RESUMEN. La dosimetría de Termoluminiscencia (TL) ha llegado a ser un método dosimétrico común

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2 RESUMEN La dosimetría de Termoluminiscencia (TL) ha llegado a ser un método dosimétrico común en el campo del diagnostico radiológico. En el pasado, la dosimetría TL había estado restringida ala dosimetría personal y a investigaciones locales tales como radiografía dental, mamografía y radiografía de tórax. En la actualidad, su campo de aplicación se ha ampliado a estudios de calidad de funcionamiento de equipos de tomografía computarizada. Esto hace necesario tener un dosímetro TL que sea útil en el intervalo de energías de los rayos-x que se usan en radiodiagnósticos. A medida que crece el interés en conocer los efectos sobre la salud de las bajas dosis de radiación natural o artificial, se hace más necesario un sistema dosimétrico capaz de medir con precisión esos niveles de dosis. Por más de veinte años los dosímetros TL han constituido un método simple y preciso para tales mediciones. 1

3 Contenido Pagina Resumen 1 Contenido 2 Índice de figuras 7 Índice de tablas 8 Introducción 9 TERMOLUMINISCENCIA Principios básicos 10 Luminiscencia 20 Radioluminiscencia 25 Termoluminiscencia 28 Modelo de bandas de energía 29 2

4 Formación de la curva TL 31 Dosimetría TL 32 Instrumentación para TL 33 Componentes electrónicos de un lector TL 35 Sistema de calentamiento 36 Plancheta de calentamiento 36 Sistema detector de luz 37 Flujo de gas 39 Fuente alto voltaje 40 Fuente de luz de referencia 40 Sistema acondicionador de señal 40 CARACTERISTICAS DE MATERIALES TERMOLUMINISCENTES Curva TL 43 3

5 Sensibilidad 44 Umbral de detección 47 Respuesta TL en función de la dosis absorbida 48 Respuesta TL en función de la energía y del tipo de radiación 51 Desvanecimiento 52 Reproducibilidad 53 Influencia de las condiciones ambientales 54 Requisitos que debe cumplir un material TL para dosimetría 55 OTRO METODO DE DOSIMETRIA Lioluminiscencia 56 Factores que afectan la emisión luminosa producida por la Lioluminiscencia 59 Mecanismo Lioluminiscencia 59 4

6 Formación de radicales libres 60 Características de radicales libres 62 Etapas de emisión 63 Instrumentación para la Lioluminiscencia 65 Aplicaciones de la Lioluminiscencia 67 APLICACIONES MEDICAS Dosimetría 68 Dosimetría en fantoma 69 Dosimetría en pacientes 69 Radiodiagnóstico 72 Radioterapia 74 Dosimetría de área 76 5

7 Especificaciones de funcionamiento 76 Uniformidad 79 Reproducibilidad 80 Dependencia de la interpretación de la exposición sobre la duración del ciclo de campo 80 Dependencia de energía 81 Efecto de la luz 81 Dependencia de la orientación del dosímetro 81 Efecto de la humedad 82 Conclusiones 83 Bibliografía 84 6

8 INDICE DE FIGURAS Pagina Figura 1. Esquema de niveles de energía usado para explicar el fenómeno de luminiscencia 22 Figura 2. Representación esquemática para un ión halogenuro alcalino perfecto 24 Figura 3. Defectos Schottky y Frenkel en un sólido cristalino 24 Figura 4. Representación esquemática de Centros F 25 Figura 5. Diagrama de bandas de energía para explicar el fenómeno de Termoluminiscencia 30 Figura 6. Proceso de formación de la curva TL 32 Figura 7. Diagrama esquemático de las componentes de un equipo lector 34 Figura 8. Curva termoluminiscente típica 35 Figura. 9 Respuesta espectral típica de algunos fotomultiplicadores comerciales. 38 Figura 10. Diferentes técnicas para medir la señal TL 41 Figura 11. Curvas típicas de los materiales TL más comunes 45 Figura 12. Curva típica de respuesta de un material TL en función de la dosis 49 Figura 13. Respuesta teórica de diversos materiales en función de la energía de radiación. 52 Figura 14. Representación esquemática del proceso del fenómeno de Lioluminiscencia 60 Figura 15. Sistema de lectura para el fenómeno de Lioluminiscencia 66 7

9 INDICE DE TABLAS Pagina TABLA 1. Sensibilidad relativa de los materiales TL más comunes. 46 TABLA 2. Solubilidad de materiales termoluminiscentes 54 TABLA 3. Materiales lioluminiscentes orgánicos e inorgánicos más comunes 58 TABLA 4. Etapas de la emisión lioluminiscente 64 TABLA 5. Criterios de prueba para la aplicación de DTL en monitoreo ambiental 78 TABLA 6. Características de los materiales TL apropiados para monitoreo ambiental 79 8

10 INTRODUCCION El fenómeno TL consiste en que algún material solido emite luz al calentarlo por debajo de su temperatura de incandescencia; todo lo anterior se da cuando el material es expuesto a una excitación como son las radiaciones ionizantes. Así, la TL consiste en la liberación de la energía almacenada en un material la cual había sido inducida por la radiación. La dosimetría termoluminiscente (DTL) se basa en el hecho de que la cantidad de luz emitida por el material TL es proporcional a la dosis de radiación recibida. Aunque la emisión de luz se representa en una gran variedad de materiales sólidos, en la práctica se utilizan pequeñas pastillas de algunos materiales especiales (dosímetros). El TL es clasificado como un fenómeno de fosforescencia consiste en la emisión de luz de un material semiconductor o aislante previamente expuesto a radiación ionizante y posteriormente estimulado con energía calorífica. También ha demostrado ser una técnica eficaz en aplicaciones dosimétricas, y esto ha propiciado que se dedique un gran esfuerzo a la búsqueda de nuevos materiales con propiedades dosimétricas que les permitan ser empleados para este tipo de aplicaciones. 9

