la región

entre los planos llena de un gas, usualmente aire.

La energía media necesaria para producir un ión en aire es de unos

35 eV, por tanto una radiación de 1 MeV, produce una media de

3x104 iones y electrones. Para una cámara de ionización de tamaño medio,

de unos 100 cm2 con una separación de 1 cm entre las placas, la capacidad

es de 8,9 pF y el voltaje del pulso recogido es:

4 19

12

3 10 iones . 1,6 10 C/ion0,5mV

8,9 10 FV

1.6

Este voltaje es pequeño y debe ser amplificado hasta por un factor 10000

para su análisis. La amplitud de la señal es independiente del voltaje entre

las placas y proporcional al número de iones creados y por tanto, a la

energía depositada por la radiación. Sin embargo, el voltaje aplicado

determina la velocidad de deriva de los electrones y de los iones hacia los

electrodos de la cámara. Para un valor típico de voltaje de unos 100 V, los

iones se mueven a velocidades del orden de 1 m/s y tardan unos 0,01 s en

atravesar una cámara de 1 cm de grosor. Los electrones son más móviles,

por lo cual el tiempo se reduce a una milésima parte. Estos tiempos son

excesivamente largos para los valores con los que normalmente se trabaja

en la detección de radiaciones nucleares. Por ejemplo, una fuente de

3,7x107 Bq da un promedio de una desintegración cada 30 ms. Por tanto, la

cámara de ionización no sirve como contador de señales individuales o

actividades altas.

1.5.1.2 Contadores proporcionales

Para observar pulsos individuales se debe aumentar el voltaje

aplicado a valores mayores a los 1000 V. De este modo, el mayor campo

eléctrico generado es capaz de acelerar los electrones lo suficiente como

para que éstos puedan generar ionizaciones secundarias. Los electrones

secundarios acelerados producen nuevas ionizaciones, produciéndose una

avalancha o cascada de ionizaciones. Aunque hay un gran número de

ionizaciones secundarias, entre 1000 y 100000, el número de pares

electrón/ión es proporcional al número de ionizaciones primarias y por

ende, a la energía y tipo de partícula incidente sobre el detector. De ahí el

nombre de contador proporcional.

La avalancha ocurrirá cerca del ánodo en la región donde el campo

es mayor. Esta región, sin embargo, representa solamente una pequeña

fracción del volumen de la cámara. La gran mayoría de los iones originales

son creados lejos de esta región central y la deriva de los electrones es lenta

hasta que inician el proceso de avalancha. Los sucesos primarios que

ocurren dentro de la región de campo intenso son poco amplificados dado

que no tienen la oportunidad de crear tantas ionizaciones secundarias.

Debido a que la señal de salida proviene principalmente del proceso

de avalancha, el cual ocurre muy rápidamente, la velocidad de detección

viene determinada por el tiempo de deriva de los electrones primarios

desde el punto de formación hasta la vecindad del ánodo donde ocurre la

avalancha. Este tiempo es del orden de los microsegundos, y por tanto, el

contador puede trabajar a ritmos de conteo del orden de 106 cuentas/ s.

Estos detectores se emplean para detectar fotones y electrones de

baja energía. En el caso en que el gas es BF3 o ³He se pueden detectar

neutrones con energías en el rango desde 0,1 eV hasta 100 keV.

1.5.1.3 Contador Geiger-Müller

En la región Geiger-Müller se pueden generar avalanchas

secundarias en cualquier parte del tubo, por lo cual todo el volumen del

detector participa en el proceso. En esta región de voltajes, el factor de

amplificación puede llegar a ser de hasta 1010

veces. Los contadores

basados en este principio se conocen como contadores Geiger-Müller. En

esta región se pierde la relación entre la carga del pulso generado y la

energía y tipo de partícula incidente. Más allá de las características de la

radiación incidente, un detector Geiger-Müller produce un pulso de salida

de aproximadamente 1 V de tensión, por lo cual, en general, no se requiere

de amplificación adicional. El tiempo de colección de carga es del orden de

10-6

s, tiempo durante el cual los iones positivos no se mueven lejos de la

región de la avalancha. El ciclo será completado después que los iones

positivos hayan alcanzado el cátodo y sido neutralizados. El tiempo

necesario para completar este ciclo es del orden de 10-4

-10-3

s. Debido a la

naturaleza del proceso de avalancha múltiple en el tubo, basta con un

electrón para crear un pulso de salida. Para evitar que esto ocurra, se añade

un segundo gas, denominado gas de apagado, compuesto por moléculas

orgánicas complejas, como el Etanol.

Estos detectores son útiles para detectar la presencia de radiación,

pero no pueden determinar la energía de la misma ni el tipo de partícula

incidente. Son los más usados a fines de monitoreos rutinarios porque son

fáciles de operar, son de construcción sencilla y se pueden incorporar a un

monitor portátil. Generalmente operan con voltaje de alrededor de 700 a

800 V, pero esto puede variar según el diseño de cada detector.

1.5.2 Detectores de centelleo

En los detectores de centelleo se aprovecha el hecho de que la

radiación produce pequeños destellos luminosos al interactuar con ciertos

sólidos. Esta luz se recoge y transforma en un pulso eléctrico. La detección

de la radiación por el centelleo de luz en ciertos materiales es una de las

técnicas más antiguas y útiles para la determinación de espectros de una

gran variedad de radiaciones.

