2. INTERACCIÓN DE LOS FOTONES CON LA MATERIA. 3. INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CARGADAS CON LA MATERIA. 4. INTERACCIÓN DE NEUTRONES CON LA MATERIA.

Transcripción

1 TEMA 3: DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN. 1. FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA DETECCIÓN. INTERACCIÓN RADIACIÓN MATERIA. 2. INTERACCIÓN DE LOS FOTONES CON LA MATERIA. 3. INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CARGADAS CON LA MATERIA. 4. INTERACCIÓN DE NEUTRONES CON LA MATERIA. 5. DETECTORES DE RADIACIÓN. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 1

2 1. FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA DETECCIÓN. INTERACCIÓN RADIACIÓN MATERIA. Concepto físico de interacción entre dos cuerpos. Un choque o interacción es un proceso por el cual dos cuerpos se ejercen efectos mutuos alterando su energía y/o su estado de movimiento. El conjunto de las dos partículas se considera como un único sistema en el que: Si sólo actúan fuerzas interiores al sistema, se conserva la energía total del sistema antes y después de la colisión: E antes = E después. Se dice que la colisión es elástica. Si además de las fuerzas internas aparece algún otro efecto externo al sistema, como por ejempo, la pérdida de energía por rozamiento y/o transformación en calor, ya no se conserva la energía y la colisión pasa a ser inelástica. Interacción con radiaciones ionizantes. La interacción radiación-medio, es considerada como un choque entre dos cuerpos: por un lado las partículas que componen la radiación ionizante y por otra parte las partículas que componen el medio, átomos y más en concreto electrones, protones y neutrones. Recordemos que las radiaciones ionizantes, son radiaciones que por su alta energía ionizan el medio cuando inciden en él. En estos procesos, consecuencia de la interacción, la radiación pierde parte de su energía cediéndola al medio que atraviesa mediante distintos mecanismos que dependen esencialmente de: El tipo de radiación. De la energía de la radiación. De las propiedades del medio material con el que interaccionan. Estos procesos son los causantes de los efectos producidos por las radiaciones (efectos biológicos en los seres vivos), determinan las condiciones de propagación de la radiación en un medio material y condicionan el diseño de los blindajes apropiados para cada tipo de radiación. La interacción de la radiación con un material depende fundamentalmente de su masa y su carga eléctrica. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 2

3 Distinguimos entre: Radiación INDIRECTAMENTE ionizante Partículas sin carga y sin masa: fotones Partículas con masa y sin carga: neutrones. Radiación DIRECTAMENTE ionizante Partículas cargadas ligeras : partículas β (e - y e + ). Partículas cargadas pesadas : partículas α (núcleos de helio). PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 3

4 2. INTERACCIÓN DE LOS FOTONES CON LA MATERIA. La interacción de la radiación electromagnética (fotones) con la materia son de tipo elástico, es decir, la energía total del sistema antes de la interacción será igual a la energía total del sistema después de la interacción. Esto hace que podamos sacar conclusiones acerca de estos fenómenos, ya que una conservación supone una igualdad, lo que supone una ecuación matemática, lo que supone poder conocer una variable. EFECTO FOTOELÉCTRICO. Interacción entre un fotón y un electrón suficientemente ligado de un átomo (electrón de las capas más profundas). El fotón incidente transfiere toda su energía a un electrón ligado de un átomo. El fotón es absorbido completamente y el electrón es emitido. La Energía Cinética E c del electrón emitido es: E c = h f E enlace Donde h f es la energía del fotón incidente y E enlace es la energía que mantiene ligado el electrón al átomo y que hay que vencer para arrancarlo del átomo. El átomo residual queda cargado positivamente y un electrón de capas más externas tenderá a ocupar la vacante, emitiendo rayos X característicos. Es más importante para: Fotones de baja energía. Medios con Nº atómico alto. EFECTO COMPTON. Colisión de un fotón incidente con un electón poco ligado, de las capas más externas del átomo. El fotón no pierde su energía totalmente, de manera que es dispersado con una energía menor que la del fotón incidente. En el choque se conserva la energía (es un choque elástico), con lo que la energía del fotón incidente tiene que ser igual a la sumna de las energías del fotón y del electrón dispersados: h f i = h f f + E e Donde la energía del fotón dispersado es menor que la del incidente, con lo que f f < f i. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 4