11 Principios básicos TERMOLUMINISCENCIA La termoluminiscencia (TL) es toda emisión de luz, independiente de aquella provocada por la incandescencia, que emite un sólido aislante o semiconductor cuando es calentado. Se trata de la emisión de una energía previamente absorbida como resultado de un estímulo térmico. Esta propiedad física, presente en muchos minerales, es utilizada como técnica de datación. La datación por TL es la capacidad que tienen algunos minerales como el cuarzo y los feldespatos(los feldespatos corresponden a los silicatos de aluminio y de calcio, sodio o potasio, o mezclas de estas bases) para emitir luz cuando son calentados. El origen de esta emisión es la imperfección de su estructura cristalina, que provoca que algunos electrones libres se sitúen en niveles energéticos superiores a su nivel fundamental. Cuando se produce un aporte de calor, parte de la energía se transmite a estos electrones, los cuales, si se supera un límite de energía pueden escaparse de la trampa estructural en la que se encontraban y descender a su nivel de energía más bajo o fundamental, emitiendo en ese momento la energía sobrante en forma de luz (conocido como TL). 10

12 El cómo llegaron a situarse los electrones en dichos estados energéticos anómalos o trampas, es mediante la absorción de la energía procedente de la radiación ambiental. Cuando la radiactividad natural presente en el ambiente la procedente de los isótopos radiactivos naturales, como por ejemplo los del potasio (el isótopo radiactivo K-40) - incide sobre una estructura cristalina, puede provocar que un electrón libre absorba la energía incidente aumentando su nivel energético, y antes de retornar a su nivel fundamental quede atrapado en las trampas cristalinas. Cuanto mayor sea la radiación que se reciba, mayor será el número de electrones atrapados y mayor será la luz que se emita cuando dicho material se caliente. Vemos, por tanto, que la cantidad de luz que se emite en el momento del calentamiento dependerá del tiempo que dicho material haya estado recibiendo radiación ambiental. En la práctica para medir la termoluminiscencia de un mineral se necesitan hacer dos operaciones: El calentamiento de la muestra y la medida de la luz emitida. Se coloca la muestra en una placa calefactora. Seguidamente, se incrementa linealmente la temperatura en una atmosfera de nitrógeno, para evitar la acción de oxigeno en el aire, que podría provocar luz nociva a causa de la combustión de los restos orgánicos presentes en la muestra cerámica. La medida de la luz se consigue utilizando un fotomultiplicador, cuyo fotocátodo recoge los fotones despedidos por la muestra y los transforma en estímulos eléctricos. Estos impulsos componen una corriente que muestra el flujo luminoso producido por el mineral. Registrando esta corriente en el eje Y al mismo 11

13 tiempo que la temperatura de calentamiento en el eje X de un registrador, se tiene la curva llamada termo grama cuya área es proporcional a la luz que emana el material. En general, los principios que gobiernan la termoluminiscencia son esencialmente los mismos de aquellos responsables de todos los procesos luminiscentes y, de esta forma, la termoluminiscencia es uno de los procesos que componen el fenómeno de la luminiscencia El término radiación es muy amplio, abarca emisiones electromagnéticas como la luz visible, la infrarroja y la ultravioleta, las microondas y las ondas de radio, los rayos-x y los rayos gamma; y emisiones corpusculares como las partículas alfa y beta, los neutrones, los electrones acelerados y algunos iones pesados. Sin embargo, se emplea muy a menudo en el sentido de radiación ionizante; es decir, la que altera el estado físico de la materia en la que incide, haciendo que sus átomos queden cargados eléctricamente, esto es ionizados. En determinadas circunstancias, la presencia de tales iones en los tejidos vivos puede perturbar los procesos biológicos normales. Por lo tanto, la radiación ionizante puede constituir un riesgo para la salud humana si no se emplea en forma apropiada y segura. Por tal motivo, la medición de la cantidad de radiación, es decir, la dosimetría, es una necesidad fundamental en las aplicaciones de las radiaciones y los radioisótopos; y muy especialmente en el campo de la medicina. Las radiaciones ionizantes de mayor uso para el diagnóstico y la radioterapia, son los rayos X, los rayos gamma y las partículas beta; sin embargo, en los grandes centros 12

14 médicos, se emplean también haces de electrones de alta energía, partículas pesadas y neutrones. La dosimetría de las radiaciones ionizantes en las aplicaciones médicas abarca tanto la dosimetría en pacientes como la del personal ocupacionalmente expuesto (POE) y la dosimetría ambiental o de área en hospitales. En el primer caso las exposiciones son deliberadas y con el propósito de obtener un beneficio directo a la salud del paciente, y por consiguiente el campo de radiación está bien definido. Su objetivo es valorar el riesgo o la efectividad de la exposición. En los otros dos casos, el objetivo es verificar el cumplimiento de límites establecidos en las normas de protección radiológica. Este tipo de mediciones son efectuadas de manera más conveniente usando dosímetros termoluminiscentes (DTL). El mecanismo general para explicar el fenómeno de TL es el siguiente: al irradiar el cristal, su estructura sufre alteraciones por la ionización; en este proceso se liberan electrones de la red y se generan dos tipos de entes móviles: electrones y agujeros, ambos portadores de carga, que pueden viajar por el cristal hasta quedar atrapados en defectos de la red, generando centros de color. Los electrones y agujeros permanecen atrapados hasta que se proporciona al material la energía suficiente para liberarlos, volviéndolos a su estado natural antes de la irradiación. Cuando esto ocurre, se desprenden del exceso de energía que adquirieron, emitiendo fotones de luz visible. Si la energía que se proporciona al cristal para que los entes móviles vuelvan a su estado original es térmica, se produce el fenómeno de TL. A la 13

