Dispositivos de medición de la radiación Gamma

Una de las herramientas más importantes de Openred son los dispositivos de medición de la radiación gamma ambiental. Conoce cómo funcionan, qué puedes encontrar en el mercado y cómo puedes seleccionar un dispositivo adecuado para tus necesidades de medición.

¿Qué vamos a medir en Openred?

Desde Openred queremos mostraros las tecnologías más comunes para uno de los dispositivos fundamentales del proyecto. Como ya sabéis, en Openred se van a realizar mediciones de la radiación gamma ambiental. A través de este y otros posts intentaremos mostraros las herramientas y conceptos necesarios para realizar correctamente estas mediciones, tanto realizando mediciones para el proyecto Openred (1) como si se quieren realizar estas individualmente.

A la hora de realizar las mediciones tenemos que tener en cuenta las múltiples fuentes de las que puede proceder esta radiación. Como vemos en la siguiente ilustración, la radiación ionizante percibida en la medición por cualquier dispositivo vendrá de multitud de diferentes fuentes:

Existen tres tipos principales de radiación ionizante: alfa, beta y gamma. La radiación alfa consiste en partículas pesadas con carga positiva que son emitidas por el núcleo de elementos radiactivos; aunque es altamente ionizante, su capacidad de penetración es baja y puede ser detenida por una hoja de papel o la piel. La radiación beta se compone de electrones o positrones de alta velocidad y menor masa que las partículas alfa; tiene un poder de penetración mayor, pero aún puede ser bloqueada por materiales como el aluminio. Por último, la radiación gamma es una forma de radiación electromagnética de alta energía, emitida en forma de fotones. Tiene un alto poder de penetración y puede atravesar materiales densos, como el plomo, aunque es menos ionizante que las otras dos. En el proyecto OpenRED, nos enfocamos en medir la radiación gamma, ya que, dentro de estos tipos, es la más sencilla de detectar con equipos accesibles y portátiles.

Dentro del proyecto se está realizando la calibración de estos dispositivos (que publicaremos próximamente) para certificar su sensibilidad y garantizar la repetibilidad y reproducibilidad de las mediciones. Por ello, además de conocer las posibles fuentes de radiación gamma que mostramos en la ilustración anterior, queremos mostraros los principales aspectos técnicos de estos dispositivos, para que podáis conocer los fundamentos físicos de la medición de la radiación y así valorar y obtener correctamente los resultados.

Tecnologías existentes para medir la radiación

La medición de la radiación ionizante es relevante frente a la protección de sus efectos, así como para las aplicaciones beneficiosas derivadas de su uso con el debido control. Dada la importancia de cuantificar las cantidades de radiación, y sus efectos biológicos, la unidad de medida utilizada por la mayoría de los dispositivos es el Sievert (Sv): “es la unidad de dosis de radiación del Sistema Internacional de Unidades (SI) que tiene en cuenta la eficacia biológica relativa de las diferentes formas de radiación ionizante” (3). Los dispositivos que miden la radiación ionizante suelen cuantificar microSievert por hora (μSv/h). A partir de estas medidas se pueden calcular las dosis absorbidas (Gray), las dosis equivalentes y las dosis efectivas, cada una de importancia para medir el efecto de determinados tipos de radiación sobre diferentes órganos en los seres vivos. 

Existen multitud de soluciones para la medición y detección de la radiación ionizante. Desde un punto de vista enfocado a la protección radiológica y teniendo en cuenta los costes económicos tenemos tres grandes grupos:

• Dosímetros: según recoge como definición el CSN son los “instrumentos o dispositivos que permiten medir o evaluar una dosis absorbida, una exposición o cualquier otra magnitud radiológica. Podríamos entender en este apartado a los dispositivos pasivos que no muestran en tiempo real la dosis recibida sino que a través de diferentes indicadores muestran la dosis absorbida acumulada” (4).
• Detectores de radiación: englobamos en estos a los dispositivos que se podrían denominar activos. Porque la principal característica es que además de dar un valor acumulado de dosis absorbida reflejan el valor en tiempo real de la dosis equivalente (o efectiva). Algunos dispositivos no indican cuál es la medida reflejada (dosis equivalente o efectiva) llamándolo simplemente dosis. Y mostrando como unidad CPM (conteo por minuto) o el μSv/h (microSievert por hora).