5 El átomo residual resulta ionizado, queda una vacante electrónica en un capa externa (por lo general la más externa). No emitirá rayos X característicos. Esta interacción es más probable con fotones de energías medias. CREACIÓN DE PARES. Un fotón, en las cercanías de un núcleo, desaparece y da lugar a un par electrón positrón (e e + ). La probabilidad de creación de pares aumenta con la energía del fotón. Proceso predominante a muy altas energías y con absorbentes de nº atómico elevado. Por el principio de conservación de la energía, la energía del fotón incidente tiene que ser igual a la suma de las energía de las partículas generadas, electrón y positrón. según esto: E γ = E elec + E posit h f = m 0 c 2 + E c+ + m 0 c 2 + E c -. NOTA: el positrón es la antipartícula del electrón, son iguales salvo que las cargas son de signo contrario y que el positrón es mucho más inestable que el electrón. Esto significa que el positrón interacciona rápido y desaparece. NOTA: El electrón y el positrón son partículas con masa. Su energía total en movimiento será la suma de su energía cinética y la correspondiente a su masa, m c 2. Energía mínima para generar un par electrón positrón: h f u = 2 m 0 c 2 = 1,022 MeV. Donde f u es la frecuencia umbral o la frecuencia mínima que debe tener un fotónpara generar el par. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 5

6 TENIENDO EN CUENTA TODAS LAS INTERACCIONES: La mayor o menor probabilidad de que ocurra una u otra interacción depende del número atómico del medio en el que incide y de la energía de la radiación incidente. En la siguiente gráfica se muestra las zonas de predominio de cada una de las interacciones en función al número atómico del medio y a la energía de la radiación. ATENUACIÓN DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA EN LA MATERIA. Según esto, la radiación al atravesar un determinado grosor de material, sufre una atenuación de su energía. Los fotones ceden toda o parte de su energía al medio. La atenuación de la intesidad de la radiación al atravesar un medio sigue una ley exponencial: I (x) = I 0 e μ x Donde I0 es la intesidad de la radiación incidente e I(x) la intensida de la radiación después de haber atravesado un grosor x del medio. I 0 Intensidad radiación incidente x I(x) Intensidad radiación que sale La atenuación se produce de forma continua, por cada distancia x que recorra irá decreciendo progresivamente. Donde μ es el coeficiente de atenuación lineal del medio se mide en m -1 en el S. I. de unidades de medida. A la hora de hacer los cálculos de blindajes de las intalaciones, se usan unos parámetros relacionados con esta ley exponencial. Son los siguientes: Capa hemirreductora (HVL, Half Value Layer): Espesor necesario de un material para reducir a la mitad la intensidad de la radiación que lo atraviesa. Para deducirlo, queremos buscar el valor de x para el cual I(t) = I 0/2. Para ello sustituimos en la fórmula y despejamos: I 0 2 = I 0 e μ HVL 1 2 = e μ HVL ln 1 2 = ln e μ HVL NOTA: La intensidad de una onda es lo que en el tema 2 denominábamos tasa de fluencia de energía, es decir, energía por unidad de área y por unidad de tiempo. El logaritmo neperiano anula la exponencial, es la función inversa, con lo que: ln 1 2 = μ HVL 0,693 = μ HVL PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 6

7 Por lo tanto, despejando HVL: HVL = 0,693 μ Capa decimorreductora (TVL, Tenth Value Layer): Espesor necesario par reducir a la décima parte la intensidad de la radiación incidente. La deducción es la misma que la anterior solo que I(t) = I 0/10. Lo que nos da: TVL = 2,303 μ PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 7