15 energía necesaria para liberar a los entes atrapados se le denomina energía de activación o profundidad de la trampa. Entre los fenómenos luminosos que han despertado interés están aquellos que desprenden luz sin desprender calor, o que lo hacen sin una causa aparente, como un incendio, una hoguera o el paso de una corriente eléctrica. Desde hace mucho tiempo se conocen sustancias y animales que resplandecían en las sombras, por lo que despertaban la curiosidad y las supersticiones. Las primeras referencias acerca de las luciérnagas y los gusanos luminiscentes aparecen en las crónicas chinas hace miles de años. Al cabo de unos años de esto, Aristóteles observó la luz emitida por los peces en descomposición y este, registró lo que había visto. También el avistamiento de luminosidad en los mares tropicales dio lugar a extrañas leyendas, pero cuando eran contadas las tomaban como mentiras. Cristóbal Colón en su primer viaje dijo que vio esas luces. En 1565, Nicolás Monarde escribió acerca del extraordinario color azul intenso de una parte acuosa de la madera. Esa misma solución fue estudiada casi 100 años más tarde en Alemania, Italia e Inglaterra. Los que llevaron a cabo el estudio decían que cuando la solución era iluminada con luz blanca aparecía una luz reflejada azul intensa, mientras que la luz transmitida era amarilla. Nadie identificó entonces esa luz azul intensa como emisión luminiscente hasta 1852, en que un físico inglés usando filtros y prismas demostró que la luz incidente de una región espectral era absorbida y transformada por la 14

16 solución en una luz emitida en una región espectral diferente, de mayor longitud de onda. Demostró, con ayuda de este efecto, que el cuarzo es atravesado por las radiaciones ultravioletas, mientras que el vidrio ordinario no lo es. Esta emisión luminiscente desaparecía aparentemente de forma instantánea cuando se apagaba la luz incidente, tal como hacían los espatos minerales. La luminiscencia de los sólidos dicha por primera vez en 1603 por Vicenzo Cascariolo de Bolonia, quien calentó polvos de barita natural (BaSO4) con carbón y encontró que la mezcla resultante en forma de torta brillaba en la noche. Él observó que la piedra aparentemente se cargaba de luz solar por el día y brillaba durante horas en la oscuridad. Por esto se le llamó piedra del Sol. La piedra fue estudiada también por científicos italianos. Por su aspecto poroso también la denominaron esponja solar, en la suposición de que absorbiera la luz, tal como una esponja absorbe el agua. En 1652, sin embargo, Nicolás Zucchi demostró, por medio de filtros ópticos, que el color de la luz emitida durante la noche era la misma que cuando la piedra era expuesta a la luz blanca o de otros colores, como azul o verde. En 1640, Fortuna Liceti escribió la primera monografía acerca de la piedra de Bolonia a la que los griegos llamaban litósforo o piedra de fósforo, donde fósforo significaba dador de luz. A partir de Cascariolo se designó como fosforescentes a las sustancias que presentaban la propiedad de brillar durante largo tiempo después de excitadas. El término 15

17 luminiscencia fue introducido en 1888 por un químico alemán para abarcar los dos fenómenos, la fluorescencia y la fosforescencia, y definió a la luminiscencia como todos los fenómenos luminosos no causados solamente por el aumento de la temperatura. Hoy en día, la luminiscencia se entiende como el proceso por el cual un material genera radiación no térmica (depende de las características del tipo de material). Así, la luminiscencia es la emisión de luz por medios diferentes a la combustión y por eso ocurre a temperaturas más bajas que las requeridas por la combustión. Un ejemplo de luminiscencia es la luz, o brillo, emitido por el dial de un reloj luminoso. La luminiscencia contrasta con la incandescencia, en que esta es la producción de luz por materiales calentados. Cuando ciertos materiales absorben varios tipos de energía, una parte de la energía se emite como luz. Este proceso se efectúa en dos pasos: a) La energía incidente hace que los electrones de los átomos del material absorbente se exciten y salten de las órbitas internas de los átomos a las órbitas exteriores. b) Cuando los electrones vuelven de nuevo a su estado original, emiten un fotón de luz. El intervalo entre los dos pasos puede ser corto (menos de 0,0001 segundos) o largo (muchas horas). Si el intervalo es corto, el proceso se llama fluorescencia; si el intervalo largo, el proceso se llama fosforescencia. En ambos casos, la luz producida es casi siempre de menor energía, es decir, de longitud de onda más larga, que la luz excitante. 16

18 El interior de las lámparas fluorescentes tiene recubrimientos similares, que absorben las invisibles, pero intensas componentes ultravioletas de la fuente de luz primaria y emite luz visible. También se presenta un espectáculo interesante al usar sustancias fluorescentes que son sensibles al ultravioleta, que al ser iluminados con esa luz producen un suave brillo azuloso, a esto se le da el nombre de lámparas de luz negra y se usa en teatros y espectáculos para lograr efectos luminosos, en la detección de minerales y en las pantallas de los equipos de rayos X. Un tipo especial de fluorescencia llamado emisión estimulada ocurre en el funcionamiento de un láser. En dependencia de la clase de excitación que produce la luminiscencia se le asignan diferentes nombres, que se señalan por prefijos, aunque en español se utiliza muchas veces un par de palabras como luminiscencia catódica en lugar de catodoluminiscencia, así tenemos 8 tipos distintos: Quimioluminiscencia: Es causada por reacciones químicas, como cuando el fósforo amarillo se oxida en aire, emitiendo una luminiscencia verde. Si la reacción química ocurre en un organismo viviente, tal como la luciérnaga, el proceso se llama bioluminiscencia. Bioluminiscencia: Emisión de luz por organismos vivientes, sin calor apreciable. La luz resulta de una reacción química de enzimas y ciertas otras sustancias en los organismos. Bacterias, algas, hongos y varios animales invertebrados tienen especies bioluminiscentes. Algunos peces de mares profundos están equipados 17

19 con órganos que producen luminiscencia hacia la que se ve atraída la presa. La luz emitida por la luciérnaga hembra atare al varón para el apareamiento. Roentgen luminiscencia: Luminiscencia producida por rayos X de altas energías al bombardear ciertos materiales; un ejemplo es la incidencia de los rayos X en una pantalla fluoroscópica. Catodoluminiscencia: Es conocida también como electroluminiscencia y es debida a la excitación por electrones. Tiene lugar cuando ocurren descargas eléctricas en presencia de gases enrarecidos o con vapores de ciertas sustancias. De ahí los llamados rayos catódicos que se utilizan en las pantallas de diferentes tipos de dispositivos, como: televisores, radares, etc. Anodoluminiscencia e iono luminiscencia: Corresponden a la luminiscencia en ánodos debida a la acción de iones positivos sobre la sustancia Radio luminiscencia: Es la luminiscencia producida por la acción de materiales radiactivos; se utiliza en los sistemas de centelleo para la detección y conteo de partículas. El término no es específico acerca de qué tipo de emisión proveniente de la radiactividad es la que la causa, es decir, alfa, beta o gamma. Fotoluminiscencia: Es la creada cuando ciertos materiales son irradiados por luz visible o luz ultravioleta; un ejemplo es la fosforescencia de pinturas. 18

