DETECTORES CENTELLEADORES
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DETECTORES CENTELLEADORES |
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Una desventaja de los contadores gaseosos es su baja eficiencia para muchas radiaciones de interés en física nuclear: el rango de un rayo gamma de 1 MeV en aire es del orden de 100 m. Los detectores sólidos tienen densidades más altas que dan probabilidades de absorción razonables para un tamaño normal del detector.
Para crear un detector sólido se debe adquirir un compromiso entre dos criterios enfrentados:
La primera condición parece exigir un material aislante, mientras que la segunda sugiere usar un conductor. El compromiso obvio es un semiconductor, tal como veremos. Materiales semiconductores de tamaño suficientemente grande para construir detectores de radiación útiles (decenas de cm3) no llegaron a estar disponibles hasta finales de la década de los 60 y para cubrir la necesidad de dispositivos espectroscópicos nucleares de alta eficiencia y una resolución razonable, los contadores centelleadores fueron desarrollados durante los años 1950.
Los contadores centelleadores solucionan el dilema de la elección del material del siguiente modo: los electrones que se forman en el proceso de ionización no son los mismos que los del pulso electrónico. El intermediario entre ambos es la luz ordinaria.
El proceso completo es como sigue:
1) - La radiación incidente interacciona con los átomos y moléculas del material excitándolos.
2) - Los estados excitados se desexcitan emitiendo luz visible (o próxima al visible) de fluorescencia.
3) - La luz llega a una superficie fotosensible arrancando fotoelectrones.
4) - Los electrones se aceleran y se multiplican para formar un pulso eléctrico en el tubo fotomultiplicador.
Esquema del funcionamiento de un centelleador
Existe una amplia variedad de centelleadores y tubos fotomultiplicadores disponibles, dependiendo de la aplicación en la que se va a usar. Las propiedades que hay que considerar en la elección del material incluyen la fracción de la energía incidente que aparece como luz, la eficiencia (la probabilidad de que la radiación sea absorbida), el tiempo de respuesta y la resolución en energía.
Para entender como funciona un centelleador, debemos considerar el mecanismo por el cual la energía puede ser absorbida excitando electrones atómicos. Hay dos tipos básicos de detectores, aquellos compuestos de materiales orgánicos y aquellos de materiales inorgánicos.
En los centelleadores orgánicos (que pueden ser líquidos o sólidos), la interacción entre las moléculas son relativamente débiles, y podemos ver sus propiedades en términos de los estados excitados discretos de las moléculas. Hay dos modos en los que las moléculas absorber la energía: los electrones pueden ser excitados a estados electrónicos superiores (saltos entre niveles electrónicos), o bien los átomos de la molécula pueden empezar a vibrar (saltos entre niveles vibracionales). Las energías típicas vibracionales son del orden de 0.1 eV, mientras que las energías de excitación electrónicas son del orden de unos pocos eV. La siguiente figura, esquematiza bien todo esto:
Esquema de los niveles electrónicos y vibracionales de una molécula
Los electrones excitados son generalmente aquellos que no están muy implicados en la ligadura de la molécula. En los hidrocarburos aromáticos, tales como los que presentan la estructura de anillo del benceno, tres de los cuatro electrones de valencia del carbono están en orbitales híbridos s que están localizados entre cada carbono, sus dos carbonos vecinos y un hidrógeno. El cuarto electrón, que está en un orbital p, no está tan localizado y no participa tanto en el proceso de ligadura entre los átomos como los electrones s. Es este electrón p el que es responsable principalmente del proceso de centelleo.
La radiación incidente interacciona con muchas moléculas, perdiendo unos pocos eV en cada interacción al excitarlas. Muchos posibles estados vibracionales pueden ser excitados (y también muchos posibles estados electrónicos). Los estados vibracionales excitados decaen rápidamente (~ 1 ps) al estado vibracional fundamental, el cual entonces decae (en un tiempo del orden de 10 ns) a uno de los estados vibracionales del estado electrónico fundamental que a su vez decae rápidamente a su estado vibracional fundamental correspondiente.
En circunstancias normales, a temperatura ambiente todas las moléculas de un centelleador están en el estado más bajo vibracional del estado electrónico fundamental: A la energía térmica k.T = 0.025 eV le corresponde una población siguiendo una distribución de Boltzmann:exp(-E/kT), de modo que es muy improbable que haya estados vibracionales excitados a esa temperatura. Esto hace que sólo uno de los fotones que se emiten en las muchas posibles transiciones tenga probabilidad de ser absorbido por el propio centelleador. Esto representa una importante propiedad: un centelleador deber ser transparente a su propia radiación.
De los centelleadores inorgánicos, el más común está formado por un único cristal de una sal alcalina como el NaI. Se necesita que sea un monocristal para obtener transparencia: la reflexiones y absorciones en las caras del cristal harían inservible al centelleador. Las interacciones entre los átomos en un cristal hacen que los niveles discretos de energías se ensanchen formando una serie de bandas de energía. Las dos bandas superiores son la banda de valencia y la banda de conducción. (Ver Figura). En un material aislante como el NaI, la banda de balencia está generalmnete llenay la banda de conducción vacía. Una radiación incidente puede excitar un electrón, hacerle saltar el gap de energía (de unos 4 eV) y llevarlo a la banda de conducción. En un momento dado, este electrón, perderá esta energía, emitiendo un fotón y cayendo de nuevo a la banda de valencia.