8 3. INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CARGADAS CON LA MATERIA. El proceso predominante es la interacción coulombiana. Podemos distinguir dos tipos de colisiones: 1. Elásticas. Se conserva la energía y la cantidad de movimiento. La partícula desvía su trayectoria cediendo parte de su energía en forma de energía cinética. No se produce alteración atómica ni nuclear del medio. Esta interacción ocurre cuando la partícula cargada pasa suficientemente lejos del átomo, es decir, casi no nota la presencia del átomo. LA INTERACCIÓN COULOMBIANA es la fuerza que se ejercen dos partículas cargadas entre sí. Al estar formada la radiación por partículas con carga eléctrica y al estar el medio formado por partículas cargadas (electrones y protones), aparece una fuerza entre ellas que hace que las partículas cargadas que forman la radiación vayan perdiendo energía al atravesar el medio. 2. Inesláticas. Se conserva la cantidad de movimiento pero no la energía. En estas colisiones los átomos del medio sufren alteraciones, se modifica su estructura electrónica. La partícula cargada pasa más cerca del átomo que en el caso anterior. Se producen: a) Excitaciones. La energía transferida no es suficiente para arrancar al electrón del átomo pero sí para aumentar su estado de energía. El electrón vuelve a su estado fundamental y el exceso de energía lo devuelve en forma de: Rayos x característicos: transiciones radiativas. Radiación térmica (calor): transiciones no radiativas. b) Ionizaciones. Cuando la energía que se transfiere es superior a la energía de ligadura, se arranca un electrón del átomo quedando éste cargado positivamente (ion positivo). Esta es la ionización primaria. Si el electrón arrancado tiene suficientemente energía, generará sucesivas ionizaciones: ionización secundaria. Ionización total = ionización primaria + ionización secundaria. 3. Colisión radiativa. La partícula se frena o se desvía al interaccionar con los átomos del medio emitiendo ondas electromagnéticas. Se produce con mayor probabilidad en las proximidades del núcleo atómico. Esta radiación que se emite se conoce como la radiación de frenado o bremsstrahlung. Las partículas pueden sufrir colisiones con el núcleo produciendo reacciones nucleares aunque es muy improbable. ATENUACIÓN DE LAS PARTÍCULAS CARGADAS EN LA MATERIA. Una partícula cargada, al atravesar un medio material, va perdiendo energía en choques sucesivos, pricipalmente en procesos de excitación y de ionización. Si la energía de la la partícula es mucho mayor que la energía de ionización del medio, la partícula pierde una fracción muy pequeña de su energía cinética. El poder de frenado define la energía que pierde la partícula cargada por unidad de longitud: S (E ) = Δ E Δ X El alcance (R) de una partícula carga es la distancia máxima de penetración de una PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 8

9 partícula en un material determinado. Partículas pesadas: el alcance coincide aproximadamente con la longitud de la trayectoria. Ésta es prácticamente rectilínea. Partículas ligeras: alcance mucho menor que la longitud de la trayectoria. Ésta es muy irregular. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 9

10 4. INTERACCIÓN DE NEUTRONES CON LA MATERIA. Tan sólo interaccionan con los núcleos atómicos. Se representa como: n + X = Y + b o lo que es lo mismo X(n,b)Y. El neutrón n reacciona con un núcleo X para dar el núcleo Y y la partícula b. Es una radiación muy penetrante. Por ejemplo: El libre recorrido medio de neutrones de 2 MeV en el agua es de 3.2 cm. Procesos de interacción: Difusión elástica X(n,n)X e inelástica X(n,n )X* o X(n,2n )Y. Captura radiativa (n,γ) Reacción de transmutación (n,α), (n,p),... Fisión nuclear. La posibilidad de ocurrencia depende de... Naturaleza del medio material Energía de los neutrones COLISIONES ELÁSTICAS. X + n = X + n El núcleo no se altera, el neutrón sólo cambia su energía cinética. Un caso típico de colisión elástica es el experimentado en núcleos ligeros como el carbono. En este caso, el primer nivel excitado se encuentra a 4,43 MeV, por lo que si el neutrón tiene una energía menor, la colisión debe ser forzosamente elástica. Tecnológicamente, es importante el comportamiento de los neutrones, en un medio como el carbono, en el cual son altamente dispersados, aunque poco absorbidos. En tales casos, los neutrones rápidos sufren un proceso de moderación, consistente en que los neutrones, por colisiones sucesivas, van perdiendo energía, hasta llegar a la correspondiente al valor medio de los átomos o moléculas que integran el medio moderador, en cuyo caso los neutrones en cada colisión ceden o ganan energía alrededor de un valor medio, que depende de la temperatura. COLISIONES INELÁSTICA. A + n = A* + n A + n = B + n 1 + n La interacción se produce en dos etapa: 1. El neutrón es absorbido por el núcleo. 2. En una segunda etapa puede ocurrir dos cosas: a) Que el núcleo residual quede en un estado excitado. b) Que haya un cambio del núcleo residual transformádose en otro elemento. Para que se produzca una colisión inelástica, la energía del neutrón incidente tiene que se ser mayor que la del primer estado excitado nuclear. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 10