20 Sonoluminiscencia: Se ha observado en algunos líquidos orgánicos, es la luminiscencia producida por ondas sonoras de ultra altas frecuencias, o ultrasonidos. Las aplicaciones prácticas de la Termoluminiscencia (TL) se iniciaron después de la II Guerra Mundial, en la Universidad de Wisconsin, donde Daniels comienza a estudiar el LiF (Daniels, 1953); sin embargo, tuvo que suspender su trabajo en 1956, debido a las características poco adecuadas de este material para dosimetría. Fue en 1960, cuando Cameron, en la misma universidad, reanudó las investigaciones sobre la TL del LiF introduciendo a éste impurezas de Mg y Ti (Cameron, 1982), llegando a desarrollar el famoso TLD-100 (LiF: Mg, Ti) el cual, no obstante que tiene algunas características desfavorables, es todavía el dosímetro termoluminiscente (DTL) más popular y, para mucha gente que conoce sólo superficialmente el campo, resulta sinónimo del término DTL. En México, la investigación acerca del fenómeno de TL y sus aplicaciones se inició en Desde entonces existen diversos grupos que la aplican en radioterapia, radiodiagnóstico, protección radiológica, radiobiología, fitomejoramiento, etc. La investigación ha estado enfocada principalmente hacia el estudio de la cinética de recombinación entre los electrones y los agujeros y al desarrollo de nuevos materiales para dosimetría. En la actualidad, científicos de más de 50 países trabajan tanto en la investigación como en las aplicaciones del fenómeno. Es tal la importancia que ha adquirido el estudio de la 19

21 TL y sus aplicaciones, que desde 1965 se lleva a cabo una Conferencia Internacional Sobre Dosimetría de estado Sólido, en la que la TL tiene un papel preponderante. Así mismo, en México se realiza cada año, a partir de 1988, un Congreso Nacional Sobre Dosimetría de Estado Sólido. Luminiscencia La luminiscencia se presenta en una gran variedad de materiales tales como: cristales inorgánicos, vidrios, cerámicas y compuestos orgánicos, así como en ciertos materiales bioquímicos y biológicos. Los materiales que presentan este fenómeno pueden dividirse en dos grandes grupos: materiales inorgánicos y materiales orgánicos. En los primeros, la luminiscencia se debe principalmente a la formación de electrones libres y agujeros, mientras que en los orgánicos a la formación de radicales libres. En algunos casos se emite luz solamente mientras se mantiene la excitación, fenómeno que se conoce como fluorescencia, con una duración aproximada de 10-8 segundos; y en otros, la luz persiste cuando se elimina la excitación, fenómeno al que se le da el nombre de fosforescencia, con una duración mucho mayor de 10-8 segundos. 20

22 En vista de la similitud de estos dos fenómenos con el de termoluminiscencia (TL); ya que los tres tienen el mismo origen y solo difieren en la manera en que se liberan de la energía que les fue impartida, en seguida se explican con mayor detalle. Fluorescencia y fosforescencia Durante la fluorescencia, los electrones de un átomo o molécula excitados pueden permanecer un promedio de 10-8 s en su estado excitado, volviendo a su estado fundamental con la emisión de un fotón de longitud de onda más larga que la de la radiación incidente. En el proceso de fosforescencia, se presenta excitación electrónica en la misma forma que en la fluorescencia, solamente que el regreso al estado fundamental no es tan rápido como en el primer caso. El regreso del átomo o molécula a su estado base puede llevarse a cabo en un tiempo comprendido entre 10-2 y 10 2 s. La explicación a este retraso es la existencia de estados excitados metaestables, cuyo retorno al estado base se ve impedido por algunas causas como: la temperatura a la cual el material es examinado, la naturaleza del agente excitante y las características de saturación del material. La transición del estado meta estable al fundamental se puede llevar a cabo mediante la aplicación de una excitación complementaria que puede ser, por ejemplo, térmica. La figura 1a representa el esquema de niveles de energía usado en luminiscencia. El sistema emisor es producido por la excitación del nivel fundamental (f) al nivel excitado 21

23 (e). El regreso al nivel fundamental se efectúa espontáneamente con emisión de luz en un tiempo aproximado de a 10-8 s, dando lugar a la fluorescencia. La figura 1b representa un esquema similar al anterior. En este caso, interviene un estado meta estable (m). El sistema queda en un estado excitado (e) para caer después al nivel meta estable (m) que juega el papel de trampa, del cual no puede ser extraído; por lo que permanece en ese nivel hasta que se le proporcione la energía suficiente (energía de activación) para sacarlo de ese estado. Si el sistema no regresa al estado meta estable; es decir, no es recapturado por la trampa, entonces pasa al estado fundamental (f) emitiendo un fotón de luz, con lo que se produce el fenómeno de fosforescencia (Curie, 1963). FLUORESCENCIA e E FOSFORESCENCIA e ABSORCION EMISION m NIVEL METAESTABLE EMISION f f a) b) Figura 1. Esquema de niveles de energía usado para explicar el fenómeno de luminiscencia Luminiscencia en cristales 22

