master de energia nuclear - espectrometria

7/31/2019 MASTER DE ENERGIA NUCLEAR - ESPECTROMETRIA

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Leccin 6.- ESPECTROMETRA DE RADIACIONES


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N D I C E

6.- ESPECTROMETRA DE RADIACIONES.

6.1.- Definicin y objeto.

6.2.- Mecanismo de formacin de espectros.

6.3.- Espectrometra alfa.

6.3.1.- Introduccin.

6.3.2.- Equipos para espectrometra alfa.

6.4.- Espectrometra para electrones.


6.4.2.- Equipos para espectrometra de electrones.

6.5.- Espectrometra y X.


6.5.2.- Equipos para espectrometra y X.


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6.- ESPECTROMETRA DE RADIACIONES. / 1

6.- ESPECTROMETRA DE RADIACIONES.

6.1.- DEFINICIN Y OBJETO.

Se entiende por espectrometra o espectroscopa de la radiacin el conjunto de todos

aquellos mtodos de medida que permiten obtener la distribucin de la radiacin que emite una

fuente, en funcin de su energa u otro parmetro de inters. Forma asimismo parte de la

espectrometra el conjunto de mtodos de clculo y algoritmos necesarios para el anlisis

numrico de los espectros medidos.

Puede definirse por lo tanto un espectrmetro como un tipo especial de detector que,

adems de registrar el paso de la radiacin, proporciona informacin suficiente sobre su espectro

de energas. Naturalmente, se requiere un cierto grado de detalle en la distribucin que se mide

para que la medida pueda calificarse de espectromtrica. Por ejemplo, un detector capaz de

discriminar solamente entre dos o tres niveles distintos de energa no puede considerarse

propiamente un espectrmetro. Por extensin se denomina tambin espectrmetro al conjunto del

sistema de medida formado por el detector y el equipo electrnico necesario para su operacin.

El objeto de la espectrometra de radiaciones es obtener informacin sobre la composicin

y actividad de una fuente de radiacin. Su fundamento es que la distribucin de energas e

intensidades de la radiacin emitida es caracterstica de la fuente emisora.

6.2.- MECANISMO DE FORMACIN DE LOS ESPECTROS.

El espectro de energas ideal de una fuente radiactiva es una funcin continua N(E) queindica el nmero de sucesos contados para una energa dada. Sin embargo, los instrumentos de

medida solo pueden discernir un nmero finito de niveles, por lo que en las condiciones reales de

medida en un laboratorio, no se obtiene N(E) sino la distribucin del nmero de partculas conenerga entre E y E + dE, es decir dN(E)/dE. Esta distribucin se denomina espectro de energa

diferencial. El espectro de energa integral, menos usado en la prctica, se obtiene por

integracin de la distribucin anterior, comenzando por la zona de mayor energa. Un ejemplo

tpico de ambas distribuciones se presenta en la Figura 6.1.

Desde el punto de vista ms riguroso, el espectro medido puede considerarse como el

resultado de la interaccin entre el espectro emitido por la fuente radiactiva y el sistema de

medida, formado por el medio, el detector y la cadena electrnica utilizada. Matemticamente,

esto se expresa por medio de la convolucin:

en la que s(E) es el espectro emitido por la fuente radiactiva y h(E) es la funcin respuesta de

impulso del sistema de medida, considerado ste como un conjunto nico. Esta funcin incluye

todos los efectos de la interaccin de la radiacin con el medio y el detector, y corresponde a la

respuesta tpica del sistema a la entrada de un impulso unitario.

Ed)E-h(Es(E)=N(E)


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/ 6.- ESPECTROMETRA DE RADIACIONES.2

Figura 6.1.- Espectros de energa diferencial (puntos) e integral (lnea) de una fuente deradiacin.

En una situacin ideal, el espectro de energas de un nucleido que emita una radiacin de

energa E0 debera ser simplemente una lnea vertical en el punto de abscisa E0, conteniendo alnmero total de sucesos detectados. En la realidad, la lnea ideal se ensancha y deforma,

dependiendo su aspecto final de la naturaleza de la radiacin y del tipo de detector que se utilice

en la medida.

Los factores que provocan este efecto son muy variados y deben tenerse en cuenta en la

eleccin del detector. Los ms importantes son los siguientes:

La naturaleza estadstica de la desintegracin radiactiva y de su interaccin con el

medio.

El ngulo slido bajo el cual la fuente es medida por el detector.

Los efectos instrumentales (ruido electrnico, discretizacin, etc.).