Los cristales centelladores exhiben la propiedad conocida como

luminiscencia. Los materiales luminiscentes, al ser expuestos a ciertas

formas de energía (luz, calor, radiaciones, etc.), la absorben y la re-emiten

en forma de luz. Si esta re-emisión ocurre inmediatamente después de la

absorción (o más precisamente dentro de 10-8

s después de ésta), el proceso

se denomina fluorescencia. Por el contrario, si la re-emisión es retardada, el

proceso se conoce como fosforescencia (en este caso, el proceso entre

absorción y re-emisión puede durar desde unos microsegundos hasta horas,

dependiendo del material). En este tipo de detectores, en conjunto con el

material luminiscente se emplea un segundo componente del sistema de

detección, llamado fotomultiplicador. Sobre el fotocátodo del

fotomultiplicador incide la luz emitida por el cristal centellador, la cual

produce emisión de electrones por efecto fotoeléctrico. De esta manera, la

radiación incidente es convertida primero en destellos de luz y luego en

electrones. En otras palabras, en un pulso eléctrico.

Si bien existen muchos materiales centelladores, no todos son

utilizables como detectores. En general, un buen detector centellador debe

cumplir ciertas condiciones:

i) Convertir, en forma lineal, la energía de la radiación incidente en luz

detectable, de modo que la intensidad de la luz sea proporcional a la

energía depositada en un amplio rango de longitudes de onda.

ii) El medio debe ser transparente a la longitud de onda de su propia

emisión para obtener una buena colección de luz.

iii) El tiempo de decaimiento de la luminiscencia inducida debe ser corto

para que los pulsos de la señal producida sean rápidos.

iv) El material debe tener buena calidad óptica y poder ser fabricado en

tamaños grandes, compatibles con los requerimientos experimentales.

v) El material debe tener un índice de refracción cercano al del vidrio (1,5)

para que el acoplamiento óptico con el fototubo sea bueno.

No todos los materiales satisfacen todos los criterios en forma

simultánea, así la elección de uno de ellos debe acompañarse con la

evaluación de otros factores. En la actualidad existen seis tipos de

materiales usados como detectores: cristales orgánicos, líquidos orgánicos,

plásticos, cristales inorgánicos, gases y vidrios. Uno de los materiales más

empleado en la detección de fotones es el ioduro de sodio activado con

talio, NaI(Tl), otro usado es el fluoruro de bario BaF2. Para detectar

neutrones suelen emplearse materiales orgánicos plásticos, siendo los más

importantes el antraceno y el estilbeno. Para ciertas aplicaciones en

bioquímica y medioambiente son útiles también los centelladores líquidos

orgánicos.

En el caso de los detectores centelladores sólidos, el mecanismo de

centelleo puede ser explicado a partir de la estructura de bandas

electrónicas del material. Cuando una radiación entra al cristal se pueden

producir dos tipos de procesos, la ionización del cristal por la excitación de

un electrón de la banda de valencia a la de conducción, creando un electrón

libre y un hueco o la promoción de un electrón a la banda de excitones,

localizada por debajo de la banda de conducción. En este estado, el electrón

y el hueco permanecen ligados como un par capaz de moverse libremente a

través del cristal. Si el cristal contiene impurezas, pueden crearse niveles

electrónicos en la banda prohibida por lo cual, un hueco pueden encontrar

en su migración uno de estos sitios de impurezas, ionizándolo. Un electrón

puede entonces “caer” en el hueco, realizando una transición desde el nivel

excitado, emitiendo radiación si el modo de desexcitación está permitido.

Si la transición se produce sin la emisión de radiación, el centro de

impurezas se convierte en una trampa para electrones, perdiéndose la

radiación incidente.

Figura 1.4: Estructura de bandas de un cristal inorgánico.

Como ya se dijo, los cristales de centelleo necesitan ser acoplados a

fototubos o fotomultiplicadores para convertir la débil luz de salida del

cristal en una señal eléctrica que pueda manejarse con más comodidad. El

fototubo es un cilindro de vidrio sellado a alto vacío que consta de una

lámina fotosensible llamada fotocátodo que convierte los fotones incidentes

en fotoelectrones (electrones de baja energía). Una lente magnética enfoca

los fotoelectrones en la cadena de multiplicación de electrones llamada

cadena de dinodos (Figura 1.5). La sección de los dinodos colecta los

fotoelectrones y los multiplica de manera lineal, aumentando su número.

De esta forma son producidos 107-10

8 electrones, los cuales constituyen

A cristal de centelleo B contacto óptico

C fotomultiplicador

D fotocátodo E dinodos

F señal de salida

una buena señal de salida que es colectada en el último de los dinodos. Los

dinodos están conectados a una fuente de alto voltaje y a una serie de

divisores de voltaje. Así se logra una diferencia de potencial entre los

dinodos adyacentes de unos 100 V, confiriendo a los electrones 100 eV de

energía. Los dinodos están construidos de materiales con una alta

probabilidad de emitir electrones secundarios. Ya que se necesitan del

orden de 2-3 eV para liberar un electrón, es posible obtener una

multiplicación (ganancia) de entre 30 y 50 veces en el número de

electrones por dinodo en el caso ideal. En la realidad, dado que no todos los

electrones generados son capaces de atravesar el material que forma el

dinodo y dado que además no todos los electrones desprendidos de un

dinodo alcanzan el siguiente, la ganancia real es del orden de 5 veces en

cada dinodo. Debido a que la ganancia de cada dinodo depende de la

diferencia de potencial, cualquier cambio en el alto voltaje, producirá una

variación en el pulso de salida. Por ello suele ser necesario estabilizar la

fuente de alto voltaje.