11 Procesos de captura neutrónica En los casos en los que en una colisión, penetre el neutrón en el núcleo blanco, tienen lugar reacciones nucleares de diversos tipos, como captura radiativa, emisión de partículas, o fisión. Entre estas reacciones se encuentran por ejemplo: 6 Li (n,α) 3 He 10 B (n,α) 7 Li que sirven de base a muchos detectores de neutrones, debido a que en el proceso nuclear se generan partículas alfa, capaces de producir intensa ionización. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 11

12 5. DETECTORES DE RADIACIÓN. Un detector de radiación consiste en una cavidad rellena de un determinado material. Al incidir la radiación, se producen fenómenos de interacción de la radiación con el material. La energía disipada por parte de la radiación en el material de relleno, es recogida en forma de carga eléctrica. Un dispositivo acoplado la cavidad, es capaz de proporcionar una señal analizable cuando es alcanzado por la radiación. Por lo tanto, el detector está constituido por dos partes: Volumen de detección: región del material sensible a la radiación en la que se produce la interacción de la radiación con el material. Electrómetro: mecanismo que transforma la carga recogida que la analiza y la convierte en una señal visible. CLASIFICACIÓN. 1. Según el tiempo en que se obtiene la información a) Inmediatos. b) Diferidos. 2. Según el fenómeno físico: a) Por ionización. b) Por excitación de niveles atómicos o moleculares. Inmediatos Diferidos Ionización Gaseosos y de estado sólido De película radiográfica Excitación centelleadores luminiscentes PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 12

13 CARACTERÍSTICAS DE LOS DETECTORES. Sensibilidad: Viene determinada por la cantidad de radiación más pequeña que es capaz de detectar. Eficiencia: Es la razón entre el número de partículas que detecta y las que llegan. ε = Nº partículas detectadas Nº partículas emitidas por la fuente Distinguimos entre la eficiencia geométrica y la eficiencia intrínseca. La eficiencia geométrica mide la relación entre los sucesos que recoge el detector respecto de los que sales de la fuente. La eficiencia intrínseca mide la relación entre los sucesos detectados respecto a los que llegan al detector. La eficiencia total será el producto de las dos eficiencias: ε tot = ε geom ε intr Respuesta del detector: Además de detectar la radiación, muchos detectores son capaces de dar información acerca 0de la energía de la misma. Esto es debido a que hay una relación directa entre la energía que deposita la radiación en el detector y el número de ionizaciones que genera en el volumen del mismo a un potencial determinado. Si un detector tiene un regulador de tensiones o potenciómetro, al seleccionar distintas tensiones recogemos distintos picos de eventos que corresponden con cargas generadas en el medio por radiaciones de distinta energía, lo que se traduce en distintas señales producidas. A cada una de estas tensiones se le denomina canal. Monocanal genera una sóla respuesta en energía. Multicanal se corresponde con varias respuestas de energía (radiación multienergética). Una respuesta multicanal recoge un espectro de energías o distintos picos correspondientes a las distintas energías que constituyen la radiación que incide en el detector. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 13

