DETECTORES DE RADIACIÓN IONIZANTE

Transcripción

1 DETECTORES DE RADIACIÓN IONIZANTE Objetivos Conocer el funcionamiento físico los diferentes tipos de detectores Identificar cual tipo de detector es recomendable usar con cada tipo de energía Introducción Para la detección de la radiación se utilizan equipos formados con 2 partes: 1- El detector propiamente dicho. 2- Procesador de la información. Los métodos de medición de las magnitudes que caracterizan las radiaciones ionizantes se fundamentan en la detección de los efectos de las partículas secundarias surgidas durante el proceso de ionización del medio al paso de las radiaciones. El detector propiamente dicho forma la señal de energía y la transforma de tal manera que sea entendible para leer, mediante la transformación, toma la señal y la hace entendible para el observador. Estos dispositivos que toman una señal de entrada y la modifican en señal de salida conservando la información se llama transductor y se clasifican en 2 partes: 1- El tiempo que dure en dar respuesta, puede ser inmediato o retardado. 2- Tomando en cuenta el fenómeno físico involucrado en la detección, que puede ser por excitación o por ionización Tipos de Detectores Detectores inmediatos por ionización Estos son detectores gaseosos, esta cámara tiene un gas, estilo fluorescente, donde esta cámara está sometida a una diferencia de potencial. Y cuando se somete a un campo de radiaciones ionizantes, las partículas de gas se ionizan y se generan pares iónicos, dirigiéndose estos a los electrodos,

2 produciendo una señal eléctrica, o dicha de otra forma, produciendo una señal de diferente potencial. Ej. 1-Las cámaras de ionización las cuales generan corrientes muy bajas Ǻ a 10-2 Ǻ-. Donde las actitudes de los impulsos son muy pequeños, por lo tanto, estos equipos no son prácticos para ser utilizados en contaje de eventos (Fuentes radioactivas perdidas, para partículas alfa α y/o partículas beta β). En general se utilizan para monitoreo de áreas o para determinación de la intensidad de campos de radiación para rayos X. 2- Como segundo tipo de detector gaseoso tenemos los contadores proporcionales donde la amplitud de los impulsos guarda proporcionalidad tanto con la energía transmitida de las partículas ionizantes que interactúan con el detector, como con los diferentes potenciales. Donde la amplitud del impulso eléctrico es grande, por lo tanto es un detector que se puede utilizar para el contaje de eventos. Y su uso frecuente es en el área de espectrometría. En protección radiológica el uso más frecuente es el monitoreaje de contaminaciones superficiales dadas por partículas alfa y beta (α y β). 3- Otro ejemplo de detectores gaseoso tenemos los contadores Geiger- Müller, donde la amplitud de la señal eléctrica es independiente de la energía y naturaleza de la partícula; por lo tanto, es el detector de mayor amplitud de los detectores gaseosos, o sea, tienen un mayor rango. 4- Otro tipo de detector gaseoso son los detectores semiconductores, donde su principio de funcionamiento es similar al de las cámaras de ionización y donde el medio ionizable gaseoso es semiconductor y tienen las siguientes ventajas: Alta densidad del medio ionizado con una eficiencia por unidad del volumen efectivo. La energía necesaria para crear los pares iónicos es 10 veces menor que la de los gases, produciendo mejor resolución.

3 Tiene un volumen efectivo menor que implica tiempo de recolección de cargas muy breves. Los detectores inmediatos por ionización tienen las siguientes desventajas: Alta conductibilidad con respecto a los gases produciendo ruido, lo que evita la medición de partículas de baja energía. Presenta defectos en su estructura cristalina lo que provoca deficiencia de detección. El gráfico 1 a continuación muestra el rango de trabajo de los diferentes equipos de medición. En estas regiones para un detector típico; se grafica el número de iones colectados en los electrodos contra el voltaje aplicado, para partículas alfa y beta respectivamente. 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 que se recombinen. Por el peligro de perder información, esta región normalmente no se usa. En la región de voltaje II, el número de iones colectados no cambia si se aumenta el voltaje. Se recogen en los electrodos esencialmente todos los iones primarios; es decir, no hay ni recombinación ni ionización secundaria. Por esta razón, el tamaño del pulso depende de la ionización primaria y, por lo tanto, de 1