Figura 1.5: Esquema de un fototubo.

Falta indicar A, B…en la fig

La salida de dinodo se toma

en un punto de la cadena de

luz

multiplicación antes del ánodo (último dinodo), por lo tanto el pulso de

dinodo tiene una amplitud menor que la del ánodo, como se puede ver en la

Figura 1.6, que muestra las salidas de ánodo y dinodo. La amplitud de la

salida de ánodo es 15 veces mayor.

Figura 1.6: Pulso de salida de ánodo

(derecha) y de dinodo (izquierda) del

fotomultiplicador.

Existe una amplia variedad de

fototubos y la elección está

determinada por parámetros tales

como tamaño, respuesta del

fotocátodo a las diferentes longitudes de onda, sensibilidad, ganancia, nivel

de ruido y tiempo de respuesta.

1.5.3 Detectores semiconductores

El principio de funcionamiento de los detectores semiconductores

puede asemejarse al de la cámara de ionización, donde el medio ionizable

en vez de un gas, consiste en un semiconductor de alta resistividad como el

Ge o el Si. La alta resistividad se alcanza mediante la formación de zonas

del material exentas de portadores libres o volumen efectivo. La ventaja de

los detectores semiconductores radica en la alta densidad del medio

ionizable implicando una considerable eficiencia de detección por unidad

de volumen efectivo del detector. Por otra parte, la energía necesaria para

producir un par de portadores de carga en los semiconductores es

aproximadamente 10 veces menor que en los gases y 100 veces menor que

en un centellador. Por lo tanto, para una misma energía, la cantidad de

portadores de carga producidos es mucho mayor en los detectores

semiconductores que en detectores de gases o centelladores, lo cual se

traduce en menores fluctuaciones estadísticas y por ende en una mejor

resolución en energía. La movilidad de los electrones y huecos es elevada y

por otra parte, el volumen efectivo del medio detector es reducido,

traduciéndose en un tiempo de recolección de cargas muy breve (del orden

del ns). Sin embargo, los inconvenientes tecnológicos de los

semiconductores son su alta conductividad en comparación con la de los

gases, lo cual conduce a la producción de ruido electrónico que puede

enmascarar la medición de partículas de muy baja energía. Los defectos en

su estructura cristalina (es decir, las vacancias y dislocaciones) producen

recombinación de los portadores y, por lo tanto, pérdida de algunos de

ellos, lo que resta eficiencia de detección.

1.5.3.1 Detectores semiconductores dopados

Para controlar la conducción eléctrica de los semiconductores son

añadidas pequeñas cantidades de materiales llamados dopantes. En el

proceso de dopado son introducidos en la red cristalina átomos con

valencia 3 o 5. En el caso de átomos de valencia 5 (P, As, Sb) cuatro de los

electrones forman enlaces covalentes con los átomos vecinos de Si o Ge. El

quinto se puede mover libremente a través de la red cristalina y forma un

conjunto de estados discretos donores justo bajo la banda de conducción.

Debido a que existe un exceso de portadores de carga negativa, este

material se llama semiconductor de tipo-n. Por otro lado, se pueden usar

átomos de valencia 3 los cuales intentan formar 4 enlaces covalentes con

los átomos vecinos de Si o Ge, produciendo vacantes (huecos cargados

positivamente). Estos forman estados aceptores justo sobre la banda de

valencia y el material recibe el nombre de semiconductor tipo-p debido a

que los portadores dominantes de carga son los huecos cargados

positivamente. Cuando se ponen en contacto un material de tipo-p y uno de

tipo-n, los electrones del semiconductor de tipo-n pueden difundirse a

través de la unión en el semiconductor de tipo-p y combinarse con los

huecos. En las proximidades de la unión p-n, los conductores de carga son

neutralizados, creando una región denominada zona de depleción. La

difusión de electrones de la región tipo-n deja atrás estados ionizados

donores fijos, mientras que en la región tipo-p quedan estados aceptores

fijos cargados negativamente. Se crea por tanto un campo eléctrico que

finalmente impide que la difusión continúe. Se forma una unión p-n típica

de un diodo.

Si alguna radiación penetra en la zona de depleción y crea un par

electrón-hueco, el resultado es muy similar al de una cámara de ionización.

De hecho, la zona de depleción tiene un gran parecido con un condensador

plano-paralelo. Los electrones fluyen en una dirección y los huecos en la

otra. El número de electrones recogidos crea un pulso electrico cuya

amplitud es proporcional a la energía de la radiación incidente.

En la práctica estos detectores operan con grandes voltajes inversos

(1000-3000V) que aumentan la magnitud del campo eléctrico en la región

de depleción haciendo más eficiente la recolección de la carga y

aumentando el ancho de la región de depleción, es decir el volumen

sensible del detector, forzando que más cargas se desplacen de un tipo de

material al otro.

