V. DETECCI�N Y MEDIDA DE LA RADIACI�N

V.1. INTRODUCCI�N

PUESTO que la radiaci�n ionizante en general no es perceptible por los sentidos, es necesario valerse de instrumentos apropiados para detectar su presencia. Asimismo, interesan su intensidad, su energ�a, o cualquier otra propiedad que ayude a evaluar sus efectos. Se han desarrollado muchos tipos de detectores de radiaci�n, algunos de los cuales se van a describir aqu�. Cada clase de detector es sensible a cierto tipo de radiaci�n y a cierto intervalo de energ�a. As� pues, es de primordial importancia seleccionar el detector adecuado a la radiaci�n que se desea medir. El no hacerlo puede conducir a errores graves.

El dise�o de los detectores est� basado en el conocimiento de la interacci�n de las radiaciones con la materia. Como ya sabemos, las radiaciones depositan energ�a en los materiales, principalmente a trav�s de la ionizaci�n y excitaci�n de sus �tomos. Adem�s, puede haber emisi�n de luz, cambio de temperatura, o efectos qu�micos, todo lo cual puede ser un indicador de la presencia de radiaci�n. Se van a describir los detectores m�s comunes en las aplicaciones de la radiaci�n, como son los de ionizaci�n de gas y los de centelleo.

V.2. DETECTORES DE IONIZACI�N DE GAS

Como su nombre lo indica, estos detectores constan de un gas encerrado en un recipiente de paredes tan delgadas como sea posible para no interferir con la radiaci�n que llega. Los iones positivos y negativos (electrones), producidos por la radiaci�n dentro del gas, se recogen directamente en un par de electrodos a los que se aplica un alto voltaje.

La corriente el�ctrica as� inducida, en general es en forma de pulsos de corta duraci�n; estos pulsos son contados directamente, o activan un medidor de corriente, o pueden ser conectados a una bocina. Esta medida de ionizaci�n puede transformarse directamente a unidades de exposici�n (Roentgens), seg�n su definici�n (v�ase la figura 17).

Figura 17. Funcionamiento de un detector gaseoso. Los iones y electrones producidos en el gas por la radiaci�n son colectados en el �nodo y el c�todo.

Debido a la baja densidad de un gas (comparado con un s�lido), los detectores gaseosos tienen baja eficiencia para detectar rayos X o gamma (t�picamente del orden de 1%) pero detectan pr�cticamente todas las alfas o betas que logran traspasar las paredes del recipiente. En un detector gaseoso puede usarse cualquier gas (incluso aire). Normalmente se usa una mezcla de un gas inerte (v.gr. arg�n) con un gas org�nico; el primero ayuda a impedir la degradaci�n y el segundo cede f�cilmente electrones para recuperar las condiciones iniciales despu�s de una descarga. Cada gas tiene diferente potencial de ionizaci�n (energ�a necesaria para producir una ionizaci�n); para las mezclas m�s comunes �ste es de alrededor de 34 eV.

La geometr�a m�s usada para contadores gaseosos es de un cilindro met�lico con un alambre central. Se aplica un alto voltaje positivo al alambre, convirti�ndose �ste en �nodo y el cilindro en c�todo. Entonces los electrones se dirigen al alambre y los iones positivos al cilindro. La velocidad de los electrones es mayor que la de los iones.

Cuando una radiaci�n produce un cierto n�mero de pares de iones, �stos se dirigen a los electrodos correspondientes gracias a la aplicaci�n de un alto voltaje. Sin el alto voltaje apropiado, el detector no funciona o puede dar lecturas err�neas. En su trayecto hacia los electrodos, los iones y electrones son acelerados por el campo el�ctrico, y pueden a su vez producir nuevas ionizaciones, o bien pueden recombinarse (neutralizarse). La magnitud de estos efectos depende del tipo de gas, del voltaje aplicado y del tama�o del detector. Los diferentes detectores gaseosos (c�mara de ionizaci�n, proporcionales y Geiger-M�ller) se distinguen por su operaci�n en diferentes regiones de voltaje. La figura 18 muestra estas regiones para un detector t�pico; se grafica el n�mero de iones colectados en los electrodos contra el voltaje aplicado, para part�culas alfa y beta respectivamente.