La autoabsorcin de la radiacin en la fuente radiactiva.

La retrodispersin de la radiacin en la fuente radiactiva (backscattering).

La dispersin de la radiacin en el propio instrumento.

Las radiaciones secundarias emitidas simultneamente o creadas a consecuencia de

la interaccin de la radiacin primaria con la materia.

El grado de sensibilidad del detector a otras radiaciones distintas de las que sonobjeto de la medida.

Las coincidencias, accidentales o no.

ENERGA

RECUENTO

0 0 0 00000 0

0 0000 0 0 00

000

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

000

00

0

0

0

0

00

0

0

0

0

0

0

000 00 00

0

000


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La tasa de recuento del detector y la posible existencia del apilonamiento de

impulsos o pile up.

6.3.- ESPECTROMETRA ALFA.


Las partculas alfa son las partculas ms pesadas emitidas por los ncleos si se

exceptan los fragmentos de fisin y los fenmenos muy infrecuentes de radiactividad

extica. Son ncleos de He doblemente cargados y transportan una energa cintica igual a

la diferencia de masas entre los productos inicial y final menos la energa de retroceso del

ncleo. Sus energas tpicas varan entre 4 y 8 MeV. En muchos casos, la desintegracin o

deja al ncleo hijo en un estado excitado del cual decae, generalmente en un tiempo muy

corto, por emisin de fotones gamma o por el proceso, competitivo con el anterior, de

emisin de electrones de conversin interna. Por lo tanto, las radiaciones secundarias

asociadas a la emisin alfa son fotones y electrones, existiendo adems contribuciones

adicionales de fotones X y electrones Auger procedentes de los fenmenos de

reordenacin atmica del ncleo hijo.

Por tratarse de un proceso de desintegracin con emisin de una sola partcula, la

desintegracin da lugar a un espectro de emisin con una serie de lneas discretas,correspondiendo cada una de ellas a los diferentes estados del nucleido hijo alimentados

por la transicin . El espectro de emisin de cada nucleido es caracterstico de l, lo que

constituye el fundamento ltimo de la espectrometra .

Por efecto de los factores que se describieron anteriormente, las lneas de emisin

se transforman durante el proceso de deteccin dando lugar a una serie de picos de

aspecto campaniforme, cuyo aspecto final depende del tipo de detector empleado.

6.3.2.- Equipos para espectrometra alfa.

Los equipos ms empleados en las medidas de espectrometra alfa son: las cmaras

de ionizacin, los detectores de Si, los espectrmetros magnticos y los espectrmetros detiempo de vuelo. Los dos ltimos equipos se emplean exclusivamente en aquellos casos en

que se precisa una resolucin en energas ptima, pero pocas veces en la prctica habitual

de un laboratorio de medidas convencional, por lo que no se describirn aqu en detalle.

Los espectrmetros magnticos utilizan la accin de un campo magntico para

discriminar a las partculas en funcin de su energa. Tienen una excelente resolucin en

energas, que puede llegar a ser inferior a 2 keV, pero su eficiencia total es muy baja

debido al pequeo ngulo slido bajo el cual se realiza la medida. Su principal aplicacin

es la determinacin precisa de la energa de las partculas .

Los espectrmetros de tiempo de vuelo, de reciente aparicin, clasifican a laspartculas segn el tiempo empleado para recorrer una distancia determinada (unos 2 a 3


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metros). Este tiempo es una funcin no lineal de la energa. Para las energas tpicas de las

partculas , stas alcanzan una velocidad del orden de 0,07 c, por lo que los tiempos derecorrido son muy cortos, del orden de un centenar de ns. La resolucin en energas es

muy buena, del orden de 2 keV, pero, por la misma razn que los espectrmetrosmagnticos, la eficiencia total es muy baje, lo que limita su aplicacin.

De todos los equipos utilizados para espectrometra el de mayor eficiencia totales lacmara de ionizacin con reja. Es un detector de ionizacin de ionizacin gaseosa

y geometra 2 en el que, debido a la existencia de la reja, se obtienen impulsosproporcionados a la energa de las partculas y, por lo tanto, permite medidasespectromtricas. El gas de llenado es normalmente una mezcla de argn y metano. Como

la probabilidad de deteccin de una partcula que penetra en el volumen til del detector

es cercana al 100 %, la eficiencia total del sistema es del orden del 50 %.