14 Resolución de energía: Cuando la radiación contiene partículas con energías distintas, el detector recogerá señales a energía diferentes, tantos picos como radiaciones de energía distintas recoga. La resolución de energía es la capacidad que tiene el detector para distinguir entre dos radiaciones de energías próximas. Tanto más próximas sea capaz de distinguir, mejor resolución tendrá. La resolución viene dada por la anchura a mitad de altura (FWHM) de la señal. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 14

15 DETECTORES DE IONIZACIÓN GASEOSA. Se basan en la ionización de un gas, en cualquiera de sus formas. Son los más utilizados en la práctica diaria. NOTA: El ánodo es el electrodo conectado al polo positivo de una pila o generador, atrae a la carga negativa generada. Al incidir la radiación en un volumen determinado de un gas, produce ionizaciones (carga eléctrica), la medida de ésta es lo que se utiliza para detectar la radiación. El cátodo es electrodo conectado al polo negativo de la pila o generador, atrae a la carga positiva generada. Para recolectar la carga, el recinto se somete a una diferencia de potencial o generador o pila. Ésta se conecta a unos electrodos (placas metálicas que se conocen como ánodo y cátodo) que se encuentran conectados al volumen de detección. La carga negativa generada en el volumen al paso de la radiación, se dirige al ánodo y la positiva al cátodo. El circuito se completa con un amperímetro y se detectará una intensidad de corriente que será proporcional a la cantidad de carga liberada, que, a su vez, será proporcional a la intensidad de la radiación. Los gases usados como relleno suelen ser aire a presión atmosférica o gases nobles como argon o helio. Variando la diferencia de potencial que aplique entre los electrodos, en el gas de llenado ocurren distintos fenómenos, esto hace que podamos distinguir varias zonas de actuación del detector: V V V PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 15

16 Zona de recombinación (I). Si la tensión es muy baja, las cargas adquieren muy poca velocidad y hay una alta probabilidad de que el par iónico formado se vuelva a recombinar formado átomos neutros. No se utiliza para la medida de la radaición ya que la señal detectada no se corresponde con la realidad. Zona de saturación (II). El votaje aplicado es suficiente para que no se produzca recombinación de iones y no se multipliquen. El factor de multiplicación o ganancia es igual a 1. El tamaño del pulso depende de la ionización primaria y por tanto de la energía de la ionización, es decir, distingue entre distintos tipos de energía y de partículas. Factor de multiplicación o ganancia G es la relación entre el número de iones detectados por el electrómetro y los producidos por la radiación primaria Los detectores que trabajan en esta zona son las cámaras de ionización, que poseen las siguientes características: Son sensibles a cualquier tipo de radiación pero se aplican más a la detección de fotones y partículas β. Baja sensibilidad y alta exactitud. Son muy frágiles y sensibles a la humedad. Zona proporcional (III y IV). Al aumentar la tensión entre los electrodos, aumenta la energía de los iones generados pudiendo dar lugar a ionizaciones secundarias, como consecuencia, se amplifica la señal que se recoge. Si se 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. En esta zona (se corresponde con la zona III de la gráfica) trabajan los contadores proporcionales. La ganancia es del orden de Está inidicado en la detección de partículas β y α. Si la tensión es suficientemete elevada, se pierde la proporcionalidad de la medida debido a los iones positivos generados en los sucesivos procesos de ionización secundarios. Se va perdiendo la dependencia con la energía de las radiaciones. Esta PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 16

17 zona se corresponde con la zona IV de la gráfica. Es una zona de transición entre la (III) y la (V) que no presenta demasiado interés ya que no presenta las características de la zona III ni de la zona V. Zona geiger (V). En esta región la ionización secundaria y la multiplicación son tan intensas que se logra una verdadera avalancha de cargas en cada pulso. Éstos son muy grandes y se pierde la dependencia con la ionización primaria. En esta zona trabajan los detectores Geiger-Muller. Ganancia de Características: alta sensibilidad: capacidad para detectar pequeñas cantidades de radiación debido al gran efecto amplificador del gas. Presenta lentitud: tarda en recuperarse entre un impulso y otro. No es capaz de identificar el tipo de radiación que detecta. Utiliza gases nobles para aumentar su durabilidad. Argón el más empleado. Se usa para la detección de radiación β y γ. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 17

