Detectores de centelleo plásticos.

Existen varios tipos de detectores de partículas cargadas, tales como: cámaras de ionización, detectores de barrera superficial y detectores plásticos de centelleo. Estos últimos tienen la propiedad de respuesta rápida del orden de 10-9 seg.

Propiedades de los centelladores

El proceso de centelleo consiste en convertir la energía depositada en el material centellador por medio de ionización y excitación en emisión luminosa.

Las propiedades importantes de un centellador ideal son (1(, (2(:

a) La conversión eficiente de la energía incidente de las partículas cargadas en el material centellador, en energía luminosa.

b) La intensidad de la energía luminosa obtenida en el proceso de luminiscencia en el centellador es proporcional a la energía depositada en el material centellador (LINEALIDAD).

c) El material centellador es transparente a su emisión.

d) El tiempo de decaimiento de la luminiscencia inducida es de aproximadamente 10-9 s para centelladores plásticos.

e) El índice de refracción es del orden de 1.5, lo que permite una eficiente transmisión de luz para el tubo fotomulticador. Existen diferencias esenciales en materiales de centelleo, los cuales se clasifican en dos tipos (1(: ORGANICOS e INORGÁNICOS.

Luminiscencia

Es un proceso que consiste en la emisión de luz (visible o ultravioleta) con espectro característico, que proviene de la estructura electrónica de las moléculas del material en donde la observación de la radiación es de alta energía; la luminiscencia ocurre tanto en estado de vapor, así como en soluciones liquidas o sólidas, en donde por ejemplo, en el caso de detectores orgánicos, la estructura de las moléculas esta determinada por el átomo de Carbono.

Una clasificación de los estados excitados (-electrón de una molécula orgánica se muestra en la figura 1, (2(.

Figura 1. Muestra los niveles de energía de una molécula orgánica

En donde los estados singuletes de excitación (Spin 0) son denotados, por S0, S1, S2, …; los estados tripletes de excitación (Spin 1) por T1, T2, …; así como estados con exceso de energía vibracional es decir sin equilibrio térmico entre estados vecinos como: S00, S01, …, S11, S12, …, S20, S21,…, S30, S31,…. En donde ocurren varios tipos de Luminiscencia en moléculas orgánicas a saber:

Fluorescencia rápida

La fluorescencia rápida es la emisión en transiciones del estado S10 y uno de los estados vibracionales del estado base. La pronta fluorescencia para el tiempo t esta dado por la expresión,(2(:

(1)

En donde (o es el tiempo de decaimiento fluorescente del nivel S10 a S00 que tiene un valor de algunos nanosegundos y I0 es la intensidad inicial en el tiempo t = 0.

Para materiales orgánicos t ( 10-9 seg. por lo cual se considera la componente rápida del proceso de centelleo en el material detector.

Fosforescencia.

La fosforescencia es cuando la emisión de luz ocurre en la desexitacion del estado T1 a S0 a través del paso del intersistema del estado S1 a T1 (Ver figura1), este proceso provoca un retardo de emisión de luz con un tiempo de decaimiento del orden de 10-4 seg. y ocurre la emisión a mayores longitudes de onda que las correspondientes a la fluorescencia rápida.

Fluorescencia retardada

La fluorescencia retardada ocurre cuando las moléculas excitadas
del estado T1 retroceden al estado S1 y decaen en fluorescencia normal, es decir
del estado S10 al estado base corresponde un periodo mayor de 10-4 seg. que
es la componente lenta del proceso de luminiscencia.

Respuesta de centelladores orgánicos

La respuesta de los centelladores orgánicos se determina suponiendo
alta densidad de ionización a lo largo de la trayectoria de la partícula
y que la densidad de las partículas excitadas por dicha partícula
es proporcional a la densidad de ionización que se representa por la
expresión:

En donde:

B: Es una constante de proporcionalidad.

Es la energía
especifica perdida por la partícula por unidad de longitud.

En la ausencia de energía de disipación la luminiscencia producida es proporcional a la energía perdida y se expresa de la forma:

(3)

En donde:

S: Eficiencia de centelleo normal.

L: Luminiscencia.

Para el calculo de la luminiscencia en términos de la energía de disipación se puede obtener a partir de la formula de Birks dada por la relación,(2(:

(4)

En donde:

K: es un factor de disipación que se determina experimentalmente.

Algunos ejemplos de detectores comerciales se muestran en la tabla 1, (3(.

Tabla 1

Otras propiedades importantes para detectores plásticos comerciales se muestran en la tabla 2, (4(,(5(.

Tabla 2

Corresponde
al número de átomos de hidrógeno con respecto al número
de átomos de carbono.