La resolucin en energas de la cmara de ionizacin viene limitada por varios

factores, de entre los que figuran en primer lugar el nmero de portadores de carga

generados en el gas, y la existencia del ruido electrnico. Contribuye tambin a la

degradacin del espectro el hecho de que, debido al gran ngulo slido con el que se

realiza la medida, las partculas retrodispersadas en la fuente radiactiva, que han perdido

en el interior de sta una fraccin de su energa, alcanzan el detector, contribuyendo por lo

tanto a incrementar la zona de baja energa de los picos componentes y dificultando el

anlisis espectral. Los mejores modelos de cmaras tienen una resolucin de unos 25 keV.

Un espectro tpico puede verse en la Figura 6.2. El montaje experimental que se muestraen la Figura 6.3, incluye la cmara con su sistema de suministro de gas, una fuente de altatensin, un preamplificador, un amplificador de espectroscopa y un analizador multicanalque clasifica los impulsos en funcin de su amplitud o, lo que es lo mismo, de su energa.

250 300 350 400 450

Channel Number

0

200

Numberofcounts

Figura 6.2.- Espectro obtenido con una cmara de ionizacin con reja.


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Figura 6.3.- Montaje experimental para una cmara de ionizacin con reja.

La calibracin en energa del sistema consiste en la determinacin de la relacin

lineal que debe existir entre un nmero de canal del analizador multicanal y la energa

correspondiente. Puede hacerse de varias formas, de las cuales la mejor es utilizar picos

del propio espectro que se analiza y que se encuentren debidamente identificados. A partir

de las posiciones de los mximos de los picos y sus energas, se determina la recta de

calibracin. Cuando no se disponga de esa informacin, puede recurrirse a otras fuentes

radiactivas que contengan varios nucleidos conocidos y que se miden en condiciones loms parecidas posible a las de la muestra problema. Finalmente, es posible utilizar

generadores de impulsos calibrados que se conectan a la entrada del preamplificador y

proporcionan impulsos cuyo equivalente en trminos de energa se conoce.

Losdetectores de semiconductor ms modernos utilizados en espectrometrason de Si implantado. Los espectrmetros de este tipo proporcionan probablemente la

mejor relacin entre eficiencia de recuento y resolucin. Se utilizan normalmente con el

detector ligeramente separado de la fuente, de manera que las partculas retrodispersadas

de sta, que abandonan la fuente con ngulos menores de 30 con respecto a ella, no sean

contados. En estas condiciones, su eficiencia geomtrica, que prcticamente coincide con

la eficiencia total, no suele superar el 30 %. Sin embargo, la resolucin de estos detectoreses mucho mejor que la de los de ionizacin gaseosa, debido fundamentalmente a que el

nmero de portadores de carga creados por la partcula en el Si es del orden de 10veces ms que en el gas. Los mejores detectores alcanzan una resolucin de 8,5 keV, y

corresponden a modelos con un rea sensible de 50 mm2, por lo que el ngulo slido de la

medida es muy reducido. Para alcanzar una eficiencia geomtrica ms alta, se utilizan

detectores de gran rea (450 mm2), que proporcionan una resolucin suficientemente

buena (del orden de 13 keV) de manera que, en la prctica, es la calidad de la fuente

radiactiva la que limita la resolucin del equipo.

La linealidad en energas de este tipo de detectores es excelente y los espesores deSi necesarios para frenar a las partculas no superan los 80 m. Son tambin muysensibles a los rayos X de baja energa y a los electrones de conversin, aunque los picos

correspondientes a estos tipos de radiacin aparecen en la zona de baja energa del

espectro y no perturban gravemente el anlisis en la zona de inters de las lneas alfa.

ORDENADOR

PREVIO

TENSI

N

AM

PLIFICADOR

ADC

GAS

ANALIZADORMULTICANAL


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El montaje experimental de stos espectrmetros es muy similar al que se vio en el

caso de los detectores de gas. Para evitar la degradacin energtica de las partculas ensu interaccin con el aire, el detector y la fuente se encuentran en una cmara en vaco. El

resto de los elementos de la cadena electrnica cumplen misiones idnticas que en unespectrmetro de ionizacin gaseosa. Un espectro de alta resolucin de

239Pu se presenta

en la Figura 6.4. la calibracin en energas de estos espectrmetros se hace en formaanloga a la descrita para las cmaras de ionizacin.

Figura 6.4.- Espectro de 239Pu medido con un detector de Si de 50 mm2.

6.4.- ESPECTROMETRA DE ELECTRONES.


Las fuentes principales de electrones de origen nuclear son la emisin y los

procesos de conversin interna asociados a las transiciones . Otros electrones suelen

acompaar a las emisiones y cuando stas alimentan un nivel excitado, comoconsecuencia de los procesos de reordenacin atmica que tienen lugar en el nucledo

hijo.