4 la energía depositada por cada radiación. Se llama región de cámara de ionización y se usa para medir la energía de la radiación, además de indicar su presencia. 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) se aceleran dentro del campo eléctrico pudiendo, a su vez, crear nuevos pares de iones. Si uno sube el voltaje, la producción cada vez mayor de ionización secundaria da lugar a un efecto de multiplicación. Los pulsos producidos son mayores que en la región anterior, pero se conserva la dependencia en la energía de las radiaciones. 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 sigue aumentándose el voltaje, se llega a la región V, llamada Geiger-Müller En esta región la ionización secundaria y la multiplicación son tan intensas que se logra una verdadera avalancha de cargas en cada pulso (Figura 1) 2. Los pulsos son grandes por la gran cantidad de iones colectados, pero se pierde la dependencia en la ionización primaria 2 Protección radiológica en la aplicación de las técnicas Nucleares, Colectivo de Autores, Centro de Información de la Energía, Habana Cuba.

5 Figura 1. Avalanchas producidas en un detector Geiger-Müller. Los detectores Geiger-Müller (o sencillamente contadores Geiger) que operan en esta región son indicadores de la presencia de radiación, pero no pueden medir su energía. Son los más usados porque son fáciles de operar, soportan trabajo pesado, son de construcción sencilla y se pueden incorporar a un monitor portátil. Generalmente operan con voltaje de alrededor de 700 a 800 volts, pero esto puede variar según el diseño de cada detector. Si se incrementa el voltaje aún más, se obtiene una descarga continua (región VI), no útil para conteo. Para impulsos pequeños se usan cámaras de ionización, para impulsos medianos se utilizan detectores proporcionales- en un rango creciente- y para impulsos grandes se utilizan los detectores geiger-müller para un rango constante. Y la pendiente creciente es la zona de descarga, para el cual, el sistema de detectores no hay energía de radiación. Detectores inmediatos por excitación Detectores por centelleo: Se utilizan en contaje y en espectrometría. Estos detectores por centelleo se conocen por algunos materiales denominados centelladores al interactuar por radiación ionizante, convirtiendo una pequeña fracción de la energía cinética (Ke) de las partículas en energía luminosa, el resto de la energía se transforma en energía calórica o en energía mecánica en forma de vibraciones en su red cristalina. La fracción que se convierte en luz se define como eficiencia de centelleo y depende de la naturaleza y la energía de la partícula. Las propiedades de un centellador ideal son: 1- Convertir la energía cinética (Ke) de las partículas en Energía luminosa, o sea, en centelleos.

6 2- Que la conversión sea lineal, o sea, mayor energía cinética, mayor energía luminosa o lumínica. 3- Transparente a la longitud de onda (λ) que se emite por desexcitación. Que no influya la longitud de onda a las ondas de excitación. 4- El tiempo de caimiento de los impulsos cortos para señales rápidas. 5- Dimensiones adecuadas a la aplicación prevista. 6- Índice de refracción parecido al vidrio esto debido a que facilita convertir la energía luminosa en señal eléctrica. Los centelladores más utilizados son: -Inorgánicos: son cristales con alto rendimiento y con linealidad, pero con baja velocidad de respuesta. Por ejemplo, El yoduro de sodio activado con talio, el yoduro de cesio. - Orgánicos: Estos centelladores en donde el proceso de fluorescencia es independiente del estado físico del material, por ejemplo cristales orgánicos puros como el antraceno, centelladores en solución líquidos y centelladores orgánicos plásticos, donde el más común es el estireno. Un detector de centelleo esta constituido por el material centellador y el tubo fotomultiplicador. El tubo fotomultiplicador consiste en una válvula electrónica que procesa la energía lumínica en energía eléctrica y actúa como transductor optoeléctrico. Constituido por un fotocátodo (efecto fotoeléctrico) y también por dinodos que son electrodos que por los electrones y por in ánodo que los recibe originalmente, un impulso eléctrico el cual es detectado. Detectores retardados por ionización Estos detectores se denominan por emulsión fotográfica, donde esta constituida por bromuro de plata que tiene dimensiones microscópicas y se encuentra sumergida en un medio gelatinoso y que a su vez se encuentra sobre un soporte translúcido.