• Espectrómetros: en este caso no solo se valora la presencia de radiación ionizante sino que se llega a medir la energía de esta radiación ionizante. Esto permite que, además de conocer los niveles de dosis absorbida, se pueda conocer el espectro energético para conocer la fuente exacta de esta radiación.

Tecnologías de detección de radiación gamma estudiadas en Openred

En Openred se ha trabajado en un estado del arte de estos dispositivos, el cual podrás leer en futuros artículos en esta web. Dado el enfoque del proyecto, se han seleccionado dispositivos que ofrezcan la posibilidad de realizar mediciones en tiempo real así como la funcionalidad de subir estas mediciones directamente sobre el mapa del proyecto. Basados en esto, vamos a explicaros las principales tecnologías que usan los dispositivos de detección de radiación:

1. Tubo Geiger-Müller

Sin duda, es la tecnología más utilizada y popular para realizar las mediciones de radiación. En este caso se utiliza la propiedad que tienen ciertos gases al ser ionizados bajo la aplicación de un voltaje entre sus límites, de producir electrones de modo que se produzca una conducción a través de los límites del tubo entre el ánodo y el cátodo. Dentro de esta categoría de detectores de gas se podrían encontrar también las cámaras de ionización y los contadores proporcionales. 

El tubo de Geiger-Müller se caracteriza por estar bajo un campo eléctrico suficientemente alto, esto hace que cualquier ionización producida por una radiación desencadene una avalancha que alcanza el límite de multiplicación, produciendo un pulso de tensión suficientemente alto y similar ante cualquier radiación. De este modo la radiación absorbida es fácilmente medible por electrónica y su conteo conlleva (después de una calibración) al valor real de radiación (ya sea en CPM o en μSv/h si se aplica factor de conversión). El voltaje a aplicar entre ánodo y cátodo se encontraría en la última curva Voltaje-ionización. A partir de este voltaje se produciría conducción continuamente entre ánodo y cátodo.

En la gráfica anterior podemos diferenciar tres regiones que conllevan las tres principales tecnologías que usan gas para medir la radiación. La característica principal de la región Geiger-Müller es que el ratio de conteo se mantiene constante, se usan tensiones suficientemente elevadas para producir reacción en avalancha pero sin superar el umbral de campo eléctrico que provocaría la reacción continua con lo que se producirían continuamente los pulsos. La desventaja es que al ser un ratio de conteo constante no podremos conocer el espectro de energía que produce cada radiación. Dado que con el campo eléctrico aplicado se produce la reacción en avalancha que produce el pulso de tensión indistintamente de la magnitud energética de la radiación. Sin embargo, la ventaja respecto de la región proporcional es la facilidad del control de tensión, ya que se aplica una tensión constante elevada en la región proporcional variable, con la consecuente dificultad para el diseño del convertidor y conseguir esta tensión variable totalmente controlada.

Mientras que en la región proporcional cada ionización genera un electrón libre que conlleva la llamada avalancha de Townsend, en la región Geiger-Müller el campo eléctrico aplicado es suficientemente alto para que esta primera avalancha individual genere en cascada una segunda avalancha en una distinta región del tubo. Esta segunda avalancha se produce a consecuencia de las ionizaciones secundarias producidas y genera moléculas de gas excitadas que vuelven a su estado original mediante la emisión de fotones cuya longitud de onda puede estar en el rango visible o el ultravioleta. Este fotón energizado puede ser absorbido en otra región por otro electrón débilmente unido que genere otro electrón libre y en consecuencia produce otra avalancha de Townsend. Al ser esto una reacción en cadena en distintas regiones del tubo de gas se produce un pulso suficientemente alto de voltaje para ser medido sin dificultad, pero alcanzando siempre ese nivel de saturación que no permite distinguir el nivel energético de la ionización.