A la hora de construir estos detectores se puede partir de un

semiconductor de tipo-p en el que se difunden átomos de Li. La capa de

tipo-n creada al producir detectores como Ge(Li) o Si(Li) es del orden de

1 m de grosor, la cual es fácilmente penetrada por rayos gamma de

energía media (el rango de un fotón de 100 keV en Ge es de unos 4 mm y

en Si es de unos 2 cm). Sin embargo, para partículas cargadas el alcance es

mucho menor, por ejemplo, para un electrón de 1 MeV, el alcance es de 1

mm en Si y Ge; mientras que el alcance es de tan sólo 0,02 mm en ambos

detectores para una partícula de 5 MeV. Así una capa del grosor de 1 mm

como puede tener la capa-n, impediría a las partículas alcanzar la zona de

depleción. Para partículas cargadas, la mejor elección es un detector de

barrera de superficie, en el que una capa tipo-p extremadamente fina se

deposita en una superficie de Si de tipo-n. Una fina capa de oro es entonces

evaporada en la superficie frontal para servir de contacto eléctrico. El

grosor total que las partículas deben penetrar para alcanzar la región de

depleción es de aproximadamente 0,1 mm. El tiempo necesario para

recoger la carga de un detector de gran volumen se encuentra en el rango

de 10-100 ns, dependiendo de la geometría del detector (plano o coaxial) y

en el punto de entrada de la radiación respecto a los electrodos. Este tiempo

es mucho menor que el que se tiene con una cámara de ionización, dado

que aquí el recorrido que deben hacer las cargas creadas se ve reducido en

varios órdenes de magnitud. La principal desventaja de este tipo de

detectores reside en que la distribución de Li a temperatura ambiente

resulta sumamente inestable, por lo que estos detectores se deben

almacenar y operar a bajas temperaturas (normalmente la que corresponde

a la de evaporación de nitrógeno líquido a presión atmosférica, 77 K).

1.5.3.2 Detectores semiconductores hiperpuros

A partir del logro de semiconductores de muy alto grado de pureza

(10-6

ppm; 1010

átomos de impureza/cm3) se puede obtener germanio de

resistividad específica sumamente elevada, que posibilita la producción de

de volumenes efectivos de aproximadamente 10 mm de espesor. Así se

pueden obtener detectores con volúmenes activos de detección

comparables a los Si(Li) o Ge(Li). Estos detectores reciben la

denominación de “hiperpuros”, ya sean de germanio o silicio y son

ampliamente utilizados en espectrometría de de alta resolución.

La configuración básica de un detector de germanio hiperpuro

(HPGe) es del tipo n+-p- p

+ (la designación + corresponde a alto grado de

dopaje). La zona n+

está generalmente constituida por un depósito de Li

logrado por evaporación y al cual se lo ha hecho migrar ligeramente por

efecto térmico. La zona de carga espacial queda constituida en la zona de

juntura n+ - p polarizada en inversa y el contacto p

+, por un depósito

metálico adecuado (ver Figura 1.7). Polarizando con valores

suficientemente altos de tensión la zona p+

negativamente respecto de la

zona n+, puede lograrse que el volumen efectivo se extienda a todo lo largo

de la región p y que los tiempos de colección se reduzcan suficientemente

para minimizar la recombinación de pares electrón-hueco que degradan la

resolución.

Figura 1.7: Configuración básica de un detector de Ge hiperpuro.

1.6. Electrónica asociada a los detectores

Los detectores modernos proveen una amplia información de la

radiación detectada en forma de un pulso eléctrico. Para extraer esta

información, la señal debe ser procesada por un sistema electrónico. Este

sistema debe estar diseñado para realizar una enorme variedad de tareas,

distinguir entre diferentes señales, extraer información de la energía de la

radiación incidente, determinar la diferencia temporal relativa entre dos

eventos, etc. Además, a partir de estos datos, “tomar decisiones”, como ser

aceptar o no un dado evento. Todas estas tareas se realizan mediante un

sistema electrónico modular. Además del detector se requiere de un

distribución de cargas

intensidad de campo

detector

conjunto de módulos electrónicos que convierten la señal analógica de

salida del detector en señales que pueden ser contadas y/o analizadas en

energía. El detector más el equipamiento electrónico se llama sistema de

contaje o sistema detector. La electrónica asociada en conjunción con los

detectores es diseñada bajo normas estandarizadas ya sea “Nuclear

Instrument Modules (NIM)” o “Computer Automated Measurements and

Control (CAMAC)”.

1.6.1 Gabinetes y módulos

Los dispositivos electrónicos básicos (amplificadores,

discriminadores, contadores, etc.) son construidos en forma de módulos de

acuerdo a especificaciones mecánicas y eléctricas estandarizadas. Estos

módulos se conectan en gabinetes estandarizados, de modo que cualquier

módulo puede ser conectado en cualquier gabinete. Por lo tanto, un sistema

electrónico específico puede ser fácilmente creado coleccionando los

módulos electrónicos necesarios, instalándolos en un gabinete y realizando

el cableado adecuado. Después de efectuado el experimento, los módulos

pueden ser transferidos, combinados con otros módulos para otro uso o

sencillamente almacenados para otro experimento. Esto hace que el sistema

sea enormemente flexible, permitiendo un diseño sencillo, intercambio

simple de módulos, fácil reemplazo de estos, etc., con la consecuente

reducción de costos y utilización eficiente de los instrumentos. La

alimentación a los módulos se suministra a través de conectores en la parte

posterior de cada uno de ellos, que encajan en el conector correspondiente

del gabinete, el cual se conecta a la línea. Aparte de las restricciones

mecánicas, de tamaño y en el voltaje de trabajo, el diseño individual de los

módulos es libre.

