Detección y medición de radiación Jorge M. Escobar jorgemescobar@hotmail.com Medicina Nuclear-Bioingeniería

Introducción Debido al detrimento en la salud que ocasiona en los humanos la exposición a la radiación ionizante, ésta debe ser monitoreada A los instrumentos de medición se los clasifica en monitores de vigilancia de área (monitores de área) e instrumentos de dosimetría personal (dosímetros individuales) Todos deben ser calibrados en términos de alguna magnitud apropiada para poder ser usados en Protección Radiológica

Detectores Los instrumentos de radiación usados como monitores de vigilancia son detectores de gas o detectores de estado sólido Los detectores gasesoso dependiendo del gas y el voltaje aplicado entre electrodos, pueden operar en la región de cámara de ionización, proporcional o Geiger Müller Los detectores de estado sólidos pueden ser de cristales de escintilación o materiales semiconductores

Detectores gaseosos

Detectores gaseosos Trabajan bajo el principio de gas multiplication o gas amplification. Esta es la condición en la cual los electrones libres nacidos de alguna ionización pueden generar suficiente energía cinética, a partir de un campo eléctrico aplicado y dentro de su camino libre medio, para ionizar otras moléculas del gas en el cual se encuentran inmersos. Así un simple electrón puede iniciar una “avalancha” a medida que los otros electrones libres se duplican rápidamente en su camino hacia el ánodo.

Detectores gaseosos

Detectores gaseosos Son de geometría cilíndrica, con un delgado alambre axial como ánodo y las paredes del cilíndricas como el cátodo. Esta geometría permite al gas envolver completamente al ánodo La pared externa es de material tejido equivalente para cámaras de ionización y de cobre o bronce para el resto de los detectores La ganancia esta dada por el número de electrones que llegan al ánodo por electrón liberado por ionización del gas. Depende de la geometría del detector, del potencial aplicado, del gas (no electronegativo) y de su presión

Detectores gaseosos

Detectores gaseosos Cámaras de ionización En la región de ionización el número de iones primarios colectados es proporcional a la energía depositada por el trayecto de la partícula en el volumen del detector Capas de build-up pueden ser usadas para mejorar la detección cuando se miden radiación de alta energía, y deben ser removidos cuando se miden fotones de baja energía (10-100 KeV) y partículas beta

Detectores gaseosos Contador proporcional Es una cámara de ionización amplificada con su salida medida en términos del número y amplitudes de pulsos individuales en lugar de cargas colectadas. Son usados con o sin analizadores de pulsos. Los primeros son usados en laboratorios de microdosimetría, como el contador Rossi. Los otros son usados como monitores.

Detectores gaseosos Contador proporcional (ventajas) Longitud de pulsos muy cortas (aprox. 1 useg) con tiempos muertos muy bajos y capacidad de sensar altas tasas de radiación Capaces de discriminar radiación de fondo o radiación gamma interaccionando en un campo de gamma más neutrones

Detectores gaseosos Geiger Müller En esta región las descargas se esparcen por todo el volumen del detector y los pulsos generados se hacen independientes de la ionización primaria o de las partículas Los detectores de gas no pueden operar a una tensión mayor a la del Geiger ya que producen una continua descarga Debido a su gran amplificación son usados para niveles muy bajos de irradiación Exhiben una fuerte dependencia energética para fotones de baja energía por lo que no son adecuados para el uso de radiaciones pulsadas

Detectores gaseosos Geiger Müller No requieren prácticamente amplificación Son baratos y versátiles en su construcción y geometría Son muy usados en como monitores de radiación sobre todo con campos de rayos gamma y X. En equipos con delgadas ventanas (aprox 1mg/cm2) son usados como detectores b Tiempo muerto importante. Existen algoritmos para corregirlo.

Detectores gaseosos Geiger Müller. Tiempo muerto m es el count rate observado n es el count rate real es el tiempo muerto El t puede ser encontrado usando métodos como el descripto por Knoll.

Detectores gaseosos

Detectores gaseosos Detectores de área para neutrones Trabajan en la región proporcional de forma que los fotones de fondo pueden ser discriminados Usualmente tienen un recubrimiento interior de un compuesto borado o está relleno su interior con un gas borado como el FB3 Los neutrones térmicos interactúan con los núcleos de Boro causando una reacción (n,a) y las partículas alfa son fácilmente detectables por sus interacciones ionizantes Para detectar neutrones rápidos, el detector es cubierto por un material hidrogenado.

Detectores gaseosos

Detectores de centelleo Algunas sustancias transparentes, que incluyen sólidos, líquidos y gases pueden escintilar (emitir fashes de luz visible) como resultado con la acción de la radiación ionizante. A través de la aplicación de detectores sensibles a la luz tales como tubos PM, la luz emitida puede ser convertida en señal eléctrica. El fotoelectrón es amplificado por 107 veces al pasar a través de una serie de dínodos en el tubo

Principio de detectores de centelleo La radiación incidente interactúa con el material Los átomos son llevados a estados excitados Los estados excitados emiten luz visible: fluorescencia La luz impacta en la superficie fotosensible Liberación de fotoelectrón Amplificados por los dínodos

Detectores de centelleo Para aplicaciones dosimétricas donde los tejidos blandos son los materiales dosis relevantes, materiales plásticos como el NE102, materiales líquidos como el NE213 y cristales orgánicos como el Antraceno son muy utilizados Entre los materiales inórganicos los más usados son el NaI(Tl) y el CsI(Tl)

Detectores de centelleo Son muy usados en Medicina Nuclear Tienen muy buena resolución temporal por lo que pueden ser usados para mediciones de coincidencia como PET. Pueden ser de casi cualquier forma y tamaño deseado. Los escintiladores, como el INa, han sido muy usados en aplicaciones de espectrometría de rayos X y gamma. Actualmente son reemplazados en muchos casos por semiconductores Si(Li) y Ge(Li) que poseen mejor resolución energética.

Detectores semiconductores Son dispositivos que convierten la ionización producida en un cristal directamente en un pulso eléctrico, el cuál es amplificado, analizado y registrado en una escala Esencialmente es un bloque de material con electrodos adjuntados a las caras opuestas sometido a un voltaje La ionización dentro de bloque produce una cantidad de pares iónicos equivalentes a los de una cámara de ionización

Detectores semiconductores

Detectores semiconductores Los materiales usados el Si y el Ge, los cuales son no conductores en estado normal, pero que permiten a los iones producidos por radiación emigrar a los electrodos colectores y producir pulsos eléctricos Los semiconductores tienen una gran resolución si uno está interesado en detectar picos monoenergéticos y espectros de rayos x Son los que mejor relación tamaño/sensibilidad tienen

Detectores semiconductores La sensibilidad de estos detectores es 104 veces mayor que sus iguales gaseosos debido a que la energía promedio requerida para generar un par iónico es bastante menor y además por poseer los materiales sólidos un d mayor que el aire. Estas propiedades permiten la miniaturización de los instrumentos monitores de radiación de estado sólido

Detectores semiconductores

Características de monitores de vigilancia Indicador visual de baja batería Autozeroing, autorango y luz de fondo Memoria y respuesta variable en el tiempo Operación en tasa o tasa integrada Display analógico o digital (exposición o dosis) Audio indicación de la radiación Nivel de radiación ajustable Visual indicación LED de radiación