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Los electrones procedentes de la conversin interna de una transicin poseenenergas discretas que corresponden a la diferencia entre las energas iniciales y final de los

estados involucrados, menos la energa de enlace del electrn. Por ello, el fenmeno de

conversin da lugar a espectros de lneas caractersticos. Por el contrario, en el fenmenode la emisin -, adems del electrn saliente, se emite otra partcula, el neutrino, con laque ste debe compartir la energa total disponible. Por esta razn, un espectro beta es una

distribucin continua que se extiende desde energa cero hasta la energa mxima, con un

mximo de intensidad que se encuentra a menudo cercano a 1/3 de la energa total

disponible. La forma bsica del espectro fue explicada por Fermi, pero la forma final

depende de un cierto nmero de factores relacionados con los estados inicial y final de la

transicin. En cualquier caso, desde el momento de su emisin, el espectro - tiene unaforma continua, en oposicin a la estructura de lneas discreta de un espectro alfa, de

electrones de conversin o de fotones o X.

La interaccin de los electrones con la materia es muy distinta de la que

experimentan las partculas cargadas pesadas, como por ejemplo las partculas . As,mientras que stas tienen trayectorias que, salvo en la parte final de su trayecto, pueden

considerarse rectilneas, los electrones sufren una gran cantidad de interacciones que

modifican su trayectoria, de manera que el camino que efectivamente recorren, supera

muy ampliamente a una trayectoria rectilnea ideal que uniera los puntos inicial y final de

su recorrido. Al ser ms penetrantes que las partculas alfa, es preciso tambin que el

volumen til del detector sea mayor, para que puedan dejar en l toda su energa. As por

ejemplo, mientras una partcula alfa de 7 MeV se frena en 40 m se Si, se precisan 2.000m para frenar a un electrn de 1 MeV. Ello implica la necesidad de disponer dedetectores ms complejos y de mayores volmenes de deteccin.

6.4.2.- Equipos para espectrometra de electrones.

Hay que distinguir aqu tambin, como en el caso de la espectrometra alfa, dos

tipos de equipos: aquellos pensados para obtener una resolucin ptima y aquellos otros

ms utilizados en los trabajos habituales de un laboratorio. Al primer grupo corresponden

los espectrmetros magnticos y al segundo los detectores de semiconductor, los

contadores proporcionales de gas y los espectrmetros de centelleo lquido.

Los espectrmetros magnticos funcionan en forma anloga a como se describi

en el apartado correspondiente a la espectrometra y presentan idnticas ventajas e

inconvenientes. En cuanto a los espectrmetros electrostticos, utilizan exclusivamente

campos elctricos para la espectrometra de electrones de baja energa, con un lmite

prctico de 15 a 20 keV. Para ambos tipos de espectrmetros, su baja eficiencia

geomtrica constituye el principal inconveniente de utilizacin.

Los contadores proporcionales de gas se utilizan muy a menudo en

espectrometra beta donde, dada la forma continua del espectro, su pobre resolucin en

energas no constituye, en general, un inconveniente grave. Pueden fabricarse en una gran

variedad de formas y cuando el volumen til rodea por completo a la muestra, la eficiencia

de recuento puede ser cercana al 100 %, denominndose a este tipo de detectores como


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contadores 4. El gas de llenado suele ser una mezcla de argn y metano. Debido al granrecorrido que los electrones pueden llegar a tener en un gas, es preciso tomar ciertas

precauciones para asegurar que el detector sea realmente espectromtrico, es decir, que

los electrones dejen toda su energa en el volumen til del detector. Ello puede obligar atener dimensiones muy grandes (contadores de hasta 30 cm de dimetro) o a utilizar

presiones de llenado altas, que pueden llegar en algunos modelos hasta 70 atmsferas. Si

las partculas - no dejaran toda su energa en el volumen til del detector, una partculade alta energa podra, por ejemplo, producir una seal igual que otra de muy baja energa

que hubiera cedido toda su energa al gas, complicando as la interpretacin de los

espectros.

Un inconveniente considerable de los contadores proporcionales es que son muy

sensibles a otros tipos de radiacin distintos a los electrones, como son por ejemplo los

fotones o X que a menudo acompaan a la emisin beta. El espectro resultante contienepor lo tanto una contribucin indeseada de sucesos que no se queran contar, lo que

complica an ms el anlisis espectral.

