Principios y Tipos de Detectores de Radiación Ionizante

Conceptos Fundamentales en Radiación y Dosimetría

Exposición

La exposición mide la capacidad de ionización de los Rayos X (RX) al interactuar con el aire. Es una magnitud que cuantifica el campo de radiación en un punto determinado.

Relación entre Kerma y Dosis

La relación entre el Kerma (Kinetic Energy Released per unit MAss) y la dosis absorbida depende de las condiciones del material:

• Materia aislada: En esta condición, el Kerma es mayor que la dosis. El Kerma representa la energía transferida a los electrones por la interacción de la radiación, mientras que la dosis es la energía que estos electrones depositan y que la materia absorbe.
• Materia no aislada (equilibrio electrónico): Cuando un material está rodeado por un medio similar, la dosis absorbida es equivalente al Kerma total. En la práctica, el Kerma se puede ver como la "dosis en la primera colisión" del haz de radiación.

Eficacia Biológica Relativa (EBR)

Es un parámetro que permite comparar los efectos biológicos de diferentes tipos de radiaciones. Se establece una relación con una radiación de referencia:

• EBR = 1: La radiación estudiada tiene la misma capacidad de producir efectos biológicos que la de referencia.
• EBR > 1: La radiación estudiada es biológicamente más dañina o efectiva.
• EBR < 1: La radiación estudiada es biológicamente menos dañina o efectiva.

Características y Parámetros de los Detectores

Dosimetría

La dosimetría se encarga de medir la dosis de radiación. Un tipo importante es la dosimetría ambiental, que se divide en:

• Interior: Mide la radiación dentro de una instalación, a la cual pueden estar sometidos los trabajadores.
• Exterior: Mide el nivel de radiación en el exterior de la instalación.

Eficiencia

Se distinguen dos tipos principales de eficiencia en un detector:

• Eficiencia extrínseca (o geométrica): Es la fracción de las partículas totales emitidas por la fuente que llegan al detector.
• Eficiencia intrínseca: Es la fracción de las partículas que, habiendo llegado al detector, interactúan con él y producen una señal medible.

Tiempo Muerto

Es el intervalo de tiempo durante el cual el detector, tras haber registrado una partícula o fotón, no es capaz de procesar y registrar un nuevo evento. Durante este breve periodo, el sistema está "muerto" o inactivo.

Resolución en Energía

Mide la capacidad de un detector para diferenciar entre radiaciones con energías muy próximas. Una alta resolución permite:

• Descomponer un haz de radiación múltiple en sus componentes energéticos.
• Identificar la naturaleza y la calidad del haz con mayor detalle.

Sensibilidad, Precisión y Exactitud

• Sensibilidad: Es la capacidad del detector para registrar radiaciones de muy baja intensidad.
• Precisión: Se refiere a la capacidad de obtener resultados muy similares al repetir una medición, indicando una mínima ambigüedad o dispersión.
• Exactitud: Indica el rigor de la medida, es decir, qué tan cerca está el valor medido del valor real o verdadero.

Tipos de Detectores de Radiación

Detectores Gaseosos

Estos detectores consisten, típicamente, en un cilindro que contiene un gas. Sus paredes suelen ser finas para permitir el paso de la mayor cantidad de radiación. El principio de funcionamiento es el siguiente:

1. La radiación incidente atraviesa el detector y causa ionizaciones en el gas, creando pares de iones positivos y electrones.
2. Se aplica un alto voltaje entre dos electrodos para atraer estas cargas.
3. Las cargas son recogidas por los electrodos, generando una señal eléctrica medible.

Un problema común en estos detectores es la recombinación de cargas, donde un electrón y un ion positivo se neutralizan antes de ser recogidos, lo que reduce la señal.

Subtipos de Detectores Gaseosos

• Cámara de ionización: Opera con un voltaje bajo. La señal que produce es tenue, por lo que necesita un dispositivo de amplificación eléctrica. Mide la cantidad total de carga generada.
• Contador proporcional: Utiliza un voltaje más alto, lo que provoca una "avalancha electrónica". Cada electrón inicial genera ionizaciones secundarias, amplificando la señal. La señal resultante es proporcional a la energía inicial depositada.
• Contador Geiger-Müller: Funciona con un voltaje muy alto. Cualquier ionización desencadena una avalancha que se extiende por todo el detector, produciendo un pulso de gran amplitud e independiente de la energía inicial. Es muy sensible y detecta radiaciones leves. Un riesgo es el efecto de descarga continua, donde la gran cantidad de carga interna puede producir ionizaciones incluso sin radiación incidente.

Detectores Semiconductores

Su funcionamiento se basa en la teoría de bandas de energía de los sólidos, que distingue tres niveles:

• Banda de valencia: Nivel donde los electrones están ligados a los átomos.
• Banda prohibida (gap): Zona de energía que los electrones no pueden ocupar.
• Banda de conducción: Nivel donde los electrones pueden moverse libremente, generando corriente eléctrica.

La diferencia entre materiales radica en el tamaño de la banda prohibida:

• Material conductor: La banda prohibida no existe o es muy pequeña, por lo que los electrones pasan fácilmente a la banda de conducción.
• Material aislante: La banda prohibida es muy grande, y los electrones no tienen energía suficiente para superarla.
• Material semiconductor: La banda prohibida es pequeña. La energía depositada por la radiación es suficiente para que los electrones salten de la banda de valencia a la de conducción, generando un par electrón-hueco que puede ser medido como una señal eléctrica.

Detectores de Centelleo

Estos detectores aprovechan materiales con propiedades de fluorescencia (emisión de luz instantánea) o fosforescencia (emisión de luz retardada). Su funcionamiento se desarrolla en varias etapas:

1. La radiación incidente interactúa con un material centelleador (una sustancia fluorescente o fosforescente).
2. Como resultado de la interacción, el centelleador emite destellos de luz (fotones).
3. Estos fotones de luz viajan hasta un tubo fotomultiplicador (TFM).
4. Dentro del TFM, los fotones chocan contra un fotocátodo, que libera electrones por el efecto fotoeléctrico.
5. Estos electrones son acelerados y chocan contra una serie de electrodos llamados dínodos. En cada choque, se liberan más electrones, produciendo una amplificación en cascada.
6. Al final del proceso, se obtiene un impulso eléctrico medible y proporcional a la energía de la radiación inicial.

Detectores de Termoluminiscencia (TLD)

Se basan en el fenómeno de la termoluminiscencia, que es la emisión de luz inducida por calor en un material previamente irradiado. El proceso consta de dos fases:

• Fase de excitación (Irradiación): La radiación ionizante incide sobre el material. Los electrones de la banda de valencia (B.V.) reciben energía y saltan a la banda de conducción (B.C.). Al intentar regresar a su estado original, algunos de estos electrones quedan atrapados en "trampas" o estados metaestables dentro de la banda prohibida. El número de electrones atrapados es directamente proporcional a la dosis de radiación absorbida.
• Fase de relajación (Lectura): Para medir la dosis, el material se calienta de forma controlada y progresiva. El calor proporciona la energía necesaria para que los electrones atrapados escapen de las trampas y regresen a la banda de valencia. En este proceso, emiten el exceso de energía en forma de fotones de luz. Esta luz es detectada y medida, permitiendo cuantificar la dosis original.