7 La radiación emite electrones y neutraliza los iones de plata metálica, este proceso se conoce como formación de la imagen latente (es un estilo de placa radiográfica) La cantidad de iones de plata que han sufrido la transformación está en función de la dosis absorbida y se le aplica un proceso de revelado corriente. Obteniéndose así una imagen con distintas tonalidades de grises y esta es proporcional a la dosis absorbida por la placa; posteriormente los ennegrecimientos son medidos por un densitómetro. La densitometría se puede definir como la atenuación luminosa causada por la emulsión. El número atómico de la emulsión fotográfica provoca que la radiación tenga un aumento relativo importante a bajas de energía de rayos X como el predominio del efecto fotoeléctrico. El uso principal de estos detectores es para la dosimetría personal y el resultado se refiere a dosis en tejido muscular. En estos detectores para dosimetría personal se debe hacer una corrección a la hora de evaluar la dosis en tejido, se evaluar la energía bajo diferentes filtros de radiación para así evaluar la dosis absorbida. La imagen latente se revierte con efecto de la humedad y por la temperatura ambiente, efecto difícil de cuantificar en la práctica por lo que se recomienda tomar medidas para el uso y almacenamiento de este, por esta razón el uso no es conveniente para periodos largos en condiciones ambientales variables. Detectores retardados por excitación Estos detectores conocidos también como detectores por termoluminiscencia detectores termoluminiscentes. Son detectores pasivos e integradores que determinan las dosis y discriminan diferentes campos de radiación. Este fenómeno por luminiscencia es un proceso de iluminación óptica por causas no térmicas que presentan algunas sustancias en determinados medios de excitación y estos medios son: Fotoluminiscencia producida por la interacción de fotones ópticos. Triboluminiscentes que tiene que ver con el movimiento mecánico.

8 Quimioluminiscente que se dá por reacciones químicas. Electroluminiscentes que se dá por campos eléctricos. La luminiscencia presenta dos subclases: 1- Fluorescencia 2- Fosforescencia Y se diferencia en su energía cinética de decremento, donde para la fluorescencia es menor en 10 nseg. y para la fosforescencia es mayor en 10 nseg. Donde en la fluorescencia existe poca dependencia de la temperatura, mientras que en la fosforescencia existe mucha dependencia de la temperatura. La fosforescencia es una termoluminiscencia acelerada por el aumento de la temperatura. Los detectores termoluminiscentes están formados por una red inorgánica cristalina perfecta donde los niveles electrónicos de energía atómica son ensanchados dentro de una serie continua de bandas permitidas, separadas por bandas de regiones prohibidas, la banda llena superior se llama banda de valencia. La banda de valencia esta separada por varios electrones de la banda más baja sin llenar, llamada banda de conducción. Este es el nivel de energía donde la atracción del núcleo del átomo sobre los electrones es más débil. Ese nivel corresponde a la última órbita del átomo, la que puede compartir así sus electrones entre el resto de los átomos de un cuerpo, permitiendo que se desplacen por el mismo en forma de nube electrónica. Los materiales utilizados para la creación de estos detectores son básicamente, fluoruro de litio, el cual tiene una respuesta de dosis absorbida lineal que ronda entre los 3 y 10 Gy. y son dosis que producen daños permanentes.