El montaje experimental es muy similar al de una cmara de ionizacin, por lo que

no se presenta aqu.

Cuando se desea un buen compromiso entre resolucin y eficiencia, se recurre a

los detectores de semiconductor, sean estos de Si o Si(Li). El intervalo de energas

utilizable va desde unos pocos keV hasta varios MeV y las mejores resoluciones

alcanzables son, para bajas energas, inferiores a 1 MeV. El espesor de Si necesario para

medir electrones depende de su energa, variando desde unos 60 m para electrones de100 keV hasta unos 2.000 m para electrones de 1 MeV. La gran ventaja de losdetectores de semiconductor es su buena resolucin, as como el poder ser fabricados en

muy diversas formas y montajes. En el aspecto negativo se encuentra el hecho de que su

eficiencia de recuento suele ser pequea a causa de la limitacin en el ngulo slido de la

medida necesario para garantizar una buena resolucin energtica. Agrava el problema el

hecho de que los electrones sufren una fuerte retrodispersin en la muestra, que puede

llagar a ser en algunos casos de hasta el 70 %. Para minimizar este problema, deben

prepararse las fuentes sobre soportes muy poco masivos, como mylar, Vyns u otros

componentes.

El montaje experimental es muy similar al utilizado para espectrometra alfa con

detectores de semiconductor. Las diferencias residen en que en algunos casos los

detectores de Si deben refrigerarse, y los de Si(Li) deben refrigerarse siempre. Ello obliga

a disponer de un criostato adecuado. Un preamplificador sensible a carga, como en todos

los detectores de semiconductor, debe colocarse los ms cercano posible al detector.

Ejemplos de un espectro - de 45Ca y un espectro de electrones de conversin tomadoscon un detector de Si implantado pueden verse en las Figuras 6.5 y 6.6

La calibracin en energas de los espectrmetros de electrones, sean de gas o de

semiconductor, se realiza habitualmente mediante fuentes radiactivas emisoras de

electrones de conversin, utilizndose, cuando ello sea posible, lneas K, por ser stas

monoenergticas. En ciertas condiciones es posible utilizar tambin emisores -, medianteel clculo del valor medio de su energa .


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Figura 6.5.- Espectro beta de 45Ca medido con un detector de Si.

100 200 300 400

Channel Number

0

40000

80000

NumberofCo

unts

Figura 6.6.- Espectro de electrones de conversin medido con un detector de Si.

En los espectrmetros de centelleo lquido, la disolucin radiactiva a medir se

mezcla con otra disolucin que contiene el centelleador. La cesin de energa a ste

provoca una emisin fotnica que es, en primera aproximacin, proporcional a la energa

depositada por la radiacin. Esta emisin se produce fundamentalmente en la zona del

ultravioleta y es posteriormente convertida en impulsos elctricos por medio de un tubo

fotomultiplicador.

Al encontrarse ntimamente mezclados el emisor radiactivo y el centelleador, no

existe autoabsorcin en la muestra, lo que constituye una de las principales ventajas de los

sistemas de centelleo lquido. Esta propiedad los hace muy tiles para la medida deemisores beta de energas bajas. Por otro lado, los sistemas bien diseados tienen una

Recuento

1200

1000

800

600

400

200

Nmero de canal0 100 200 300 400 500


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eficiencia geomtrica del 100 %, siendo las eficiencias totales de deteccin para todos los

emisores bata de media y alta energa muy cercanas a ese valor. En el lado negativo de

estos sistemas se encuentra su pobre resolucin en energas, que es debida

fundamentalmente al bajo nmero de fotones producidos por el centelleador.

Un esquema de montaje simple puede versa en la Figura 6.7. La radiacin decentelleo abandona el frasco que contiene la disolucin o vial, y es detectada por un tubo

fotomultiplicador, que convierte los impulsos luminosos en elctricos. Un amplificador los

conforma y amplifica para ser posteriormente enviados a un analizador multicanal. En los

equipos reales, el montaje es ms complicado y es habitual trabajar con dos

fotomultiplicadores en coincidencia para minimizar el ruido electrnico, que es de

particular importancia cuando se miden emisores beta de baja energa. Un reflector rodea

el vial con objeto de que no se pierda radiacin de centelleo y sta vaya ntegramente

hacia uno u otro de los tubos. Un espectro de3H puede verse en la Figura 6.8.

Figura 6.7.- Esquema simplificado de un espectrmetro de centelleo lquido.

Figura 6.8.- Espectro beta de3

H medido con un espectrmetro de centelleo lquido.