24 En un sólido cristalino aislante, se consideran tres espacios continuos de energía a los que se llama bandas. Se denomina banda de valencia (BV) a la que está constituida por el grupo de estados de energía que contiene a los electrones de la capa externa del átomo (electrones de valencia); la que contiene los estados de energía que no pueden ser ocupados por los electrones se llama banda prohibida (BP), y la que corresponde a los primeros estados excitados, es decir, estados electrónicos con exceso de energía, se llama banda de conducción (BC) y normalmente se encuentra vacía. Antes de la irradiación, los átomos que constituyen un cristal están en su estado fundamental. Los niveles energéticos de sus electrones están situados en la banda de valencia. Si el sólido se somete a la radiación ionizante, ciertos electrones adquieren la energía suficiente para ser sacados de sus órbitas y transferidos a la banda de conducción, dejando los correspondientes agujeros en la banda de valencia. En un sólido cristalino perfecto, los átomos ocupan posiciones ordenadas en una estructura reticular periódica; por lo que la existencia de cualquier alteración en esta estructura constituye un defecto. En la naturaleza no existen cristales perfectos, sino que contienen un cierto número de defectos o de átomos de impurezas que perturban el diagrama de energía. Los defectos o imperfecciones pueden estar constituidos por la ausencia de iones de uno u otro signo, llamada vacancia, o por iones intersticiales; es decir, iones de uno u otro signo, que por razones diversas han sido desplazados de su posición normal en la red cristalina dejando la correspondiente vacancia y quedando inmovilizados; si están en la superficie del cristal, 23

25 se les llama defectos Schottky y si están en posiciones intersticiales dentro de la red cristalina se les llama defectos Frenkel (ver figura 3). La existencia de defectos en la red cristalina de un sólido es importante para que se produzca el fenómeno de luminiscencia cuando el cristal es expuesto a un agente excitante tal como las radiaciones ionizantes. El hecho de que los defectos perturben el diagrama de energía del cristal, hace que se creen localmente niveles de energía metaestables permitidos en la banda prohibida. Ión alcalino Ión halógeno Figura 2. Representación esquemática para un ión halogenuro alcalino perfecto 24

26 Figura 3. Defectos Schottky y Frenkel en un sólido cristalino Radioluminiscencia Cuando un sólido cristalino es expuesto a la acción de un agente excitante, como las radiaciones ionizantes, se producen electrones libres y consecuentemente agujeros. Estos portadores de carga o entes móviles, migran por la red y pueden ser capturados por las imperfecciones antes mencionadas; entonces decimos que están retenidos dentro de las trampas. 25

27 En el caso, por ejemplo, de un electrón que se mueve en la banda de conducción, al pasar por la proximidad de una vacancia de ion negativo o de un ion positivo intersticial, sufrirá la atracción coulombiana de las cargas positivas correspondientes y podrá así ser inmovilizado en una trampa, como se muestra en la figura 4, dando lugar a la formación de centros de color. Figura 4. Representación esquemática de Centros F Se da el nombre de centros de color a determinadas configuraciones electrónicas originadas por defectos de la red cristalina, cuyos niveles de energía producen bandas de absorción óptica en longitudes de onda a las que el cristal es normalmente transparente (Fowler, 1968). La posibilidad de absorber luz hace que el cristal se coloree, por lo que a estas configuraciones se les llama centros de color. 26

28 Al centro constituido por un electrón atrapado en una vacancia de ión negativo se le llama centro F (Flick, et al., 1977). Se puede evidenciar la presencia de este tipo de centros, estudiando el espectro de absorción óptica (mediante la presencia de la banda de absorción F). Si el centro ha capturado dos electrones, se le llama centro F ; Por analogía con el centro F, se le llama centro V F, a aquel constituido por un agujero situado en el lugar de una vacancia de ión positivo. Estos centros se pueden agrupar para formar agregados de dos, tres o cuatro centros, dando origen a un centro M, R o N, respectivamente. El fenómeno de creación de centros de color se puede provocar también induciendo estados metaestables, mediante la introducción de impurezas a la red cristalina, con lo que se crean estados de energía suplementarios en la banda prohibida, los cuales son susceptibles de jugar el papel de trampas. Este método es el más comúnmente utilizado para la creación de trampas porque permite efectuar experimentos reproducibles. Por ejemplo, un cristal de LiF al que se le han introducido una pequeña cantidad (ppm) de MgF 2 se dice que está activado con magnesio. El exceso local de carga positiva se compensa por la creación de una vacancia de ión alcalino (Horowitz, 1984), que puede jugar el papel de trampa para agujeros. Los cristales fosforescentes por lo general no son luminiscentes en estado puro; sino que la luminiscencia se debe a la presencia de trazas de alguna impureza que crea los centros de recombinación radiactiva. Estas impurezas reciben el nombre de activadores y dan lugar a estados metaestables de energía en la banda prohibida, los que actúan como 27

29 trampas o centros de recombinación. Si esta se lleva a cabo acompañada de emisión luminosa se dice que se trata de una recombinación radiactiva en un centro luminiscente. En un centro luminiscente, la probabilidad de emisión luminosa P r es mayor que la probabilidad de emisión no radiactiva o emisión de fotones, P r >> P nr ; en el caso contrario P nr >> P r se trata de un centro envenenado; como en el caso por ejemplo de fierro, níquel o cobalto como impurezas de los sulfuros de zinc en los que actúan como venenos. El fenómeno de luminiscencia recibe nombres particulares dependiendo del agente excitante; así, lo llamamos radio luminiscencia cuando el agente excitante es la radiación ionizante. De la misma manera, la radio luminiscencia se denomina de acuerdo con el tipo de energía que se proporciona a los centros luminiscentes para desexcitarlos. Si esta energía se proporciona por medio de radiación de frecuencia óptica, el fenómeno se llama radio fotoluminiscencia (RFL), y si la des excitación se logra con energía térmica se le conoce como radio termoluminiscencia o más comúnmente como termoluminiscencia. Termoluminiscencia Ciertos sólidos previamente irradiados tienen la propiedad de emitir luz, si se eleva su temperatura a un valor suficiente por debajo de su temperatura de incandescencia. A este fenómeno se le conoce como radioluminiscencia térmicamente estimulada; sin embargo, 28