En el procesamiento de señales es importante distinguir entre dos

tipos de pulsos: el pulso lineal o analógico es un pulso que lleva

información en alguna de sus características (por ejemplo la amplitud o la

forma). Los pulsos lineales pueden diferir entonces en su forma o amplitud.

Por otro lado, un pulso lógico o digital es una señal de amplitud y forma

constantes, que lleva información sólo en su presencia o ausencia, o en el

preciso tiempo de aparición. En cierto modo, las señales lógicas llevan

menos información que las lineales, y son menos afectadas por las

distorsiones y el ruido introducido por el sistema analizador.

Las señales lógicas y analógicas se pueden dividir en dos grupos:

rápidas y lentas. Las señales rápidas se refieren a señales cuyo tiempo de

crecimiento es de unos pocos nanosegundos o menos, mientras que las

lentas tienen tiempos de crecimiento del orden de los cientos de

nanosegundos o más. Los pulsos rápidos son muy importantes para

aplicaciones temporales y altos contajes. En estas aplicaciones es

fundamental preservar el tiempo de crecimiento a lo largo del sistema

analizador. Los pulsos lentos, por el contrario, ofrecen mejor información

sobre la altura de pulsos para estudios espectroscópicos. En una rama

analizadora puede llegar a ser necesaria la utilización de ambos tipos de

señales. En este caso se debe tener en cuenta que los pulsos rápidos deben

ser tratados en forma diferente que los lentos. Esto se debe a que los pulsos

rápidos son fácilmente afectados por las inductancias, capacitancias y

resistencias de los circuitos y los cables conectores. Además, se deben tener

en cuenta las distorsiones debidas a las reflexiones en los interconectores

de los cables. Estas aparecen debido al corto tiempo de duración de los

pulsos rápidos con respecto al tiempo de tránsito en los cables.

El equipamiento electrónico básico para analizar la información a la

salida de un detector o un fototubo está formado esencialmente por: a)

fuente de alta tensión, b) pre-amplificador, c) amplificador y d) analizador

de altura de pulso y almacenador de información (multicanal). Un diagrama

en bloque se muestra en la Figura 1.8, donde se ha incluido también al

detector.

Figura 1.8: Esquema en bloques de un sistema de detección.

Todo detector requiere de un voltaje para operar, que puede variar

desde unos pocos voltios para detectores de barrera de superficie hasta

varios kilovoltios para detectores de fotones. Este voltaje se aplica

generalmente a través de un filtro en el pre-amplificador, excepto para los

detectores de centelleo en el que se lo aplicada al fototubo.

La cantidad de carga producida por la radiación es muy pequeña y

depende de la energía media necesaria para producir electrones, de modo

que es requerida una etapa de conformación de pulsos y amplificación. Esta

etapa está constituida por el pre-amplificador y el amplificador. El pre-

amplificador provee una amplificación inicial a la señal del detector y da

una señal de baja impedancia compatible con los módulos subsiguientes.

Para maximizar la relación señal-ruido es importante que el pre-

amplificador esté colocado lo más próximo posible al detector, lo cual

también reduce las capacitancias de entrada. Los pulsos de salida se

caracterizan por un rápido crecimiento seguido de una cola larga de forma

exponencial (ver Figura 1.9).

alta tensión

detector pre-amplificador amplificador

multicanal

Figura 1.9: Pulso de salida del pre-amplificador.

En el caso de los detectores centelladores, una considerable

amplificación se produce en la cadena de dinodos.

El amplificador lineal cumple dos funciones primarias: amplificar los

pulsos del pre-amplificador y dar forma al pulso. En ambos casos, el

amplificador debe preservar la información de interés. Si se requiere

información temporal, es necesaria una respuesta rápida. Si se desea

información en energías, el amplificador debe mantener una estricta

proporcionalidad entre los pulsos de entrada y salida (de allí el nombre de

amplificador lineal). El factor de amplificación o ganancia depende de la

aplicación, variando entre 10 y 500 veces. El amplificador lineal presenta

dos tipos de salida: una bipolar y otra unipolar (como las mostradas en la

Figura 1.10). La salida unipolar se encuentra retrasada unos 100 ms con

respecto a la bipolar. Además, presenta un ajuste (shaping time) que

permite variar el ancho del pulso.

Figura 1.10: Pulsos típicos generados por el amplificador. Unipolar (izquierda) y

bipolar (derecha)

Existe un amplificador con una función distinta, el llamado

amplificador biasado. Su función es amplificar una cierta porción de la

señal lineal. Esta función es particularmente útil cuando se requiere

expandir una región del espectro para un análisis en detalle. Para lograr

esto, el amplificador posee un nivel de corte variable (bias). Todos los

pulsos por debajo de ese nivel son descartados, mientras que a los pulsos

que se encuentran por encima de este valor, se les resta el nivel de corte.

Por lo tanto, solamente los pulsos que exceden el nivel son aceptados y

amplificados.