AMPLIFICADOR

ADC

ANALIZADORMULTICANALREFLECTOR

T.F.M

A.T.

Recuento

120000

100000

80000

60000

40000

20000

Nmero de canal

0 5 10 15 20 25


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6.- ESPECTROMETRA DE RADIACIONES. /11

6.5.- ESPECTROMETRA GAMMA Y X.


La emisin de fotones es un fenmeno asociado a la desexcitacin nuclear.Cuando, como consecuencia de una desintegracin nuclear u otro fenmeno, un ncleo

queda en estado excitado, tiende a decaer al estado fundamental mediante la emisin de

uno o varios fotones. Las energas de los fotones varan desde unos pocos eV hastavarios MeV.

En ocasiones, y dependiendo de los estados inicial y final de la transicin gamma,

puede tener lugar alternativamente el proceso de conversin interna, en el cual la energa

disponible en la transicin se cede a un electrn atmico. La emisin de este electrn

origina un reordenamiento de los electrones en las distintas capas del tomo, con emisin

de rayos X y de electrones adicionales, llamados electrones Auger, ambos con un

espectro discreto de energas. Como las mayores energas de ligadura de los electrones

atmicos son del orden de 100 keV, esta magnitud constituye tambin el lmite superior de

energa de los fotones X.

Una tercera fuente de radiacin fotnica la constituye el fenmeno del

Bremsstrahlung o radiacin de frenado. Cuando una partcula cargada es acelerada o

decelerada en un medio, emite energa en forma de fotones que se distribuyen segn un

espectro continuo de energas que se extiende desde cero hasta la energa cintica de la

partcula. La emisin es mayor en las partculas ligeras que en las pesadas y en un mediocon un Z alto que en uno con Z bajo. En general, salvo para partculas ligeras muy

energticas, en un medio de Z muy alto, la fraccin de energa que la partcula pierde por

este mecanismo no es predominante.

Los mecanismos de interaccin de los fotones con la materia son tres: Efecto

fotoelctrico, efecto Compton y produccin de pares. Cada uno de ellos contribuye a

configurar la forma especfica que tomar el espectro de energas medido con un detector

determinado.

6.5.2.- Equipos para espectrometra y X.

La determinacin ms precisa de la energa de la radiacin X y hasta 50 keV sehace mediante espectrmetros cuyo funcionamiento est basado en la difraccin de la

radiacin por redes cristalinas. Sin embargo, no son instrumentos habituales en los

laboratorios de espectrometra gamma, por lo que no se describirn aqu. Por la misma

razn, tampoco se describirn los contadores proporcionales que se usan en

determinados casos para la medida de rayos X de muy baja energa.

Los detectores empleados habitualmente en el laboratorio para la medida de la

radiacin gamma y X pueden dividirse en dos grandes grupos: Detectores centelleadores(generalmente de NaI) y detectores de semiconductor (Ge o Si).


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Losdetectores de centelleo de NaI(Tl) constituyen la alternativa ms econmica

para la espectroscopa de fotones. Pueden construirse en una gran variedad de formas, no

requieren medidas especiales de mantenimiento y sus eficiencias de recuento sonfcilmente calculables y se encuentran tabuladas para unas ciertas dimensiones estndar

siendo, en general, ms altas que las de los detectores de semiconductor. Su principal

inconveniente reside en su baja resolucin que est ligada al hecho de que en el proceso de

centelleo se crean un nmero pequeo de sucesos elementales.

Como la energa necesaria para producir un par electrn-hueco es ms pequea,

los detectores de semiconductor presentan la ventaja de una resolucin en energas

mucho mejor, pero a cambio son considerablemente ms caros y requieren funcionar a

muy bajas temperaturas para disminuir el ruido electrnico, lo que complica el diseo y

encarece su mantenimiento y operacin.

Aunque el proceso de transformacin de la energa depositada en impulsos

elctricos es distinto para los detectores de centelleo y de semiconductor, los mecanismos

de interaccin son los mismos por lo que, en lo que sigue, se describirn conjuntamente.

Cuando un fotn de energa E = h A interacciona por medio del efecto

fotoelctr ico con el detector, lo que constituye el mecanismo preferente de interaccin

para energas bajas, toda su energa se transmite a un electrn que abandona el tomo con

una energa dada por E - El, siendo El la energa de ligadura. Cada vez que un electrn esexpulsado, se produce un reordenamiento atmico que se traduce en la emisin de uno o

varios electrones Auger y rayos X, los cuales transportan en conjunto el total de la energarestante El. Por tratarse de radiacin de baja energa, tanto los rayos X como loselectrones interaccionan con el detector en la vecindad del suceso anterior y,

generalmente, depositan en l toda su energa. El resultado neto es que para una

interaccin fotoelctrica, toda la energa del fotn es absorbida en el detector,

contribuyendo a la formacin del impulso correspondiente. esto da lugar en el espectro de

energas al pico llamado fotoelctrico o de absorcin total, cuyo mximo de intensidad

corresponde a la energa E (Figura 6.9).