A continuación se presenta en la tabla 3 algunos detectores plásticos
y sus principales aplicaciones (4(,(5(.)

Tabla 3

Tubo fotomultiplicador y divisor de voltaje

Introducción.

El uso de detectores de centelleo en detección de radiación y espectroscopia no seria posible sin la conversión de luz extremadamente débil emitida por un material centellador en un pulso suficientemente amplificado capaz de obtener su correspondiente señal eléctrica.

En este proceso de amplificación es donde interviene el uso de tubos fotomultiplicadores.

Partes de un tubo Fotomultiplicador.

El tubo Fotomultiplicador "Philips 56 AVP" consiste en las siguientes partes:

a) Fotocátodo.

b) Sistema óptico de entrada.

c) Sistema de multiplicación de electrones (Dinodos).

d) Ánodo.

Fotocátodo.

El fotocátodo esta ubicado en la ventana semitransparente en un extremo de tubo fotomultiplicador, de tal manera que presente una posición óptima para la radiación incidente. Los fotocátodos están constituidos generalmente de Antimonio de Cesio (Cs3 Sb) que proporciona una óptima eficiencia fotoeléctrica y sensibilidad espectral para altas temperaturas,(5(. La luz que incide en el fotocátodo que proviene del centellador es convertida en fotoelectrones que son producidos en el área del fotocátodo.

Sistema óptico de entrada.

El sistema óptico es la región entre el fotocátodo y el primer dinodo en donde los fotoeléctrones son guiados con una eficiencia que depende del voltaje aplicado a los electrodos de enfoque (150 V aprox.), así como a un voltaje de aceleración (1000 V aprox.) que producen que los fotoeléctrones al ser acelerados incidan en el primer dinodo,(6(.

Sistema de multiplicación de electrones (Dinodos).

Al incidir los fotoeléctrones en el primer dinodo producen un mayor número de fotoeléctrones secundarios, los cuales a su vez son acelerados al 2o dinodo (Debido a la diferencia de potencial entre dinodos sucesivos) en donde producen un número mayor de fotoeléctrones secundarios con respecto a los fotoeléctrones incidentes en el dinodo anterior, mediante este proceso se multiplica sucesivamente el número de fotoeléctrones (SISTEMA DE MULTIPLICACIÓN) hasta llegar finalmente al ánodo.

Ánodo.

Es un electrodo hecho de un material conductor cuya finalidad es la de colectar la carga que proviene de los dinodos; el potencial que se aplica debe de ser mayor que el del ultimo dinodo para efectuar la colección de la carga.

Las partes de un tubo Fotomultiplicador se muestra en la figura 2 ,(6(.

Figura 2. Partes de un tubo fotomultiplicador

Parámetros involucrados en el funcionamiento de un tubo fotomultiplicador.

Los parámetros involucrados en un tubo multiplicador son:

a) Eficiencia cuántica.

b) Sensibilidad del cátodo

c) Corriente opaca

d) Ruido

e) Características de respuesta temporal

f) Linealidad

g) Energía de resolución

h) Estabilidad

i) Fuente de alimentación para el tubo Fotomultiplicador

Eficiencia cuántica.

La eficiencia cuántica del fotocátodo para una longitud de onda (, esta definida como el número de fotoelectrones emitidos por los fotones incidentes en el fotocátodo y se representa: Q ((); por ejemplo para cátodos de Cs 3 Sb¨ ,(6(. Con (pico = 3800 Å entonces Q (3800) = 0.16 Fotoelectrón / fotón.

Sensibilidad del Cátodo.

Sin embargo la expresión anterior es inexacta ya que la eficiencia de colección f, es inevitablemente menor del 100 % y por lo tanto una expresión mas adecuada es:

Como en realidad hay un filtro natural conocido como transmitancía que introduce un factor de atenuación a1, por lo que la expresión (5) se transforma en:

(6)

Para la variación de la ganancia con respecto a la estabilidad de la fuente de voltaje y se expresa como:

(7)

Corriente opaca.

La "luz opaca" es el resultado de los electrones emitidos por el cátodo debido a diferentes interferencias de la luz incidente, esta luz opaca es amplificada por el proceso de multiplicación y limita la intensidad de la luz, la cual puede ser detectada directamente y puede ser minimizada.

Los fotocátodos de emisión termoiónica (emisión para altas temperaturas) son los responsables de incrementar la corriente opaca a temperatura ambiente.

La corriente térmica opaca IT esta expresada por la ley de Richardson ,(6(.

Ruido

Hay que distinguir entre ruido eléctrico y corriente opaca, la diferencia esencial es que la corriente opaca es una corriente directa degenerada, mientras que el ruido es una fluctuación estadística debido a la naturaleza cuántica de la corriente fotoeléctrica. Las fluctuaciones en la señal pueden ser descritas como una señal de ruido y las fluctuaciones en la corriente opaca como ruido opaco.