Figura 18. Regiones de operaci�n de un detector gaseoso.

En la regi�n I el voltaje es tan bajo que la velocidad que adquieren los iones y electrones es peque�a, dando lugar a una alta probabilidad de que se recombinen. Por el peligro de perder informaci�n, esta regi�n normalmente no se usa.

En la regi�n de voltaje II, el n�mero de iones colectados no cambia si se aumenta el voltaje. Se recogen en los electrodos esencialmente todos los iones primarios; es decir, no hay ni recombinaci�n ni ionizaci�n secundaria. Por esta raz�n, el tama�o del pulso depende de la ionizaci�n primaria y, por lo tanto, de la energ�a depositada por cada radiaci�n. Se llama regi�n de c�mara de ionizaci�n y se usa para medir la energ�a de la radiaci�n, adem�s de indicar su presencia. En general, la corriente generada en estas c�maras es tan peque�a que se requiere de un circuito electr�nico amplificador muy sensible para medirla.

En la regi�n III, llamada proporcional, la carga colectada aumenta al incrementarse el voltaje. Esto se debe a que los iones iniciales (primarios) se aceleran dentro del campo el�ctrico pudiendo, a su vez, crear nuevos pares de iones. Si uno sube el voltaje, la producci�n cada vez mayor de ionizaci�n secundaria da lugar a un efecto de multiplicaci�n. Los pulsos producidos son mayores que en la regi�n anterior, pero se conserva la dependencia en la energ�a de las radiaciones.

Aumentando a�n m�s el voltaje, se llega a la regi�n IV, llamada de proporcionalidad limitada, que por su inestabilidad es poco �til en la pr�ctica. Si sigue aument�ndose el voltaje, se llega a la regi�n V, llamada Geiger-M�ller En esta regi�n la ionizaci�n secundaria y la multiplicaci�n son tan intensas que se logra una verdadera avalancha de cargas en cada pulso (Figura 19). Los pulsos son grandes por la gran cantidad de iones colectados, pero se pierde la dependencia en la ionizaci�n primaria.

Figura 19. Avalanchas producidas en un detector Geiger-M�ller.

Los detectores Geiger-M�ller (o sencillamente contadores Geiger) que operan en esta regi�n son indicadores de la presencia de radiaci�n, pero no pueden medir su energ�a. Son los m�s usados porque son f�ciles de operar, soportan trabajo pesado, son de construcci�n sencilla y se pueden incorporar a un monitor port�til. Generalmente operan con voltaje de alrededor de 700 a 800 volts, pero esto puede variar seg�n el dise�o de cada detector.

Si se incrementa el voltaje a�n m�s, se obtiene una descarga continua (regi�n VI), no �til para conteo.

V.3. CALIBRACI�N DE DETECTORES

No todas las radiaciones que llegan a un detector producen un pulso. La eficiencia de un detector est� dada por la relaci�n entre el n�mero de radiaciones que cuenta y el n�mero que le lleg�. Una eficiencia de 100% implica que todas las radiaciones que llegan son detectadas. En cambio una eficiencia de 1%, por ejemplo, significa que de cada 100 radiaciones que recibe, cuenta s�lo una. Es importante conocer la eficiencia de cualquier detector (calibrarlo) para tomarla en cuenta al calcular la dosis recibida.

Hay varias circunstancias que afectan la eficiencia de un detector. Una de ellas es el tipo y la energ�a de la radiaci�n. Las eficiencias relativas de un detector para alfas, betas, gammas o neutrones son muy diferentes, debido a los diferentes mecanismos de interacci�n de cada uno de ellos con materia (ya sea el material del detector o de su envoltura). Consideremos la eficiencia de un contador Geiger para radiaci�n externa. Las part�culas alfa no logran traspasar las paredes del recipiente, as� que su eficiencia es cero. Las betas, en cambio, ser�n contadas en la medida en que puedan atravesar las paredes del recipiente; si �stas son delgadas podr� detectar la mayor�a que le lleguen. Los rayos X y gamma en general pueden atravesar las paredes, pero la probabilidad de que ionicen el gas es peque�a por su baja densidad; sin embargo, esto no impide su uso en t�rminos generales. Para detectar neutrones los contadores Geiger convencionales no sirven.

