Formas de detección

Los métodos de detección de radiación $\gamma$ utilizan los efectos de ésta sobre la materia para saber su presencia y poder caracterizar el campo de radiación. Existen varios tipos de detectores $\gamma$ pero los más importantes son: los centelladores y los de cristales semiconductores. Los detectores de centelleo utilizan cristales (ej. NaI, CsI) o líquidos (soluciones de cristales) para su funcionamiento que se basa en la excitación de cristales que liberan la energía emitiendo fotones de menor energía, pero proporcional al fotón $\gamma$ que incide en ellos (Knoll, 1989.215). Este fotón de menor energía puede liberar electrones de metales por medio de efecto fotoeléctrico. Estos electrones liberados son acelerados por medio de fuertes diferencias de potencial hasta que colisionan con otros electrones en otra placa metálica liberándolos de sus átomos. Estos electrones liberados son nuevamente acelerados hacia otra placa metálica y repiten el efecto. Dicho proceso se repite

Figura 7.2: Tubo fotomultiplicador

$$\includegraphics[height=13cm]{fotomul.ps}$$

Fuente: (Knoll, 1989.252)

varias veces en los dinodos (ver figura 7.2) que son las placas metálicas colocadas a diferencias de potencial donde los electrones colisionan y se desaceleran. Al sistema en conjunto se la llama fotomultiplicador por la función que realiza. Lo que sale del fotomultiplicador es un pulso electrónico causado por todos los electrones arrancados en los dinodos. El tamaño de dicho pulso está relacionado con la energía del rayo $\gamma$ que inició todo el proceso por lo que el pulso puede ser utilizado no solo para determinar que hay rayos $\gamma$ presentes en el medio sino también para estimar la energía de estos. Los detectores de cristales semiconductores utilizan las propiedades de los semiconductores de poder ser aislantes y conductores según se desee. Un semiconductor es un material que en condiciones normales no es un buen conductor de electricidad debido a que tienen su última capa electrónica a medio llenar (4 de 8 electrones posibles) y pueden formar cristales de forma tal que todos los átomos internos del cristal llenan su última capa electrónica. Los semiconductores más apropiados son el germanio y el silicio con valencia 4. Como ya se mencionó los cristales de semiconductores puros son aislantes, sin embargo, si se añaden impurezas al cristal se pueden cambiar drásticamente sus propiedades eléctricas. Al añadir átomos de valencia 5 en el proceso de cristalización de los semiconductores habrán átomos en la estructura cristalina con un electrón libre, el cual hará que el material se convierta en conductor. A esta clase de materiales se les llama tipo n. Cuando se añaden átomos de valencia 3 al semiconductor, entonces no habrán suficientes electrones en el cristal para llenar todas las nubes electrónicas de los átomos y quedaran algunos huecos los que se comportan como cargas positivas libres dentro del cristal y el material se convierte en conductor. A esta clase de materiales se les llama tipo p. Los efectos interesantes de los semiconductores aparecen cuando en el mismo cristal se forman un material del tipo n en una mitad y de tipo p en la otra. Al aplicar una diferencia de potencial al cristal tal que el menor potencial (negativo) se encuentre del lado tipo p y el mayor potencial (positivo) del lado tipo n, las cargas positivas del tipo p se movilizarán hacia el lado ``negativo'' de la diferencia de potencial y los electrones del tipo n hacia el ``positivo'' dejando la región intermedia del cristal sin ninguna carga libre por lo que el cristal se comportará como un aislante. En estas condiciones se dice que el cristal está polarizado en ``inversa''. Al colocar la diferencia de potencial en forma contraria al cristal mencionado en el párrafo anterior, es decir, el ``negativo'' en el tipo n y el ``positivo'' en el tipo p, las cargas libres de ambos lados se moverán a través del cristal haciendo que se comporte como un conductor. En estas condiciones se dice que el cristal está polarizado en ``directa''. Para construir un detector de