Los gases utilizados en la mayoría de tubos Geiger-Müller son el Helio, el Neón o el Argón a baja presión. Estos dispositivos pueden medir radiación alfa y beta además de gamma. Para ello se les debe añadir una fina y delicada película, en la mayoría de casos de mica, en uno de sus extremos. De modo que permita el paso de estas partículas, de mayor rango radiactivo pero menor penetrabilidad que la radiación gamma.

Con todo esto podemos resolver que las principales ventajas y desventajas de estos Tubos de Geiger-Müller son:

• Ventajas:
  • Simplicidad del sistema de generación de campo eléctrico frente al contador proporcional
  • Bajo coste
  • Facilidad en circuito detección de pulsos, no siendo necesario en muchos casos un circuito amplificador a la salida
• Desventajas:
  • Implicación de tiempo muerto entre un pulso y la recuperación del estado del gas para el siguiente pulso de ionización. Produciendo una menor capacidad de rango de medida (limitada por el número de conteos por minuto posible)
  • Baja vida útil del tubo de gas
  • Imposibilidad de obtener espectro energético

2. Cristal centelleador (Scintillator):

Se trata de otra de las principales tecnologías utilizadas para la medición de la radiación. En este caso se trata de cristales basados en materiales que al ser golpeados por radiación emiten un haz de luz. Este comportamiento permite a través de la correspondiente electrónica medir este haz de luz de un rango muy débil. De modo que a partir de un pulso de luz que es leído por un fotocátodo el cual lo transforma en un pulso de corriente mínima que, mediante un tubo fotomultiplicador consigue convertirse en un pulso de corriente dependiente energéticamente de la radiación recibida. Dadas sus características y al ser un cristal en estado sólido podemos entender que estos cristales medirán la radiación gamma, pero encontrarán dificultades para la medición de radiaciones alfa y beta. 

A continuación vamos a mostraros la estructura de un detector de centelleo usando tecnología centelleador+tubo fotomultiplicador (PMT):

En el cristal centelleador se produce un destello de luz al recibir una radiación gamma. Este haz de luz es transformado por un fotocátodo en un haz de electrones, el cual tiene una amplitud muy débil. A través de los dinodos, los cuales están bajo una diferencia de voltaje que permite la amplificación del pulso de electrones, se amplifica esta señal llegando al ánodo un pulso de corriente suficiente para realizar la medición de la radiación y resolver su espectro energético. Actualmente y gracias al continuo desarrollo de la electrónica, podemos encontrar fotodiodos de suficiente calidad que nos permiten sustituir estos fotomultiplicadores. Obteniendo dispositivos compactos y ligeros sin necesidad de fuentes tan estables y precisas como las necesarias en un PMT. Por lo tanto, las dos partes fundamentales del detector centelleador serían:

• Cristal Centelleador o Scintillator. El cristal centelleador es la parte sensible del detector que nos permitirá la física necesaria para trasladar una radiación a un valor de pulso eléctrico. Este cristal, por lo tanto, será el que nos permitirá obtener diferentes sensibilidades, por ejemplo si se quiere medir radiación alfa, beta o gamma. Las características ideales que se buscan en un cristal serían: conversión energética en luz detectable con la mayor eficiencia posible, linealidad en la conversión, transparencia para su propia emisión de luz, decay time suficientemente corto para nuevos pulsos, el material debe ser fácil de manufacturar y de suficiente calidad para los diferentes tamaños de cristal y debe tener buen índice de refracción de modo que permita un acoplo eficiente al fotodiodo o fotomultiplicador. No todos los materiales pueden cumplir estas características simultáneamente, por ello existen diferentes tipos de materiales que son utilizados ampliamente en la industria:

• Centelleadores Orgánicos. En la biblioteca digital del Berkeley Lab podéis encontrar multitud de cristales centelleadores orgánicos comerciales con sus principales características:  Organic Scintillator Library (7)
• Centelleadores Inorgánicos. Son los cristales más ampliamente utilizados, se caracterizan por alta densidad, alto número atómico y decay time por debajo de 1μs. Enlace a Inorganic Scintillator Library (8) con diferentes cristales centelleadores inorgánicos y sus principales características
• Fosforescentes plásticos. Tienen el decay time más bajo de los materiales que publicamos en este post, llegando a valores de 1 o 2 ns
• Centelleadores líquidos, usados para detección de radiación beta. 
• Tubo Fotomultiplicador (PMT). Una vez capturada la radiación ionizante por el cristal, ésta se transforma a través del fotocátodo de una señal lumínica a una señal eléctrica. Sin embargo, dado que esta resulta ser una señal muy débil, se debe elevar de modo que pueda ser fácilmente medible a través de electrónica. Esta elevación se produce a través de los dinodos que están alimentados a diferentes voltajes controlados electrónicamente. De modo que cada fotoelectrón creado en el fotocátodo es acelerado por la atracción del dinodo más próximo atrayendo nuevos electrones de forma proporcional al primero. Tras las suficientes fases se alcanza una señal que puede ser medida y analizada posteriormente.

El propio fundamento físico del detector centelleador+fotomultiplicador nos lleva a comprender sus principales ventajas y desventajas:

• Ventajas:
  • Precisión y sensibilidad
  • Disponibilidad de infinidad de materiales para distintas aplicaciones
  • Obtención de espectro energético al obtener señal proporcional a la radiación
  • Debido a la extremadamente corta duración del flash de luz con el que se detecta la radiación tendrá un ratio de conteo muy elevado
• Desventajas:
  • Tecnología de mayor complejidad
  • Afección negativa de la humedad en según qué cristales
  • Precio elevado

3. Detectores semiconductores o detectores de estado sólido:

Como en cualquier otro campo de medición, la electrónica y el uso de semiconductores aportan una solución que abre multitud de posibilidades a partir del desarrollo continuo de los semiconductores. Existen diferentes semiconductores ya sean diodos, fotodiodos, transistores que, a partir del diferente dopaje del semiconductor en cada una de sus capas, consiguen detectar la radiación y convertirla en un pulso eléctrico medible. Dos de los materiales más ampliamente utilizados en estos semiconductores son el silicio y el germanio, pero existen multitud de materiales y arquitecturas para la detección de la radiación a través de semiconductores. Como ejemplo de las posibilidades que nos ofrecen los semiconductores en este campo tenemos el desarrollo que ha llevado el CERN durante más de dos décadas de los llamados Detectores de Pixel Híbridos que usan tecnología CMOS pero de modo que, la electrónica que permite leer la radiación recogida por cada píxel, ya está integrada en un semiconductor. Por esto, no realiza la medición a través de la captura de imágenes, sino pixel a pixel, permitiendo infinidad de posibilidades según el sensor utilizado. A continuación os dejamos el enlace de Amsterdam Scientific Instruments (10) que utiliza esta tecnología y nos explica su funcionamiento.

Dentro de Openred hemos estudiado el sensor detector semiconductor de cámaras CMOS de dispositivos móviles. Es una de las últimas tecnologías implementadas para la detección de radiación. Las cámaras con tecnología CMOS, las cuales son las más extendidas en los móviles actuales, permiten captar la radiación a través del tratamiento de las imágenes capturadas. La tecnología CMOS (complementary-metal-oxide-semiconductor) lleva en el mismo sensor los transistores que permiten obtener una señal digital, de forma contraria a los antiguos sensores CCD que convertían la luz en un voltaje que era posteriormente transformado a señal digital. En este caso, el sensor CMOS es un fotodiodo que captura la luz con la electrónica integrada suficiente para dar una señal digital. 