Si la interaccin se produce muy cerca de los bordes del detector, existe una cierta

probabilidad de que el rayo X producido escape sin interaccionar en l y se pierda suenerga a efectos de formacin del impulso. Ello da lugar a la aparicin de un pico satlite

con una energa dada por la diferencia E - Ex, siendo Ex la energa del rayo X escapado. Aeste pico se le denomina pico de escape y puede verse claramente en algunos espectros

tomados con detectores de Ge y Ge(Li) de pequeo tamao. Para identificarlos

claramente, acostumbran a denominarse haciendo referencia al origen del rayo X que ha

escapado del detector, dicindose por lo tanto que se trata de un pico de escape K, K,etc. por un mecanismo semejante, se produce la emisin de rayos X caractersticos del

material que constituye la ventana o envoltura del detector.


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Figura 6.9.- Espectro de energas ideal de un detector de centelleo o semiconductor.

Al ir aumentando la energa del fotn incidente, la interaccin por efecto

Compton comienza a ser predominante. En este caso, el fotn sufre una prdida parcial

de energa al ser dispersado por un electrn. La energa del electrn despus del choque

viene dada por la expresin:

en la que es el ngulo que forman las trayectorias del fotn incidente y dispersado. Ladistribucin angular de los fotones dispersados se gobierna segn la clsica expresin de

Klein-Nishina. Para valores altos de la energa, esta expresin muestra una fuerte

tendencia a la dispersin hacia adelante, es decir, con ngulos de salida menores de 90?.

El valor mximo de energa que puede adquirir un electrn se obtiene a partir de la

expresin anterior para = 180 y viene dado por:

Para un detector ideal, el espectro de energas correspondiente a este tipo de

interacciones tiene el aspecto que se presenta en la Figura 6.9 con un lmite superior dadopor la expresin que se acaba de calcular, cuyo valor acostumbra a denominarse como

borde Compton. En un espectro real, los efectos debidos a la deteccin y amplificacin

ensanchan las distribuciones fotoelctrica y Compton, que toman, para un detector decentelleo, una forma semejante a la que se presenta en la Figura 6.10.

dN(E)/dE

ENERGA

EscapeDoble

EscapeSimple

BordeCompton

Pico deAbsorcin total

Espectro Compton

)-(1cm

E+1

)-(1cm

E

E=T

2o

2o

cos

cos

cm

E2+1

cm

E2

E=T

2o

2o


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Figura 6.10.- Espectro de 137Cs medido con un detector de NaI(Tl).

Cuando la energa del fotn sobrepasa 1,022 MeV comienza a ser posible el

fenmeno deproduccin de pares. En este proceso, el fotn desaparece crendose un

par electrn-positrn. La energa cintica de los componentes del par es absorbida en el

detector. Sin embargo, si el positrn interacciona con un electrn atmico aniquilndose,

lo que sucede preferentemente al final del recorrido, da lugar a la produccin de dos

fotones de energa 511 keV. La suerte que corren ambos fotones determina el tamao

final del impulso. Cuando ambos se absorben en el detector no habr prdida neta deenerga y, por lo tanto, el suceso incrementar el rea del pico de absorcin total. Si, por

el contrario, uno de los dos fotones escapa del detector sin interaccionar, se observa un

pico de escape simple, cuya energa ser E - 511. Finalmente, cuando ambos fotonesescapan se observar un pico de escape doble con energa E 1022. Los tamaosrelativos de los picos de escape entre s y con respecto al pico de absorcin total dependen

de las condiciones de la medida y del tipo de detector.

Finalmente, un fotn puede interaccionar con el blindaje y, tras serretrodispersado, ser absorbido en el detector. Los sucesos de este tipo se agrupan en una

distribucin de bastante anchura llamada deretrodispersin. La energa caracterstica delfotn en este caso viene dada por la expresin:

que corresponde a una retrodispersin con un ngulo de 180.

cm

E2+1

E=E

20

r


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Losdetectores de NaI(Tl) se fabrican fundamentalmente en dos formas: cilndrica

y de pozo. En esta ltima, la fuente radiactiva se sita en el interior de una cavidad

cilndrica en el interior del propio detector, con lo que se consigue una eficiencia mayor.