30 por razones históricas (Nambi, 1975), se le llama radiotermoluminiscencia o simplemente termoluminiscencia (TL). La importancia de este fenómeno en la dosimetría de la radiación ionizante radica en el hecho de que la cantidad de luz emitida es proporcional a la dosis absorbida por el material irradiado. El mecanismo general para explicar el fenómeno de TL es el siguiente: al irradiar el cristal, su estructura sufre alteraciones por la ionización; en este proceso se liberan electrones de la red y se generan dos tipos de entes móviles: electrones y agujeros, ambos portadores de carga, que pueden viajar por el cristal hasta quedar atrapados en defectos de la red, generando centros de color. Los electrones y agujeros permanecen atrapados hasta que se proporciona al material la energía suficiente para liberarlos, volviéndolos a su estado natural antes de la irradiación. Cuando esto ocurre, se desprenden del exceso de energía que adquirieron, emitiendo fotones de luz visible. Si la energía que se proporciona al cristal para que los entes móviles vuelvan a su estado original es térmica, se produce el fenómeno de TL (Schulman, 1965). A la energía necesaria para liberar a los entes atrapados se le denomina energía de activación o profundidad de la trampa. Modelo de bandas de energía 29

31 Hasta la fecha, no hay una teoría que explique completamente el fenómeno de TL. Sin embargo, varios modelos tratan de explicarlo a partir de la existencia de tres elementos principales: los centros de recombinación, los entes móviles o portadores de carga y las trampas. Además, se usa el modelo de bandas del sólido respecto a sus estados electrónicos de energía. Se supone que en la banda prohibida existen estados excitados de energía que tienen una vida media relativamente grande (estados metaestables), que son producidos por los defectos de la red cristalina del material y pueden funcionar como trampas o centros de recombinación. Al interaccionar la radiación ionizante con el sólido, se puede proporcionar la energía suficiente para crear los entes móviles; es decir, los electrones y los agujeros (portadores de carga). Los primeros son transferidos de la banda de valencia a la de conducción, mientras que los agujeros quedan en ésta al ocurrir la transferencia de los electrones. Estos portadores de carga viajan por el cristal hasta que se recombinan; o bien son atrapados en estados metaestables de energía, asociados con los defectos del material, tal como se ilustra en la figura 5a. Posteriormente, durante el calentamiento del sólido irradiado, los electrones y los agujeros son liberados de sus trampas para viajar por el cristal, hasta que se recombinan emitiendo un fotón de luz visible como se muestra en las figuras 5b a 5d. a) Exposición del cristal a la radiación b), c), y d) Calentamiento del cristal previamente irradiado. 30

32 Figura5. Diagrama de bandas de energía para explicar el fenómeno de termoluminiscencia Formación de la curva termoluminiscente El proceso de emisión luminosa durante el calentamiento del cristal implica la desocupación de las trampas en el cristal. Este proceso, se muestra en la figura 13. La curva superior representa la probabilidad de desocupación de las trampas en función de la temperatura; a baja temperatura, esta probabilidad es cero o despreciable ya que los 31

33 portadores de carga no tienen la suficiente energía cinética para escapar del pozo de potencial. A medida que aumenta la temperatura, la probabilidad de que las trampas se desocupen aumenta y generalmente lo hace de cero a la unidad en un intervalo de temperatura de 283K (10ºC) a 323 k (50ºC). Durante este intervalo de temperatura, una fracción de los portadores de carga liberados se dirige hacia los centros de recombinación haciendo que disminuya la población de portadores de carga atrapados, por lo que la intensidad de la luz emitida alcanza un máximo dando origen a un patrón de luminiscencia en función de la temperatura llamado curva TL (Levy, 1974). Si el cristal contiene más de un tipo de trampas (que es lo más común), este proceso se repite para cada grupo de trampas, dando lugar a varios puntos de máxima intensidad de emisión luminosa en la curva TL, los cuales se conocen comúnmente como picos TL. Cada pico está caracterizado por la temperatura a la cual se presenta la máxima intensidad de la emisión (T m ), por la energía de activación o profundidad de la trampa (E) y por el factor preexponencial o factor de frecuencia (s). 32

34 Intensidad ESTUDIO COMPARATIVO DE MATERIALES DOSIMETRICOS Temperatura Figura 6. Proceso de formación de la curva TL Espectro de emisión El hecho de que la luz emitida corresponda a fotones de diferentes energías da lugar a un registro de su intensidad en función de la longitud de onda de la misma, que se conoce como espectro de emisión TL; éste también puede presentar varios puntos de intensidad máxima, a los cuales se les llama picos de emisión. Dosimetría Termoluminiscente En un material TL, el número de recombinaciones radiativas es proporcional al número de iones atrapados y por lo tanto, al número de pares electrón-agujero, creados por 33

35 ionización. En definitiva, la luminiscencia emitida es proporcional, dentro de ciertos límites, a la dosis absorbida por la sustancia TL. Además, se ha demostrado que, tanto el área bajo un pico TL como la amplitud del mismo, a una rapidez de calentamiento constante, son proporcionales al número total de iones capturados en las trampas; por lo tanto, el área bajo la curva TL es representativa de la energía luminosa liberada. Esta propiedad es utilizada por la mayoría de los lectores TL comerciales en los que las medidas se efectúan a partir de la emisión total de uno o varios picos de la curva TL. Esto hace que los materiales TL pueden utilizarse como dosímetros en el intervalo en que su respuesta es lineal con respecto a la dosis absorbida. Instrumentación para la termoluminiscencia El fenómeno de termoluminiscencia (TL) consistente en la emisión de luz por un material, previamente expuesto a la radiación, al ser calentado por debajo de su temperatura de incandescencia, tiene lugar en el instrumento de lectura. El principio de lectura de un material TL es entonces directo y sencillo. En un tiempo relativamente corto (unos cuantos segundos o unos cuantos minutos) el material TL debe ser calentado desde la temperatura ambiente hasta aproximadamente 300ºC, y la luz emitida debe ser medida en forma cuantitativa. Por consiguiente, un lector TL consiste básicamente de tres partes (ver figura 7) a) Sistema de calentamiento b) Detector de luz 34