18 DETECTORES DE ESTADO SÓLIDO O DE SEMICONDUCTOR. Estos dispositivos utilizan como material sensible a la radiación sólidos cristalinos semiconductores. Un sólido cristalino tiene una estructura ordenada y periódica que se extiende en las tres direcciones del espacio. Las partículas que constituyen el material se encuentran en los vértices de una red eléctrica cuya forma varía según el material. El tipo de enlace que mantiene unida a las partículas dentro del material le confiere sus propiedades características: solubilidad, conductividad eléctrica o térmica, punto fusión o ebullición, Atendiendo al tipo de enlace, distinguimos entre sólidos iónicos, sólidos covalentes o sólidos metálicos. Propiedades eléctricas del cristal. Por su capacidad para conducir la corriente eléctrica, todos los sólidos se pueden dividir en tres grandes grupos: dieléctricos o aislantes, metales y semiconductores. Los metales son magníficos conductores de la corriente eléctrica, los dieléctricos, por el contrario, prácticamente no conducen la corriente eléctrica. Los semiconductores tienen un valor intermedio entre unos y otros. Esta mayor o menor capacidad para conducir la corriente eléctrica depende de la existencia de electrones libres (poco ligados al átomo) dentro del sólido, que puede moverse libremente por todo el cristal. La capacidad de un material para conducir o no la corriente eléctrica depende de su distribución electrónica, es decir, de la configuración electrónica del crista. Hasta ahora se había estudidado la configuración electrónica en sistemas donde los átomos está poco ligados, como es el caso de los gases. En estós, la energía de los electrones sólo se ve influenciada por la acción de las partículas del átomo al que pertenece (el resto de los electrones de la corteza y las partículas del núcleo). Tiene sentido hablar de niveles de energía relativos sólo al átomo al que pertenece el electón para explicar su estado energético. En cambio, en los sólidos, la energía de un electrón se ve influenciado por la presencia del resto de las partículas de su átomo, pero también se ve influenciado por la presencia del resto de los átomos. Por eso, los niveles de energía en los que se distribuyen los electrones no son propios de un sólo átomo, son niveles relativos al conjunto de todos los átomos del cristal. Estos niveles son las bandas de energía. Debido a la distribución periódica de los átomos dentro del cristal (formando figuras geométricas que ser repiten por todo el sólido), los electrones no pueden tener cualquier energía, exiten niveles de energía prohibidos para los electrones del cristal. Estos niveles constituyen lo que se concoce como banda prohibida. Esquemáticamente lo podemos describir así: PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 18

19 donde bv es la Banda de Valencia y bc es la Banda de Conducción. La banda de valencia corresponde a los niveles de electrones ligados al átomo y la banda de conducción corresponde a niveles de electrones libres. Los electrones del cristal van ocupando los niveles de energía desde el nivel más bajo al más alto. Así, la banda de valencia estará totalmente ocupada y la banda de conducción estará ocupada sólo por los electrones libres, los que no están ligados al átomo, los que se pueden mover libremente por todo el cristal. Para que un electrón pase de la banda de valencia a la banda de conducción, necesita un aporte energético externo para superar la banda prohibida. Por lo que si el material no está sometido a ninguna acción externa, no habra paso de electrones de una a otra banda. A partir de esta forma de distribución de los electrones en el cristal, podemos distinguir entre: Sólidos conductores: si la banda de valencia y la banda de conducción se solapan. No hay banda prohibida. El paso de electroes de una a otra banda es libre. Aparecen de forma espontánea electrones en la banda de conducción, electrones libres que permiten el paso de la corriente eléctrica. Sólidos aislantes: tienen una banda prohibida muy ancha. Imposibilidad de paso de electrones de la banda de conducción a la banda de valencia. No hay electrones libres que puedan conducir la corriente eléctrica. Sólidos semiconductores: tienen una banda prohibida más estrecha. Esto posibilita el paso de electrones de la banda de valencia a la de conducción con un aporte energético del orden de la energía de las radiaciones ionizantes. Esto hace que sea apto para su uso como detectores de radiación. Esqueméticamente el paso de la radiación a través del cristal semiconductor, sería: PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 19