El análisis de la altura de los pulsos puede consistir de un simple

discriminador que establece “una ventana de altura de pulsos” y que

produce una salida lógica (ver Figura 1.11) o en un analizador de pulsos

que mide dicha altura y clasifica los pulsos de acuerdo a la misma. En el

primer caso se utiliza un módulo discriminador o analizador monocanal, el

cual da una señal lógica de salida sólo si el pulso lineal de entrada está

dentro del rango de alturas previamente establecido. El valor del nivel

puede ser escogido mediante potenciómetros ubicados en el frente del

módulo. También es posible, de la misma manera, ajustar el ancho de la

señal de salida. El principal uso del discriminador es bloquear las señales

de baja amplitud (ruido) provenientes del fotomultiplicador o el

amplificador. Los buenos pulsos son entonces separados del ruido y

convertidos en pulsos lógicos. En este aspecto, el discriminador actúa

esencialmente como un conversor analógico - lógico de altura constante

igual a 1V. El discriminador presenta dos pulsos de salida, uno lento

positivo y otro rápido negativo.

Figura 1.11: Pulsos lógicos del analizador monocanal.

El segundo tipo de análisis se realiza con un analizador multicanal.

El principio del funcionamiento consiste en clasificar los pulsos de entrada

según su amplitud en diferentes categorías, llamadas canales y acumular

separadamente el número de pulsos en cada canal. El multicanal está

constituido por tres bloques principales que cumplen distintas funciones

específicas. La Figura 1.12 muestra un diagrama de bloques elemental de

un analizador multicanal de altura de pulsos.

señal a

analizar selector

convertidor

analógico

digital

acumulador

multicanal

Figura 1.12: Diagrama de bloques de un analizador multicanal de altura de pulsos.

El selector permite el pasaje de las señales que satisfacen algún

criterio de aceptación, para su posterior análisis. Está formado al menos por

un conjunto analizador monocanal de altura de pulsos de entrada y una

compuerta lineal, cuya función es la de permitir el pasaje de sólo los pulsos

de entrada cuya amplitud se encuentre dentro del rango de entrada del

analizador. El convertidor analógico-digital clasifica las señales de entrada

de acuerdo a su altura, generando un número proporcional a la misma. Esta

información es guardada en el acumulador multicanal en forma de

histograma. Esto constituye la salida del sistema y puede visualizarse en

forma de espectro o mediante el trazado gráfico vía algún otro

equipamiento externo. De este modo, a cada señal de voltaje de entrada se

le asocia un número de canal, elegido como la parte entera de una cantidad

proporcional a la altura del pulso. Hay dos parámetros importantes que

deben tenerse en cuenta, la altura máxima de los pulsos admisibles (Vmax),

generalmente 10 V y el número total de canales (memorias) que es 2N, por

ejemplo 2048. Con 10 V y 2048 canales, los pulsos de altura V se ubicarán

en el canal i de acuerdo a la siguiente expresión:

max

2N Vi

V 1.7

De modo que, a cada canal i está asociada una memoria en la cual se

almacena un número entero ni eventos que constituyen el contenido del

canal. Cada vez que un evento es detectado en el canal i, el contenido ni se

aumenta en una unidad:

1i in n . 1.8

Las 2N memorias tienen entonces el rol de contabilizar los números

de eventos en cada canal, es decir, ya que las alturas de los pulsos son

proporcionales a las energías depositadas en el detector, el número de

eventos comprendidos entre E y E+E. Resta ahora asociar a cada canal la

energía correspondiente. Esta operación se realiza mediante la obtención de

espectros de fuentes radioactivas de energías conocidas, obteniéndose así la

curva energía vs canal de calibración en energía.

1.7. Selección del equipamiento

La selección del equipamiento depende de la aplicación en particular,

los factores que deben tenerse en cuenta incluyen:

- Tipo de radiación a medir y rangos de actividades.

- Tipo de medida a realizar, determinación de actividades o sólo

identificación de presencia de radioactividad.

- Respuesta del instrumento a la energía.

- Respuestas no deseadas y superposiciones de señales.

- Velocidad de respuesta del instrumento.

- Sensibilidad y rango de respuesta requeridos.

- Facilidad en el uso del instrumento.

- Respuesta a la temperatura, humedad, radiofrecuencias, campos

magnéticos ambientales, etc.

- Seguridad intrínseca en lugares con explosivos o inflamables.

- Fácil descontaminación.

- Disponibilidad de alimentación y expectativa de uso.

- Costo inicial y de mantenimiento.

1.7.1 Detección de partículas alfa

Existen varios tipos de detectores que pueden ser usados para la

medida de nucleídos emisores , como las cámaras de ionización,

contadores proporcionales, centelladores líquidos y plásticos o

semiconductores. Las cámaras de ionización tienen alta eficiencia de

contaje pero muy pobre resolución en energía. Los contadores

proporcionales y los centelladores líquidos tienen la ventaja de que el

emisor puede ubicarse dentro del contador, permitiendo detectar la

radiación en un ángulo sólido de 4. Los detectores semiconductores son

normalmente usados para la determinación de emisores en muestras

ambientales y residuos, cuando se necesita información espectroscópica.