Bandas de energía en un cristal. A la izquierda se muestran los procesos característicos de un cristal puro como el NaI. A la derecha, los procesos de un cristal con impurezas: NaI(Tl).
Para aumentar la probabilidad de emisión de fotones y reducir la auto-absorción de luz, pequeñas cantidades de impurezas llamadas activadores se añaden al cristal. Un activador que se usa comunmente es el thalio, formando detectores como el NaI(Tl). El activador proporciona estados discretos de energía en el gap y la emisión de luz tiene lugar entre los estados del activador. En el caso del NaI, la longitud de onda máxima de emisión cambia de los 303 nm del cristal puro a los 410 nm del cristal con impurezas. La absorción a esta energía no se puede dar en el NaI(Tl) dado que los niveles fundamentales del activador no estan poblados y el cambio de longitud de onda del ultravioleta al visible permite aprovechar la región de máxima sensibilidad de la mayoría de los tubos fotomultiplicadores.
En la siguiente tabla, se muestran algunas propiedades de algunos detectores centelleadores que se emplean normalmente.
NOMBRE
TIPO
l (nm)
t (ns)
Efic.Relat
Anthracene
Sol. orgánico
447
30
0.43
Pilot B
Sol. orgánico
408
1.8
0.30
NE 213
Liq. orgánico
425
3.7
0.34
NaI(Tl)
Cristal inorg.
410
230
1.00
CsF
Cristal inorg.
390
5
0.05
En la tabla, el tiempo hace referencia al tiempo de respuesta del detector (que es bastante rápido, del orden de los ns) y la eficiencia relativa se calcula respecto al NaI(Tl) (que es el que mayor eficiencia presenta) e incluye la eficiencia de absorción del fotón y de laemisión de la luz de salida.
La elección de uno u otro centelleador, dependerá principalmente del tipo de experimento que se va a realizar. Porejemplo, si se busca una alta eficiencia para rayos gamma se usa normalmente el NaI(Tl), dado que la alta Z (53) del Yodo da una alta probabilidad para la absorciónde fotones. Sin embargo, si se busca un corto tiempo de respuesta, el NaI(Tl) no es muy bueno, y los relativamente poco eficientes centelleadores plásticos pueden ser una mejor elección.
El acoplo de un centelleador a un fotomultiplicador puede hacerse de varias formas. Algunas combinaciones detectores-tubo se venden ya como una unidad sellada. Los detectores NaI(Tl) pueden ser colocados en contacto directo con el cristal del tubo fotomultiplicador usando una sustancia transparente que minimiza las reflexiones internas. Algunas veces la geometría de los fotomultiplicadores es muy distinta de la de los centelladores, o deben ser colocados lejos de los centelleadores (para eliminar los efectos de los campos magnéticos, por ejemplo). En estos casos se emplea una guía de luz entre ambos.
Izquierda: Selección de centelleadores de NaI, algunos con fotomultiplicadores acoplados. Derecha: Centelleador grande de NaI unido a siete fotomultiplicadores.
Un esquema del funcionamiento de un fotomultiplicador aparece en la siguiente figura. Un pequeño número de electrones (menor que el número de fotones incidentes) son liberados en el fotocátodo, multiplicados y focalizados por una serie de electrodos llamados dínodos.
Esquema de un fotomultiplicador. Los electrones liberados del cátodo son atraidos al primer dínodo y multiplicados. Cada sucesivo dínodo a un potencial mayor que el anterior. Un tubo típico tiene de 10 a 14 dínodos. a cada paso, el número de electrones es aumentado en un factor del orden de 5.
Los dínodos están conectados a una fuente de alto voltaje y a una serie de divisores de voltaje. Así se logra una diferencia de potencial típica entre los dínodos adyacentes es de unos 100 V, y por tanto, los electrones impactan los dínodos de unos 100 eV de energía. Los dínodos estan construidos de materiales con una alta probabilidad de emitir electrones secundarios. Puede llevar 2-3 eV para liberar un electrón y por tanto una ganancia den el número de electrones de 30-50 es posible. Sin embargo, los electrones son liberados en direcciones aleatorias en el material, y relativamente pocos serán realmente liberados en la superficie, y una ganancia de 5 en cada dínodo es más común. Incluso así, con un tubo de 10 dínodos, la ganancia total será de 510 (~107).
En los espectrómetros de energía, dos importantes características son la linealidad y la estabilidad. La linealidad implica que la amplitud de un pulso de salida debe ser directamente proporcional al numero de eventos originales en el centelleador, y por tanto a la energía depositada en el detector por la radiación. Debido a que la ganancia de cada dínodo 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.
Existe una amplia variedad de tubos, y su elección puede venir determinada por parámetros como el tamaño, la respuesta del fotocátodo a las diferentes longitudes de onda, su sensibilidad, la ganancia, el nivel de ruido y su tiempo de respuesta.