36 c) Sistema acondicionador de la señal SISTEMA DE CALENTAMIENTO SISTEMA DE DETECCION DE LUZ SISTEMA DE MEDICION DE LA SEÑAL REGISTRO DE LA TL INTEGRADA CURVA TL Figura 7. Diagrama esquemático de las componentes de un equipo lector El diseño de un lector TL es relativamente fácil; sin embargo, hay que considerar algunos problemas particulares inherentes a las características específicas del método de dosimetría termoluminiscente (DTL) tales como las siguientes: - La DTL es un método destructivo; es decir, casi toda la energía absorbida en el material se pierde durante el proceso de lectura. - El comportamiento de un material TL depende de su historia térmica - La DTL es un método secundario por lo que se requiere alta estabilidad en el lector. Durante los últimos años, se han desarrollado un gran número de sistemas de lectura TL tanto comerciales como en laboratorios de investigación para uso propio. Se discuten los principios de la instrumentación para DTL. Componentes electrónicas de un lector TL 35

37 INTENSIDAD TL ESTUDIO COMPARATIVO DE MATERIALES DOSIMETRICOS El punto de partida para el diseño de la electrónica fundamental de un lector TL convencional es la curva TL de un material. La curva TL se define como el registro de la emisión luminosa de un material TL, previamente expuesto a la radiación, en función del tiempo o de la temperatura de calentamiento. Una curva TL puede presentar uno o varios picos (ver figura 9), los cuales se pueden agrupar en la forma siguiente: I) Pico(s) de precalentamiento II) Pico(s) dosimétrico(s) III) Pico(s) de pos calentamiento I II III TEMPERATURA Figura 8. Curva termoluminiscente típica 36

38 El pico o grupo de picos dosimétricos (región II de la figura 9) reciben este nombre porque se ha encontrado que la dosis total suministrada a un material TL es proporcional a: i) La altura del pico dosimétrico ii) El área integrada bajo la curva TL en la región II de la figura 8 Sistema de calentamiento Uno de los requisitos esenciales para el calentamiento de un material TL es que existe óptimo contacto térmico entre el dispositivo que calienta y el material TL, ya que un contacto térmico inapropiado afectará la reproducibilidad de los resultados. Los métodos de calentamiento más comunes son aquellos que calientan la muestra en forma indirecta tales como: plancheta de calentamiento, bloque de calentamiento ( dedo caliente ), gas caliente, radiofrecuencia, frecuencia óptica laser. Plancheta de calentamiento Las planchetas de calentamiento pueden ser fijas o intercambiables y algunas son calentadas indirectamente; pero por lo general actúan como el elemento calentador mismo mediante el paso de una corriente eléctrica alta (del orden de 200 A) a través de ella. La energía eléctrica para alimentar la plancheta de calentamiento es proporcionada por lo general por un transformador de bajo voltaje y alta corriente, conectando la plancheta al 37

39 secundario del transformador y cerrando el circuito con una resistencia pequeña (alrededor de 10 m ) al colocar la plancheta en la posición de lectura. Es común que ésta vaya colocada en un cajón, el cual puede ser introducido o sacado de la cámara obscura para leer o colocar el material TL respectivamente. El material para la plancheta debe ser un metal de baja capacidad térmica, vida útil larga, baja emisividad en la región infrarroja y que no sufra cambios apreciables en su reflectividad. Además, la forma y tamaño de la plancheta deben adaptarse a la forma y tamaño del material TL que se va a leer. La temperatura de al plancheta se controla mediante el voltaje que la alimenta. Para dar una señal de retroalimentación negativa a la unidad de control de voltaje, se utiliza un termopar, el cual si se suelda a la plancheta proporciona un contacto adecuado pero limita la posibilidad de cambiar la plancheta. Cuando el termopar se presiona contra la plancheta el contacto térmico no es confiable y por lo tanto no se tiene reproducibilidad. Una solución para ambos problemas consiste en calentar la plancheta en forma indirecta por medio de un elemento de calentamiento separado el cual se pone en contacto con ella y con el termopar soldado a dicho elemento. En cualquiera de los casos, el termopar debe ir conectado a un circuito para controlar la temperatura. Sistema detector de luz Con el propósito de obtener la máxima eficiencia de detección de luz, el objetivo principal es concentrar la mayor cantidad de la luz emitida por el material TL sobre el elemento sensible del detector de luz. 38

40 Figura. 9 Respuesta espectral típica de algunos fotomultiplicadores comerciales. El método más común para medir la luz cuantitativamente consiste en usar un tubo fotomultiplicador (TFM) y, en principio, la máxima eficiencia se obtendría colocando el material TL en contacto directo con el fotocátodo del TFM. Sin embargo, debido a la alta sensibilidad del fotocátodo a la temperatura, se requiere una separación térmica. Para conseguir este propósito se han aplicado varios métodos tales como: sistemas de lentes, filtros térmicos, capas de agua, capas de vacío, tubos de luz, sistemas de espejos, etc. Por lo general, el espectro de emisión TL se localiza en la región visible por lo que se hace necesario usar filtros para absorber la radiación infrarroja. Las características importantes para el buen funcionamiento del detector de luz de un lector TL son: la respuesta espectral del fotocátodo, la sensibilidad, la corriente obscura y la estabilidad en la amplificación. 39

41 La selección de la respuesta espectral depende del material TL que se desea medir. La figura 10 da un ejemplo de varios TFM con diferente respuesta espectral. La corriente obscura, es decir la corriente del ánodo del TFM generada por éste sin señal luminosa, se debe principalmente a la emisión térmica de electrones del cátodo. Algunos TFM, aún del mismo tipo, pueden presentar grandes variaciones en la corriente obscura; por lo que es conveniente seleccionarlos por su bajo ruido. Además, la corriente obscura se puede bajar enfriando el TFM. Otros factores que afectan el valor de la corriente obscura son el área del fotocátodo y la corriente de fuga. La sensibilidad y la razón señal-ruido pueden ser afectadas por campos magnéticos generados por la electricidad usada para el calentamiento de la muestra; en especial cuando se usa corriente directa. Este efecto se puede reducir aislando el TFM de campos eléctricos y magnéticos. También debe tenerse en cuenta que debe hacerse un compromiso entre sensibilidad y corriente obscura ya que al aumentar una aumenta también la otra. Flujo de gas La mayoría de los lectores TL tiene un dispositivo para hacer fluir un gas dentro de la cámara de calentamiento; es decir, en el volumen contenido entre el elemento de calentamiento y el TFM. El flujo de gas sirve para reducir y estabilizar la corriente obscura mediante el enfriamiento de la cara frontal del TFM y para suprimir la TL espuria. 40