La energ�a de las radiaciones incidentes es otro par�metro que afecta la eficiencia de un detector. Para empezar, la energ�a de part�culas alfa o beta determina si �stas son capaces de cruzar la envoltura y ser contadas. En el caso de rayos X o gamma, el poder de ionizaci�n depende del coeficiente de absorci�n para cada uno de los tres efectos (fotoel�ctrico, Compton o pares). Como ya se vio, �ste depende de la energ�a de los fotones, y en general es muy grande para bajas energ�as, as� que es de esperarse que los contadores en general tengan mayor eficiencia con bajas energ�as de rayos X o gamma.

El material del detector afecta su eficiencia, principalmente por su densidad. Los detectores s�lidos son m�s eficientes que los gaseosos porque hay m�s materia que ionizar. Adem�s, en los gaseosos la presi�n del gas determina la eficiencia. Tambi�n el tama�o de un detector es determinante para su eficiencia, porque en un detector grande hay m�s materia que ionizar, adem�s de que es m�s dif�cil que la radiaci�n se escape.

El efecto producido en el detector y la manera como �ste se pone en evidencia son importantes para su eficiencia. El efecto puede ser ionizaci�n (como en los detectores gaseosos), producci�n de luz, excitaci�n at�mica o reacci�n qu�mica. Cualquiera que sea el efecto en un detector dado, �ste se tiene que medir de alguna manera. Si es ionizaci�n, se puede medir con un circuito electr�nico apropiado. Si es destello luminoso, se necesita una celda fotoel�ctrica sensible. Si es reacci�n qu�mica, se identifica el nuevo compuesto, por ejemplo, por su cambio de color.

Finalmente, el aparato asociado desempe�a un papel importante, por ejemplo, el circuito electr�nico y el indicador de corriente en los detectores gaseosos. El acoplamiento el�ctrico del detector al circuito, el nivel de discriminaci�n para eliminar ruido electr�nico, los valores y la precisi�n de los voltajes empleados, la magnitud de amplificaci�n de los pulsos, la sensibilidad del indicador de car�tula, la precisi�n de las escalas del indicador, son factores que afectan la eficiencia de conteo. Adem�s, es importante se�alar que la eficiencia debe referirse a la combinaci�n detector-circuito-indicador, y no s�lo a una parte.

Los monitores de radiaci�n y los dos�metros dan lecturas en unidades de exposici�n, de dosis absorbida o de dosis equivalente. Los pulsos que produce el detector se tienen que transformar a estas unidades. Lo mismo puede decirse del ennegrecimiento de una pel�cula o del cambio de color de una soluci�n. Siempre hay lugar a error en las lecturas debido a los procesos descritos. Los fabricantes generalmente calibran sus aparatos por comparaci�n con fuentes de caracter�sticas conocidas (patrones), y recomiendan c�mo se deben usar y c�mo se pueden garantizar lecturas correctas. Adem�s, algunas de sus caracter�sticas van cambiando con el tiempo, as� que se deben verificar de cuando en cuando.

V.4. TIEMPO MUERTO DE UN DETECTOR

El pulso el�ctrico producido en un detector Geiger tiene una forma caracter�stica que se muestra en la figura 20, que es una gr�fica del voltaje en el �nodo contra el tiempo.

Figura 20. Forma caracter�stica de los pulsos el�ctricos provenientes de un detector gaseoso.

Lo primero que sucede es que los electrones producidos en la ionizaci�n, por ser muy veloces, llegan r�pidamente al �nodo (+), provocando una ca�da brusca de su voltaje en una fracci�n de microsegundo. Los iones positivos se mueven m�s lentamente, tardando cientos de microsegundos en llegar al c�todo para restablecer las condiciones iniciales. Durante este tiempo, llamado tiempo muerto del detector, �ste no puede producir nuevos pulsos.

El tiempo muerto del detector (tm) depende de su dise�o, del voltaje aplicado, del circuito externo y del gas utilizado. En general es una cantidad dada y el usuario no tiene acceso a cambiar su valor. Sin embargo, cuando la rapidez de conteo con el detector es grande, pueden suceder muchos pulsos cercanos uno al otro. Entonces existe la posibilidad de que llegue una radiaci�n antes de que el detector se restablezca de la anterior, o sea dentro del tiempo muerto, en cuyo caso la nueva radiaci�n no se registra, entonces la lectura ser� err�nea.