20 Una partícula de la radiación ionizante cede la suficiente energía para que un electrón de la banda de valencia pase a la banda de conducción. El electrón deja una vacante en la banda de valencia que es una carga positiva que denominamos hueco. El detector de semicoductor o de estado sólido consiste en un volumen de detección formado por un cristal semiconducctor. El paso de la radiación a través del material, va generando pares electrón-hueco (e - -h + ), cuya cantidad es proporcional a la energía depositada por la radiación en el medio. Para recoger esa carga, rodeamos al volumen de detección con cristales semiconductores pero dopados con elementos de otro material. Podemos conseguir de esta manera materiales que tengan afinidad por recibir electrones y materiales que tengan afinidad por recibir huecos. De esta manera podemos recoger la carga generada sin necesidad de utilizar una pila o diferencia de potencia. En el esquema siguiente se recoge lo aquí comentado. Características de estos detectores: No es necesaria una diferencia de potencial para recoger la carga. Tienen una gran eficiencia de detección, ya que su densidad es muy alta. Se necesita muy baja energía para promocionar el electrón a la banda de conducción, lo que hace que tengan una gran resolución energética. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 20

21 AMPLIACIÓN: TIPOS DE SEMICONDUCTORES: Intrínseco. Es un semiconductor puro. Material que tiene cuatro electrones en su última capa. Se corresponden con los elementos del grupo IV de la tabla periódica. Esto significa que tienen capacidad para formar cuatro enlaces con otros tantos átomos. Extrínseco. Se forman añadiendo pequeñas cantidades de impurezas a los semiconductores puros. Estas impurezas (se llaman dopantes) son átomos de los grupos III y V de la tabla periódica. Según si son de un grupo u otro tenomos: Tipo n: los elementos dopantes pertenecen al grupo V de la tabla periódica, con 5 electrones en la última capa. Lo que hace que tengan capacidad para formar cuatro enlaces con otros tantos átomos y deja uno libre para convertirlo en electrón de conducción. En estos materiales el número de electrones de la banda de conducción es mayor que el número de huecos de la banda de valencia. Tipo p: los elementos dopantes pertecen al grupo III de la tabla periódica con 3 electrones en la última capa. forman tres enlaces con otros tres elementos y generan un nivel energético en la zona prohibida. Este nivel es ocupado por un electrón de la banda de valencia lo que genera un hueco positivo. En estos elementos el número de huecos de la banda de valencia es mayor que el número de electrones de la banda de conducción. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 21

22 DETECTORES DE TERMOLUMINISCENCIA. Banda de impurezas 1 Banda de impurezas 2 Están basados en el fenómeno de excitación. Fabricados por sustancias termoluminiscentes. Formados por elementos cristalinos que contienen impurezas y defectos en la red cristalina. Al incidir la radiación generan electrones en la banda de conducción que son atrapados en niveles de energía generados por las impurezas (banda de impurezas 1). Al calentarse, estos electrones pasan de nuevo a la banda de conducción que al desexcitarse pasan a la banda de impurezas 2 cercana a la banda de valencia. La diferencia de energía de las dos bandas se desprende en forma de luz. La cantidad de luz emitida será proporcional a la radiación ionizante absorbida. Se construyen a base de fluoruro de litio, aunque también se usan fluoruro de calcio y sulfato de calcio. El amplio margen de dosis detectables, su capacidad para acumular las dosis recibidas a lo largo de amplios periodos de tiempo y la linealidad del proceso, hace que los materiales termoluminiscentes sean muy recomendables para su uso en dosimetría ambiental. Los dosímetros personales basados en este sistema suelen tener el material sensible dentro de una carcasa o chasis que le proporciona seguridad. Al mismo tiempo se le pueden superponer filtros que estiman ls dosis superficial y profunda recibida por la persona que los porta. Ventajas Elevada precisión. Linealidad. Gran sensibilidad a bajos niveles de radiación. Son reutilizables. Desventajas Son sensibles a la temperatura y a la luz visible. La información desparece al ser leídos. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 22