9 Siendo resistente a los ataques químicos y pierde sensibilidad para dosis mayores de 10 4 Gy. siendo levemente soluble al agua y con una pérdida de lectura de un 5% al año, por lo tanto un detector ideal para dosimetría personal. La información dosimétrica contenida en el detector puede ser medida por un equipo TLD (dosimetría por termoluminiscencia) donde la energía absorbida por la radiación ionizante al material es liberada en forma luminosa, cuando dicho material es estimulado térmicamente. La temperatura ambiente y 400 C. en un intervalo de tiempo de 1 a 100 seg. Dependiendo del material utilizado. Ventajas 1- Son detectores pequeños y pueden ser utilizados en lugares reducidos. 2- Se utilizan en un amplio rango de dosis que puede variar en 10 mgy. y 100 kgy. 3- Mantiene una persistencia de la señal por largos periodos de tiempo, permitiendo así la medición para periodos convenientes. 4- La eficiencia es independiente de la dosis y la temperatura de irradiación 5- Tiene una preescisión menor al 3% y en sistemas optimizados pude llegar de 1% a 2%. 6- Es insensible a la mayor de las condiciones ambientales. 7- La señal emitida es relativamente fácil de evaluar. 8- Son dosímetros portátiles ideales para monitoreo de extremidades. 9- Tiene una lectura rápida en segundos. 10-Es reutilizable con pequeños cambios en su eficiencia. Desventajas 1- Existen varios mecanismos dependientes de la superficie que pueden afectar la sensibilidad de estos detectores por ejemplo rayaduras, absorción gaseosa, contaminación por grasa o polvo. 2- La sensibilidad puede ser afectada o disminuir después de grandes dosis de radiación ( 10 Gy).

10 3- El método de obtención, la lectura es destructivo si por algún motivo la lectura no es recibida por el sistema, la informaciones pierde OSL (Estimulación Óptica por Láser) La clave de esta tecnología es el material del detector, que son CRISTALES DE OXIDO DE ALUMINIO Funcionamiento: El funcionamiento se basa en la cantidad de radiación expuesta es medida por la estimulación de los materiales de oxido de aluminio con una luz verde para partículas beta o azul para fotones (rayos gamma) de alta y/o baja energía que es emitida por un láser emitido por un equipo. Esta tecnología tiene el límite de detección más bajo del mercado con una sensibilidad de 0.01 msv Una de las características esenciales de este tipo de dosímetro es que permite el reconocimiento de las dosis estáticas y dinámicas, por ende si se hiciera una exposición al propio cuando se lee el espectro de luz del dosímetro, va a salir identificado de forma característica ese tipo de exposición. Es importante destacar que estos dosímetros y tipo de tecnología es la más moderna del mundo. Dosimetría In vivo (Diodos semiconductores) Medición de la dosis directamente en los pacientes, para verificar la dosis que recibe el paciente mediante el sistema de planificación. Se ponen 2 detectores uno a la entrada y otro a la salida y debe tener una diferencia de ± 2%. Cámaras de ionización para radioterapia

11 Para monitoreo de área, para medir rayos X y rayos Gama, que varia en tamaño y forma. La zona de sensibilidad esta en la punta. Existen varios tipos de cámaras de ionización pero las más utilizadas en dosimetría absoluto de haces de fotones de alta energía, son las cámaras de ionización tipo dedal. Tienen un electrodo de aluminio y la pared puede ser de grafito, acrílico o polietileno. En este tipo de cámara se asume lo siguiente: 1- Volumen esférico con cuyo centro se encuentra una pequeña cavidad de aire. 2-Este volumen es irradiado uniformemente por un haz de radiación de alta energía.

12 3- La distancia entre la esfera externa y la cavidad de aire es igual al rango máximo de los electrones generados por los fotones en su recorrido, lo que garantiza que el número de electrones que entran a la cavidad de aire es igual al número que sale de ella, o sea, garantiza el equilibrio electrónico. Si en estas condiciones fuéramos capaces de medir la carga producida en la cavidad por los electrones liberados en el volumen que la rodea y conociendo el volumen o la masa de aire contenido dentro de la cavidad, podemos entonces calcular la carga por unidad de masa, como conocemos no es más que la exposición producida por el haz de radiación en el centro de la cavidad. Hasta ahora se ha planteado una situación ideal pero en realidad lo que podemos lograr es envolver esa pequeña cavidad en una pared sólida con lo que obtenemos una cámara de dedal aún cuando la pared de la cámara es por supuesto sólida, escogemos siempre materiales que son aire equivalente, es decir, cuyo número atómico es similar al número atómico del aire y de igual manera para mantener las condiciones de equilibrio electrónico explicadas anteriormente se hacen en un espesor que lo garantice. Tallo: es por donde pasan los cables que recogen la carga y polarización Mango: Se emplea para sujetar la cámara