Tecnologías

Algunas de las tecnologías más comunmente utilizadas en los medidores de radiaciones son las cámaras de ionización, los tubos Geiger-Müller, los diodos semiconductores y los centelleadores.

¿Cómo pueden medirse las radiaciones ionizantes y cuáles son las limitaciones?

El principio general de los medidores de radiaciones es que la radiación ionizante cambia el estado electrónico del material en el detector, de forma que pueda detectarse y cuantificarse. Por lo tanto, las propiedades físicas de los materiales del detector en el medidor aportan tanto posibilidades como limitaciones para la medición de radiación.
 

Cámaras de ionización

Las cámaras de ionización, o cámaras de iones, miden la capacidad de la radiación para ionizar el gas. En las cámaras de ionización el detector forma parte de un circuito eléctrico encerrado en una cámara llena de gas (normalmente aire). Una tensión es aplicada a través de dos electrodos para crear un campo eléctrico. La radiación que penetra en la cámara ionizará las moléculas de gas y formará pares de iones, formados por un electrón y un ion cargado positivamente. Los electrones se desplazarán hacia la placa cargada positivamente, mientras que los iones cargados positivamente se desplazarán hacia la placa cargada negativamente. Esta corriente es proporcional a la cantidad de radiación ionizante, y por tanto es proporcional a la dosis en el aire.

Una cámara de iones puede estar ventilada o sellada. Algunos modelos disponen de una compuerta, con un material de pared más fino para permitir mediciones de radiación beta. Las cámaras de aire ventiladas tienen una respuesta energética plana, pero requieren correcciones para la temperatura y presión ambientales. Las cámaras de iones selladas suelen tener una caída de la sensibilidad (en kerma de aire) por debajo de 50-100 keV debido a la atenuación de la radiaciónen en la pared de la cámara.

La sensibilidad de una cámara de iones aumenta con el tamaño de la cámara, ya que un mayor número de moléculas ofrece más posibilidades de ionización. Alternativamente, el número de moléculas contenidas puede aumentarse presurizando la cámara. Sin embargo, la presurización requiere paredes más gruesas de la cámara que atenúan aún más los fotones de baja energía, y puede hacer que el instrumento se clasifique como peligroso (hazmat).
 

Tubo Geiger-Müller (Tubo GM)

Un tubo Geiger-Müller (tubo GM) también consiste en una cámara llena de gas pero, en comparación con una cámara de iones, un tubo GM tiene una tensión aplicada más alta y una composición química diferente del gas que contiene. Cuando la radiación ionizante incide en la cámara, se producen electrones secundarios a partir de interacciones con el material de la pared. Debido a la gran diferencia de potencial, los electrones son acelerados hacia el ánodo y alcanzan energías lo suficientemente altas como para ionizar las moléculas de gas en la cámara. Como resultado, se crean avalanchas de eventos de ionización, lo que tiene como resultado la ionización completa del gas alrededor del ánodo en una escala  temporal de microsegundos. Este evento de descarga corresponde a un recuento en un instrumento basado en GM.

Los detectores GM suelen diseñarse como tubos cilíndricos, o como tubos de panqueque optimizados para mediciones de contaminación. Dependiendo del diseño, el tubo GM puede detectar radiación α, β y γ. El alto nivel de señal del tubo GM lo convierte en un detector sensible y barato. Los detectores GM tienen una fuerte dependencia energética a bajas energías, pero con filtración pueden compensarse energéticamente y utilizarse para mediciones de tasa de dosis. Sin embargo, dado que el tubo GM no mide la energía sino el número de eventos (recuentos), no proporciona información espectral.

Otra consideración con los tubos GM es el efecto de tiempo muerto: Cuando se inicia una avalancha, el tubo GM es insensible a la radiación entrante durante algún tiempo, ya que los electrodos del circuito se neutralizan temporalmente. Durante este tiempo muerto no se registra ninguna radiación. A dosis elevadas, el tiempo muerto y la sensibilidad del instrumento pueden provocar la saturación del tubo GM.

Diodos semiconductores

Mientras que las cámaras de iones y los tubos GM utilizan gas, los diodos semiconductores están hechos de material sólido. Como su nombre indica, el diodo no es ni conductor ni aislante, sino algo intermedio. Los diodos semiconductores suelen estar hechos de cristal de silicio y dopados con átomos que aportan electrones adicionales a la estructura cristalina, por ejemplo, fósforo. Este exceso de electrones ayudan a reducir la brecha de banda desde la banda de valencia a la banda de conducción del cristal. En otras palabras, una absorción de energía bastante pequeña hace que el material del diodo funcione como un conductor. Cuando la radiación ionizante incide en el diodo, interactúa con el material cristalino y produce electrones libres. La energía cinética de estos electrones, se mueven a través de la estructura cristalina, es suficiente para excitar otros electrones del cristal a la banda de conducción y provocar la formación de pares electrón-hueco.

Dado que las densidades de los materiales sólidos suelen ser cientos, o incluso mil veces, mayores que la de los gases, los detectores semiconductores son mucho más pequeños y robustos que las cámaras de ionización y los tubos GM. La mayor densidad en combinación con una banda estrecha conduce a una sensibilidad hasta un millón de veces mayor que la de una cámara de iones del volumen correspondiente. Sin embargo, la alta sensibilidad de los diodos semiconductores depende de la temperatura, ya que incluso un pequeño aumento de la temperatura puede hacer que algunos electrones pasen a la banda de conducción. Dado que la sensibilidad del diodo varía con la energía de los fotones, se suelen utilizar filtros delante del diodo para atenuar las energías más bajas y moderar la respuesta energética.

Centelleadores

Un centelleador es un material que emite luz al interactuar con la radiación. La radiación ionizante excita las moléculas del centelleador a un estado de mayor energía. Dado que este estado es energéticamente desfavorable, las moléculas liberan rápidamente su exceso de energía en forma de fotones (luz) para relajarse al estado básico. Esta luz emitida puede registrarse y utilizarse como medida de la radiación ionizante. Un sensor de luz, por ejemplo un tubo fotomultiplicador o un fotodiodo, es necesario para convertir la luz en una señal eléctrica.

Los materiales de los detectores de centelleo pueden ser orgánicos o inorgánicos y de tipo cristalino, líquido o plástico. Debido a la gran variedad de detectores de centelleo, una descripción exhaustiva de sus propiedades no puede ser dada aquí. Sin embargo, algunas consideraciones generales sobre los detectores de centelleo son su dependencia de la temperatura, sensibilidad a la humedad y el tiempo de desintegración del material centelleador. Una desintegración lenta provoca un resplandor en el centelleador lo que provoca la correspondiente lectura lenta.

Monitores de radiaciones ionizantes