En estos casos se utilizan detectores de Si de barrera de superficie o

implantados debido a su superior resolución. La eficiencia está en el rango

entre el 10% y el 45%, mientras que la resolución en energía varía entre

15 keV y 55 keV. A pesar que la resolución en energía de estos detectores

es buena, las pequeñas diferencias en las energías de la partículas

emitidas por diferentes nucleídos torna difícil separar los picos asociados a

los diferentes radionucleídos, como en el caso del 241

Am y del 238

Pu, o del

237Np, del

233U, del

234U y del

230Th. Por lo tanto es importante realizar una

buena separación química del radinucleído de interés de la matriz estudiada

y de los radionucleídos que interfieren. Así mismo, la autoabsorción en la

fuente reducirá la eficiencia de contaje y empeorará la resolución en

energía del espectro. Por esta razón es esencial la preparación de fuentes

delgadas. Esto puede lograrse por electrodeposición en discos de acero

inoxidable. También son usados la evaporación, co-deposición,

electrospray, precipitación electrostática, deposición espontánea, láminas

moleculares y sublimación en vacío.

La principal desventaja de la espectroscopía es el largo tiempo

requerido para el análisis el cual resulta de los largos y costosos

procedimientos de separación y de los largos tiempos de adquisición de

datos. En muestras ambientales, la concentración de radionucleídos es

usualmente muy pequeña requiriendo de 1 a 10 días de adquisición de

datos para muestras con actividades menores a 10 mBq. Esto hace que la

capacidad analítica de estos métodos sea baja. Sin embargo, debido al costo

relativamente bajo del equipamiento estándar y de su mantenimiento, los

laboratorios de radioquímica y radioactividad ambiental están equipados

con varias unidades detectoras. Cabe destacar que los factores mencionados

anteriormente hacen que la espectroscopía no sea adecuada para una

determinación rápida en situaciones de emergencia, las cuales requieren

respuestas rápidas.

1.7.2 Detección de partículas beta

Las actividades de los nucleídos emisores pueden ser medidas por

detectores gaseosos tales como cámaras de ionización, detectores de flujo

gaseoso o Geiger-Müller. Los contadores Geiger-Müller se los utiliza en el

caso de nucleídos emisores de electrones de alta energía debido a que los

de baja energía son absorbidos en la ventana que separa el gas de la

muestra. La eficiencia de este tipo de detectores varía entre el 10% y el

70% dependiendo de la energía de los electrones, el espesor de la fuente y

de las características del contador. Para análisis medioambiental y residuos

de baja actividad se requiere un contador de bajo nivel, el cual se obtiene

reduciendo el contaje de fondo a valores tan bajos como 0,1 cuentas/min

mediante el uso de cámaras de apantallamiento, permitiendo alcanzar un

límite de detección de 1,5 mBq para 99

Tc y 90

Sr. Sin embargo, los

detectores de Geiger-Müller carecen de resolución en energía y por lo tanto

cualquier actividad de un radionucleído desconocido en la muestra debe

identificarse por otros medios, tal como la determinación de la vida media.

Los centelladores líquidos, también usados en la determinación de

radiación , tienen ventajas en la detección de electrones de baja energía

debido a la ausencia de atenuación cuando la muestra a analizar está

inmersa en el centellador, pudiendo usarse así para la medida de electrones

de baja y alta energía. A pesar de su relativamente pobre resolución en

energía permiten la identificación de actividades de radionucleídos.

Además poseen una baja autoabsorción, alta eficiencia, permiten una

distribución homogénea de la muestra en el líquido centellador, tienen

procedimientos de preparación de muestras relativamente simples y fácil

estandarización del uso de patrones internos o externos. Otra propiedad que

tienen estos detectores es posibilidad de determinación de radionucleídos

que decaen por conversión interna o captura electrónica mediante la

medida de los electrones Auger producidos durante estos procesos de

decaimiento. Sin embargo debido a la baja energía de estos electrones (<20

keV) la eficiencia de conteo es baja, del orden del 30%. Comparado con el

Geiger-Müller, la velocidad de conteo de fondo es mayor (0,5

cuentas/min), resultando así el límite de detección del 99

Tc en 25 mBq.

Debido a la distribución continua de energía de los electrones en el

decaimiento , esta espectroscopía es una herramienta pobre para

identificar las contribuciones individuales a un espectro. Por lo tanto, la

identificación de nucleídos emisores requiere, como en el caso de los

emisores , de la separación química de los radionucleídos de interés. A

pesar de dicha separación, varios isótopos de un mismo elemento pueden

estar presentes en la muestra, como el 89

Sr y 90

Sr y aún cuando los isótopos

emitan electrones de energías discretas, los electrones generados en la

relajación de los niveles atómicos tienen una distribución de energía

complicada que impide un análisis certero.

1.7.3 Detección de fotones

Entre los detectores que pueden ser usados para la detección de rayos

figuran los detectores de centelleo con cristales de NaI, CsF y ZnS,

contadores gaseosos y detectores semiconductores basados en Si dopado

con Li, HPGe, CdTe y GaAs. Debido a su alta resolución en energía, desde

su introducción en el mercado en 1970, los detectores basados en Si(Li) y

Ge(Li) son intensamente usados para medidas de espectroscopía de

muestras biológicas, ambientales y de residuos. El último desarrollo de los

detectores de Ge en los 80 usando Ge hiperpuro hizo que el mantenimiento

del detector sea sencillo, dado que pueden mantenerse a temperatura

ambiente sin daño. Este adelanto condujo a un reemplazo paulatino de los

detectores de Si(Li) y Ge(Li) por los HPGe en muchos laboratorios, a pesar

de las prestaciones similares de los detectores. El desarrollo más reciente

en esta espectroscopía es la introducción de detectores de Ge de gran

volumen lo que ha producido un aumento de la eficiencia, disminuyéndose

notablemente los tiempos de adquisición de datos.