rayos $\gamma$ se utiliza un cristal con ``junturas'' de tipo n y p para polarizarlo en inversa y tener una región aislante en medio bajo una diferencia de potencial. A esta región se le llama zona de depleción. Cuando un rayo $\gamma$ incide en la zona de depleción del cristal, éste libera un electrón por efecto fotoeléctrico. Si la diferencia de potencial en la zona de depleción es grande, el electrón liberado se acelerará hacia la región tipo n del cristal y en su camino arrancará otros electrones produciendo un pulso electrónico al salir del cristal. El tamaño del pulso, al igual que en los detectores de centelleo, está directamente relacionado con la energía del rayo $\gamma$ que incidió en el cristal de manera que es posible determinar la energía del rayo $\gamma$. Los detectores de cristales semiconductores se fabrican con combinaciones de Si-Li y HpGe (germanio hiperpuro). Estos detectores funcionan a temperaturas alrededor de 70 K para eliminar en su totalidad los electrones libres de la zona de depleción y utilizar diferencias de potencial más elevadas (aprox. 3,000 V) con lo que el proceso de detección se hace más eficiente. Para analizar el pulso en forma eficiente son necesarios varios procesos de amplificación, debido a que un solo amplificador distorsionaría el pulso por necesitar un factor de amplificación muy grande y el proceso sería demasiado sensible a perturbaciones externas como golpes en los cables. Para evitar la introducción de perturbaciones a los pulsos por los cables, inmediatamente después de que el pulso electrónico es generado en el cristal, éste se colecta y se amplifica por un preamplificador que se encuentra dentro del detector. Luego sale del detector por medio de cable coaxial y es nuevamente amplificado para ser enviado por cable coaxial al sistema encargado de procesar los pulsos. Los pulsos pueden ser procesados de diferentes formas según lo que se desee hacer. Si lo que se necesita es solo contar el número de rayos $\gamma$ que inciden en el detector se utiliza un monocanal que cuenta cuantos pulsos se genera en un intervalo de tiempo dado y que se encuentran dentro de un cierto rango de energía. Si lo que se necesita es conocer no solo cuantos pulsos se generan sino también catalogarlos por el tamaño de estos, entonces se utiliza un multicanal que subdivide el rango de tamaño aceptable para los pulsos en un número determinado de ``canales''. Cuando llega un pulso al multicanal esté mide su tamaño y lo cuenta con todos los pulsos que se encuentran dentro del mismo rango de tamaño para ese canal. Entonces el multicanal lo que hace es un histograma de frecuencia del tamaño de los pulsos que llegan a éste. Como el tamaño del pulso generado en el detector está relacionado con la energía del rayo $\gamma$ que lo produjo, es posible hacer una correlación entre el tamaño del pulso contra la energía del rayo $\gamma$ que lo produjo, entonces el histograma obtenido por el multicanal se convierte en un espectro de energía de los rayos $\gamma$ que incidieron en el detector. El espectro de energía $\gamma$ revela cuál es la energía y la intensidad de los rayos $\gamma$ que inciden en el detector y, por consiguiente, revela cuáles son los elementos radiactivos presentes en el entorno que rodea al detector debido, como se mencionó en el capítulo 1, a los rayos $\gamma$ son característicos de cada núcleo. Para la correlación mencionada, entre el tamaño del pulso y la energía del rayo $\gamma$ que lo produce es necesario calibrar experimentalmente el detector y toda la electrónica asociada. Para ello se coloca cerca del detector una fuente radiactiva de energía conocida y se ve el tamaño del pulso que genera. El elemento radiactivo más usado para calibración es el $\ ^{152}$Eu por tener una gran cantidad de energías de emisión de rayos $\gamma$. En la tabla (7.1) se muestran las energías e intensidades de los rayos del $\ ^{152}$Eu.

Tabla 7.1: Rayos $\gamma$ del $\ ^{152}$Eu

$$\begin{tabular}{cc} \hline Energ\'{\i}a (KeV) & Intensidad... ...$ 1.0 \\ 1457.6 &2.52 $\pm$ 0.09 \\ \hline \end{tabular}$$

Fuente: (Gehrke 1977)