En realidad se trabajará siempre con matrices de sensores CMOS que permitirán obtener las imágenes de modo que cada sensor CMOS lo podemos asimilar como un píxel (aunque en realidad esto no es así porque algunos de los sensores pueden ser utilizados para enfocar, para tratamientos de luz, etc.). El caso es que estas cámaras CMOS al captar imagen en localizaciones con radiación logran capturar esa radiación en modo de imagen, apareciendo en la fotografía o vídeo capturado pequeños destellos provocados por la radiación. Existen fabricantes de dispositivos de medición en entornos radiactivos que utilizan esa tecnología para su medición. 

En la playstore de google podemos encontrar diferentes apps enfocadas a medir la radiación usando esta tecnología. Esta resulta una manera económica de medir la radiación ya que mediante el uso de nuestro dispositivo móvil y software se consigue realizar la medición. La cámara deberá estar cubierta dado que en este caso no tiene la sensibilidad de las cámaras usadas profesionalmente para medir la radiación. De este modo permitirá obtener mayor sensibilidad de detección de la radiación por el software utilizado.

• Ventajas:
  • En el caso de las apps resulta una herramienta accesible y económica
  • Permite un registro de la radiación de modo que podamos visualizar el foco de esta en una inspección a una zona radiactiva
• Desventajas:
  • En el caso de las apps tenemos una baja repetibilidad debido al uso de un software en diferentes hardwares (cámara + tratamiento se señal)
  • En el caso de las cámaras para inspección resultan ser dispositivos de precios elevados

Valoración sobre las tecnologías estudiadas en Openred.

Tabla comparativa entre los diferentes detectores:

Tecnología	Rango de medida	Precio	Stock	Precisión	Espectro energético	Facilidad diseño
Geiger- Müller	⭐⭐⭐	⭐⭐	⭐⭐⭐	⭐⭐	❌	⭐⭐⭐
Centelleador	⭐⭐	⭐	⭐⭐	⭐⭐⭐	⭐	⭐
CMOS-móviles	⭐	⭐⭐⭐	⭐⭐⭐	⭐	❌	⭐⭐
Semiconductor	⭐⭐⭐	⭐⭐	⭐	⭐⭐⭐	⭐⭐⭐	⭐⭐⭐

¿Cuál elegirías tú de estas tecnologías para openred?

1. Tubo Geiger-Müller.
2. Cristal Centelleador.
3. Cámaras CMOS.
4. Sensor semiconductor.

Deja tu valoración en los comentarios. Y en un siguiente post os explicaremos los dispositivos que estamos testeando en el proyecto.

Referencias

1. Página web del proyecto Openred. https://open-red.es/
2. European Atlas of Natural Radiation. https://remon.jrc.ec.europa.eu/About/Atlas-of-Natural-Radiation
3. CLEVELAND, Cutler J.; MORRIS, Christopher G. Handbook of energy: diagrams, charts, and tables. Newnes, 2013. pp. 877-902
4. Glosario del Consejo de Seguridad Nuclear. https://www.csn.es/glosario
5. Knoll, G.F. Radiation Detection and Measurement, 4th ed.; John Wiley & Sons, Inc.: Hoboken, NJ, USA, 2010.
6. Connolly, E.L.; Martin, P.G. Current and Prospective Radiation Detection Systems, Screening Infrastructure and Interpretive Algorithms for the Non-Intrusive Screening of Shipping Container Cargo: A Review. J. Nucl. Eng. 2021, 2, 246-280. https://doi.org/10.3390/jne2030023
7. Berkeley Lab Library: https://scintillator.lbl.gov/organic-scintillator-library/
8. Berkeley Lab Library: https://scintillator.lbl.gov/inorganic-scintillator-library/
9. Página web de Matsusada Precisión: Photomultiplier Tube (PMT). https://www.matsusada.com/application/ps/photomultiplier_tubes/
10. Amsterdam Scientific Instruments: https://www.amscins.com/resources/technology/

Otros enlaces de interés:

Imagen destacada tomada del Telescopio Fermi de la NASA

Tema 6 Detección y dosimetría de la radiación. Portal educativo de protección radiológica CSN-Ciemat, https://csn.ciemat.es/