42 Fuente de alto voltaje En virtud de que la carga sobre el TFM es prácticamente independiente de la señal de salida, se requiere que la corriente directa a la salida de la fuente de alto voltaje sea constante. Esto se logra usando una entrada regulada de bajo voltaje en el circuito oscilador. Fuente de luz de referencia Para verificar la estabilidad del lector TL y calibrar el sistema de lectura, por lo general, se usa una fuente constante de luz de referencia esta fuente de luz se coloca cerca del elemento de calentamiento de tal manera que al quedar éste en la posición de intercambio de dosímetros, la fuente de luz quede colocada directamente frente al TFM. Las lecturas de luz de referencia deben efectuarse durante intervalos de tiempo prefijados y la lectura depende del alto voltaje aplicado al TFM. Estas fuentes de luz generalmente consisten de una mezcla de un radionúclido de vida media larga emisor o ( 14 C, 90 Sr, 226 Ra, 75 Kr, etc.) con un material fluorescente. La interacción de la radiación con el material fluorescente produce la emisión de luz. Sistema acondicionador de la señal Este sistema sirve esencialmente para convertir la señal de salida del TFM en una magnitud que pueda medirse cuantitativamente. Esto puede hacerse de diversas maneras, siendo las más comunes: conteo de pulsos, medición de corriente directa o conteo de fotones (ver la figura 11) 41

43 a) TFM CONVERTIDOR DE CORRIENTE A FRECUENCIA ESCALADOR MEDIDOR DE RELACION GRAFICADOR b) INTEGRADOR CD SALIDA DIGITAL TFM AMPLIFICADOR CD MEDIDOR DE RELACION c) ESCALADOR TFM AMPLIFICADOR DE PULSOS DISCRIMINADOR MEDIDOR DE RELACION GRAFICADOR Figura 10. Diferentes técnicas para medir la señal TL. (a) Conteo de pulsos, (b) Integración de la corriente, (c) Conteo de fotones 42

44 En el método de conteo de pulsos, la corriente de salida del TFM es convertida en una serie de pulsos de voltaje de amplitud fija, cuya frecuencia sea proporcional a la corriente en varias décadas. La frecuencia del tren de pulsos puede medirse con un medidor de relación ( ratemeter ) el cual proporciona una señal proporcional de voltaje entre mv de corriente directa. El número de pulsos correspondientes a la TL emitida durante el ciclo de lectura, puede ser contado y registrado en un escalador de pulsos. En el método de medición de corriente integrada o carga, la corriente de salida del TFM es amplificada por un amplificador de corriente directa. Esta corriente amplificada puede ser registrada en un graficador X-Y. Para tener una salida visual, el integrador se acopla a un sistema digital cuya entrada analógica sea la salida del integrador. En el método de conteo de fotones, cada pulso formado en el ánodo del TFM corresponde a un evento fotoeléctrico en el fotocátodo. Si varía la ganancia del TFM, sólo cambia la amplitud del pulso y no la frecuencia. Los pulsos cuya altura se sabe que corresponden a aquellos producidos por señales TL son seleccionados por medio de un discriminador el cual no acepta los pulsos de baja amplitud asociados a la corriente obscura de origen termoiónico. 43

45 Características dosimétricas de materiales termoluminiscentes Cualquier material que se pretenda sea útil en dosimetría en base al fenómeno de termoluminiscencia debe presentar ciertas características básicas tales como: una curva TL adecuada, buena sensibilidad, bajo umbral de detección, respuesta lineal en función de la dosis, respuesta independiente de la energía, desvanecimiento bajo, buena reproducibilidad, etc. En seguida se analizan cada una de estas características. Curva termoluminiscente Se utiliza el término curva termoluminiscente (curva TL), para indicar la representación gráfica de la cantidad de luz emitida (intensidad TL) en función de la temperatura o del tiempo. Este patrón de luminiscencia en función de la temperatura, es característico de cada material TL y puede presentar uno o varios máximos, llamados picos TL, en proporción a la concentración de los distintos tipos de trampas presente. La aparición de picos TL a bajas temperaturas, indica que existen trampas en estados metaestables de baja energía, que se desocuparán fácilmente a temperatura ambiente en un corto tiempo; o bien, proporcionando al material un tratamiento térmico a baja temperatura. Una curva TL con picos (de preferencia uno solo) entre 150ºC y 250ºC, será la más apropiada para dosimetría, por lo que, aquellos materiales cuya curva TL presente picos a temperaturas muy bajas o muy elevadas, será inconveniente. Así mismo, una curva TL cuyos picos no están bien definidos, dificulta la selección del punto final de 44

46 integración de la luminiscencia (Azorín, 1984). La figura 1 presenta las curvas TL típicas de los materiales TL más comunes. La forma de la curva TL puede ser alterada por diversos factores. Así, es común que, en la mayoría de los materiales TL, las variaciones en los niveles de exposición produzcan cambios en la forma de la curva TL, debido a que no todas las trampas se saturan a la misma exposición. Así mismo, un tratamiento térmico, previo a la lectura, modificará la forma de la curva TL. Sensibilidad La sensibilidad de un material TL puede definirse como la cantidad de luz emitida por el material por unidad de exposición a la radiación, y está determinada por su eficiencia TL intrínseca,, la cual representa la proporción de la energía absorbida que se transforma en fotones luminosos. La determinación de este parámetro es muy complicada ya que depende de las características del lector tales como la respuesta espectral del tubo fotomultiplicador (TFM), el coeficiente de amplificación electrónica, etc. y de las características físicas del material TL, especialmente de su transparencia óptica. 45