Los detectores de Si(Li) o pequeños detectores planares de Ge son

normalmente utilizados en medidas de fotones de baja energía (<100 keV),

con una resolución en energía de 0,15 keV a 5,9 keV. Mientras que los

detectores de Ge de gran volumen son más adecuados para la

determinación de rayos de mayor energía (> 25 keV), teniendo

generalmente una resolución en energía de 2 keV para la línea del 60

Co de

1332 keV. Dado que la radiación puede penetrar grandes distancias en la

muestra sin absorción significativa, especialmente la de alta energía, las

muestras no necesitan tratamientos complicados antes de su análisis,

minimizando el riesgo de contaminación durante la preparación de las

mismas. Las características de estos detectores hacen que sea posible la

medida simultánea de un conjunto de radionucleídos sin la necesidad de

realizar procedimientos de separación química. Debe tenerse en cuenta que

la eficiencia de estos detectores es baja (10% de eficiencia absoluta) y varía

con la energía de los fotones, distancia fuente-detector y tamaño del cristal

detector. Actualmente se han desarrollado detectores con eficiencias más

altas dependiendo del volumen del detector. El contaje de fondo es del

orden de 10 cuentas/h para el rayo de 661,6 keV del 137

Cs y mayor que

25 cuentas/h para el rayo de 59,5 keV del 241

Am, variando con el

apantallamiento del detector. El límite de detección es típicamente mayor

que 50 mBq, algunos órdenes de magnitud mayor que en el caso se

espectroscopía y , pero depende del apantallamiento del detector, los

radionucleídos de interés y la interferencia de radionucleídos.

1.7.3.1 Formación de un espectro gamma

La forma del espectro de la radiación , es decir el número de

cuentas detectadas en función de la energía, depende de las secciones

eficaces de interacción de los fotones con el detector, la geometría, etc. En

el caso de una fuente radioactiva monoenegética, el espectro gamma está

formado por la suma de las contribuciones originadas en la interacción de

los procesos fotoeléctrico, Compton y de formación de pares, tal como se

observa en la Figura 1.13.

En el caso de absorción fotoeléctrica, la vacancia creada por la

eyección del fotoelectrón es rápidamente llenada por la reacomodación de

los electrones mediante la emisión de rayos X y procesos Auger. Los rayos

X así producidos pueden también ser absorbidos por el medio por procesos

fotoeléctricos. De modo que, conjuntamente con el electrón del proceso

inicial, se originan uno o más electrones secundarios. Dado que la energía

cinética de los todos electrones resulta igual a la del fotón, se forma un pico

centrado en la energía de los fotones incidentes (ver Figura 1.13).

E

2E /(1+2

inte

nsid

ad

E /(1+2

pico de retrodispersión

borde Compton

fotopico

meseta Compton

Figura 1.13: Espectro gamma de una fuente monoenergética.

En cambio, el resultado de una interacción Compton del fotón

incidente con el detector es la creación de un electrón y un rayo

dispersado, dependiendo la energía de ambos de los ángulos de dispersión.

En particular, la energía cinética ganada por el fotoelectrón varía en forma

continua (Ec. ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.). Este

proceso da lugar a la formación de la meseta Compton (ver Figura 1.13).

Cuando los fotones interactúan con los elementos del medio que rodea a la

fuente radioactiva pueden ser retrodispersados por los átomos de los

materiales circundantes y así alcanzar el detector con una energía menor a

la del fotón original. Este proceso da lugar a un pico llamado de

retrodispersión sobre la meseta Compton (Figura 1.13).

Otro proceso significativo de interacción de los fotones con el

detector es la formación de pares mediante la creación de un par electrón-

positrón por fotones de energía superiores a dos veces la masa en reposo

del electrón, el cual se aniquila dando lugar a dos fotones de 511 keV. Los

fotones de aniquilación pueden escapar del cristal detector o sufrir una

interacción posterior dentro del mismo. Estas interacciones adicionales

pueden conducir a la absorción total o parcial de uno o ambos fotones de

aniquilación, dando lugar a picos de 1022 keV y/o 511 keV con sus

correspondientes bordes Compton.

La forma particular de cada espectro depende del tipo de detector

utilizado, por ejemplo, se comparan en la Figura 1.14 el espectro de 137

Cs

tomado con un detector de INa(Tl) y con un detector de HPGe. Debe

remarcarse aquí la diferencia en la resolución en energía y en la altura

relativa fotopico/meseta Compton. Estas diferencias están relacionadas con

las secciones eficaces de los procesos involucrados que dependen de

características del cristal con el que están fabricados los detectores.

400 500 600 700

cu

en

tas

Energía (keV)

Figura 1.14: Comparación de espectros monoenergéticos tomados con NaI(Tl) y

HPGe.

Bibliografía

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