Características de respuesta temporal

El tiempo requerido para la fotoemisión en el cátodo o emisión secundaria para dinodos, es muy corto ( menor de 0.1 nanosegundos).

El tiempo de transito del electrón en el tubo fotomultiplicador esta definido como la diferencia del tiempo promedio, entre la llegada de un fotón al cátodo y el subsiguiente arribo de los electrones obtenidos en el proceso de multiplicación al ánodo.

El tiempo de transito típico de los electrones es de 30-80 nanoseg. En la practica se calcula el tiempo de transito entre el fotocátodo y el primer dinodo, puesto que esta región es critica ya que determina las propiedades del tiempo de respuesta del tubo fotomultiplicador, como se ilustra en la figura 3.

Figura 3. Muestra el diagrama del tiempo aproximado de transito de electrones suponiendo que todos los electrones tienen en la superficie del fotocátodo energía cinética cero.

Bajo las condiciones anteriores, se aplica una diferencia de potencial eléctrico de 200 V entre el fotocátodo y el primer dinodo; en cuyo caso el tubo fotomultiplicador proporciona una amplificación de 106.

Por ejemplo la velocidad del transito para el tubo fotomultiplicador 56 AVP es de aproximadamente 5 X 10-10 s,(6(.

Linealidad.

La emisión de fotoelectrones y la emisión de electrones secundarios esta caracterizada respectivamente, por la eficiencia cuántica y el coeficiente de emisión secundaria que permiten establecer una relación de proporcionalidad entre el número de fotones incidentes en el fotocátodo y el número de electrones colectados en el ánodo del tubo fotomultiplicador. Este efecto es conocido como linealidad de carga,(7(.

Energía de resolución.

La cantidad de carga suministrada al ánodo debido a los fotones producidos en el centellador que se denota como: q a s, es proporcional en promedio, a la energía perdida de las partículas incidentes por su paso en el material centellador.

Las fluctuaciones de la luz recibida por el tubo fotomultiplicador por centelleo están dadas por cantidades semejantes de energía luminosa depositada por el centellador, por lo que la cantidad de carga que recibe el ánodo tiene un comportamiento de fluctuaciones estadísticas, estas fluctuaciones tienen una distribución de probabilidad de cantidades de carga de magnitud qas.

Una definición de la energía de resolución esta dada por:

La relación anterior permite cuantificar las aptitudes de un detector de centelleo por un discriminador de pulsos de corriente del tubo fotomultiplicador, que transporta cantidades de carga eléctrica muy dispersa.

Estabilidad.

Depende de un conjunto muy diversificado de comportamientos característicos de las variaciones de la sensibilidad del ánodo del tubo fotomultiplicador en función del tiempo, temperatura, corriente, etc.

Desde un punto de vista general, estas variaciones de la sensibilidad del ánodo, resultan principalmente de las variaciones de la ganancia del tubo fotomultiplicador utilizado.

Fuente de alimentación del tubo fotomultiplicador.

Es necesario que el tubo fotomultiplicador cuente con una fuente de alimentación que esta constituida por un divisor de voltaje acoplado con una fuente de alto voltaje y con polaridad positiva, el diagrama se muestra en la figura 4.

Figura 4. Alimentación para el tubo fotomultiplicador con polaridad positiva.

El alto voltaje es aplicado al tubo fotomultiplicador mediante el divisor de voltaje que tiene como función mantener los voltajes entre los diferentes electrodos (dinodos) del tubo fotomultiplicador.

El alto voltaje que se aplica al tubo fotomultiplicador en este caso debe de tener polaridad positiva, es decir el cátodo esta conectado a tierra y el ánodo esta a potencial positivo. Por lo que el potencial del cátodo es inferior al potencial del ánodo.

Referencias

1. Birks J.B., The theory and practice of scintillations counting, M.C.
Millan Company, 1974.

2. Knoll G. F., Radiations detections and measurement, John Willey and sons N.Y., 1979.

3.Yetes E.G. & Grandall D.G., Decay times of commercial organics scintillators, IEEE Trans. Nucl. Sci., June 1966 Vol. NS-13, No. 3 pag. (155-158).

4. Scintillators for the physical science, EMI nuclear enterprises limited, 1980.

5. Scintillador catalogue, nuclear enterprises limited, 1976.

6. Mullard Photomultiplier tubes. Mullard house, t. place, London W.C.I.

7. EMI Photomultiplier tubes, EMI electronics LTD, 1970.

Autor:

José Jesús Mena Delgadillo