Las principales ventajas de estos detectores son: su precio, su buena eficiencia de

recuento, la posibilidad de operar a temperatura ambiente y el hecho de que pueden ser

fabricados de forma muy reproducible. Tanto la eficiencia intrnseca del detector como la

absoluta se encuentran tabuladas para las geometras de medida ms corrientes con muy

buena aproximacin. Ambas pueden definirse con respecto al nmero total de impulsos

registrados en el espectro o con respecto al rea del pico de absorcin total.

La calibracin en energas de los detectores se realiza mediante fuentes adecuadas

que contienen uno o varios nucleidos que emiten fotones dentro del intervalo de energas

de inters. Las mismas fuentes son adecuadas para una calibracin en eficiencias cuando

este dato no sea conocido.

La resolucin en energas de los detectores de NaI(Tl) y. En general, de los

detectores de centelleo, es muy pobre. Acostumbra a medirse en la forma usual, es decir

como la anchura de una lnea a mitad de su altura o, en terminologa inglesa como

F.W.H.M. Suele utilizarse como referencia el pico de 662 keV del137

Cs y, en los mejores

casos, es del orden del 6 al 7 %. Adems del bajo rendimiento de centelleo, las derivas del

fotomultiplicador y la variacin de sensibilidad en el volumen activo limitan la posibilidad

de alcanzar mejores resoluciones.

Existe una gran variedad de detectores de semiconductor adecuados para laespectrometra X y . Atendiendo al material de que estn compuestos, hay detectores deSi(Li), Ge(Li), Si y Ge intrnseco. Los dos ltimos tipos han sustituido progresivamente a

los dos primeros tipos. Se construyen en diversas configuraciones para adaptarse mejor a

intervalos de energa o condiciones de medida determinadas. En general, se utilizan

detectores de Si y de Ge (Planar) para la medida de rayos X y fotones de baja energa,reservndose los Ge de tipo coaxial para la medida de la radiacin de mayor energa.Cuando se requiere una buena eficiencia, se recurre, como en el caso de los detectores de

centelleo, a configuraciones de tipo pozo.

La resolucin en energa de los detectores de semiconductor es muy superior a lade los de centelleo. Acostumbran a tomarse para su medida las lneas de 122 keV de57

Co

y de 1,33 MeV de60

Co. Un buen detector de Ge tiene una resolucin inferior a 2 keV

para esta ltima lnea. Para los detectores que operan a baja energa, las resoluciones

alcanzables estn en torno a los 0,5 keV para una energa de 10 keV. La comparacin de

un espectro de137

Cs medido con un detector de semiconductor (Figura 6.11) y con unode centelleo (Figura 6.10) ilustra claramente la superior resolucin energtica de estosdetectores.


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Figura 6.11.- Espectro de 137Cs medido con un detector de Ge

Las eficiencias de los detectores de semiconductor pueden definirse en formaabsoluta con relacin al nmero de fotones emitidos por la fuente radiactiva, pero, por

razones histricas, existe el convenio de hacerlo con respecto a la eficiencia de un detector

de NaI(Tl) de 3 x 3 pulgadas, en cuyo caso se habla de eficiencia relativa, que no suele

superar el 100 %.

Figura 6.12.- Ajuste de la curva de eficiencia de un detector de Ge(Li).

EFICIEN

CIA

ENERGA (keV)10 100 1.000 10.000

0,01

0,001

0,0001

a 0 = -312.8a 1 = 242,4934a 2 = -76,3983a 3 = 12,0758a 4 = -0,96183a 5 = 0,03089


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La calibracin en eficiencias de estos detectores resulta delicada, puesto que no

existen tabulados datos fiables y la curva de eficiencia frente a energa vara muy

rpidamente. la medida con fuentes de referencia permite obtener el valor de la eficiencia

para unos puntos determinados del espectro de energas. A los valores obtenidos as, seajustan luego expresiones analticas que permiten predecir la energa en cualquier punto de

inters para el que no se disponga de valores experimentales. En general, para poder

reproducir correctamente las fuertes variaciones de la eficiencia con la energa, se utilizan

expresiones basadas en polinomios logartmicos. Un ejemplo tpico, incluyendo medidas

experimentales y la funcin ajustada para un detector coaxial de Ge(Li) se presenta en la

Figura 6.12.

master de energia nuclear - espectrometria

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