23 DOSÍMETROS DE PELÍCULA FOTOGRÁFICA. Consisten en un capa de emulsión fotográfica de unos μm recubriendo ambos lados de una base de plástico transparente. El material sensible a la radiación ionizante, denominado emulsión fotográfica, está constituido de granos de bromuro de plata, BrAg, de dimensiones microscópicas y distribuidos en un medio gelatinoso el cual está a su vez depositado como una capa de espesor muy delgado sobre un soporte traslúcido, por ejemplo celuloide o vidrio. Los electrones liberados por la radiación neutralizan al ion Ag + transformándolo en plata metálica, lo que constituye la formación de la denominada imagen latente por pocos átomos de plata de un grano (que típicamente tiene del orden de Ag + ). La cantidad de granos de bromuro que han sufrido esta transformación, así como el número de iones plata convertidos en cada grano, es función de la dosis absorbida. Son poco precisos, poco lineales y poco eficientes. Se saturan después de recibir cierta dosis. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 23

24 DETECTORES DE CENTELLEO. En ciertos materiales, denominados centelladores, pequeña fracción de la energía cinética de las partículas secundarias generadas al paso de la radiaciónes convertida en energía luminosa; el resto se transfiere al medio como calor o como vibraciones de su red cristalina. La fracción de la energía que se convierte en luz (definida como eficiencia de centelleo) depende, para un dado centellador, de la naturaleza de la partícula y de su energía. Un material centellador ideal presenta las siguientes propiedades: Convierte la energía cinética de las partículas cargadas en energía luminosa con alta eficiencia de centelleo. Características: Tal conversión es lineal, es decir, la energía luminosa es proporcional a la energía impartida al centellador en un amplio rango de energías. Es transparente a la longitud de onda que él mismo emite por desexcitación. El tiempo de decaimiento de los impulsos luminosos es corto, de manera que las señales generadas con rápidas. Posibilita construir detectores de dimensiones adecuadas a la aplicación prevista. El material más empleado como cristal de centelleo es el yoduro de sodio activado con talio, NaI (T1). Es de costo bajo y es muy estable. Otro muy común es el yoduro de cesio activado con talio, CsI (T1), y hay otros materiales inorgánicos de usos especiales. Por otro lado, especialmente para detectar neutrones, suelen emplearse materiales orgánicos como plásticos. De éstos los más importantes son el antraceno y el estilbeno. Para ciertas aplicaciones son útiles también los líquidos orgánicos. Con objeto de transformar la pequeña cantidad de luz producida por un cristal de centelleo en una señal eléctrica que se puede manejar con más comodidad, se pone en contacto con un dispositivo llamado fotomultiplicador. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 24

25 DETECTORES DE NEUTRONES. Debido a la baja probabilidad de interacción de los neutrones con un detector gaseoso (ya que carecen de carga eléctrica y no interactúan con los campos eléctricos de los átomos), se los detecta indirectamente recurriendo a reacciones nucleares que generen partículas cargadas de cierta energía (tales como protones o partículas alfa), que poseen alta capacidad de ionización y alta probabilidad de interactuar con el gas del detector. 10 B (n,α) 7 Li La energía que liberan estas partículas cargadas en el medio de detección nos servirá para obtener información acerca de la radiación de neutrones incidente. Disponiendo de detectores gaseosos (p.e., contadores proporcionales en los que el gas de contaje es trifluoruro de boro), se logra que resulten sensibles a neutrones térmicos según la reacción anterior. Para detectar neutrones rápidos, el detector se recubre de una sustancia rica de átomos ligeros (parafina o grafito) que los convierte en neutrones lentos. Ya pueden ser detectados con un material que contenga boro por el mismo proceso antes explicado. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA. DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA RADIACIÓN - 25