Cuando esto sucede, se puede corregir la raz�n de conteo medida (m) para obtener la raz�n de conteo real (n). Esta ser�a la raz�n de conteo si no hubiese tiempo muerto. La correcci�n se hace aplicando la f�rmula:

n =	m
	1 - mtm

Para verificar su validez, n�tese que si t_m fuese cero, n ser�a igual a m. Desde luego, n siempre es mayor que m. Por otro lado, la correcci�n es mayor entre mayores sean la raz�n de conteo o el tiempo muerto. Para aplicar la f�rmula, n�tese tambi�n que las unidades deben ser congruentes. Por ejemplo, si las unidades de raz�n de conteo son cuentas/seg, el tiempo muerto debe expresarse en segundos.

Si la rapidez (raz�n) de conteo es muy alta, por ejemplo si uno acerca demasiado el detector a la fuente radiactiva, existe la posibilidad de que deje de contar. Esto se debe a que las radiaciones muy seguidas unas de otras llegan al detector antes de que �ste se pueda restablecer. Se dice entonces que el detector est� saturado. �sta es una condici�n peligrosa porque el detector puede no contar nada a pesar de estar dentro de un campo de radiaci�n muy intenso.

V.5. DETECTORES DE CENTELLEO

Existen muchos otros tipos de detector de radiaci�n que no operan con la ionizaci�n de un gas. Uno de los m�s empleados es el llamado detector de centelleo. En �l se aprovecha el hecho de que la radiaci�n produce peque�os destellos luminosos en ciertos s�lidos. Esta luz se recoge y transforma en un pulso el�ctrico.

Los detectores de centelleo tienen algunas ventajas sobre los de gas. En primer lugar, un s�lido, por su mayor densidad, es m�s eficiente en detener la radiaci�n que un gas. Por lo tanto la eficiencia de un detector de centelleo es muy superior a la de uno de gas, especialmente para rayos gamma. En segundo lugar, el proceso de luminiscencia, o sea la absorci�n de radiaci�n y la posterior emisi�n de luz, es muy r�pido, disminuyendo el tiempo muerto.

El material que produce el destello se llama cristal de centelleo. Se selecciona para que tenga una alta eficiencia en absorber radiaci�n ionizante y emitir luz (luminiscencia). Debe ser transparente para poder transmitir la luz producida, y debe estar a oscuras para que la luz ambiental no le afecte.

El material m�s empleado como cristal de centelleo es el yoduro de sodio activado con talio, NaI (T1). Es de costo bajo y es muy estable. Otro muy com�n es el yoduro de cesio activado con talio, CsI (T1), y hay otros materiales inorg�nicos de usos especiales. Por otro lado, especialmente para detectar neutrones, suelen emplearse materiales org�nicos como pl�sticos. De �stos los m�s importantes son el antraceno y el estilbeno. Para ciertas aplicaciones son �tiles tambi�n los l�quidos org�nicos.

Con objeto de transformar la peque�a cantidad de luz producida por un cristal de centelleo en una se�al el�ctrica que se puede manejar con m�s comodidad, se pone en contacto con un dispositivo llamado fotomultiplicador, esquematizado en la figura 21.

Figura 21. Detector de centelleo fotomultiplicador.

El contacto debe ser �ptico (por ejemplo con grasa transparente) para que no haya p�rdidas. El tubo fotomultiplicador es un recipiente de vidrio sellado y al alto vac�o. La cara que est� en contacto con el cristal de centelleo va cubierta en su interior por un material que emite electrones al recibir luz (fotoc�todo) y opera como una celda fotoel�ctrica. Estos electrones son acelerados y multiplicados en campos el�ctricos secuenciales entre electrodos llamados dinodos, logr�ndose multiplicaciones de un mill�n de veces. En el �ltimo de ellos la se�al el�ctrica es suficientemente grande para poder ser manejada con amplificadores y analizadores de pulsos convencionales.

V.6. DOS�METROS PERSONALES

El personal expuesto normalmente a radiaciones requiere de la medida habitual de la dosis recibida y de un seguimiento de la dosis acumulada en un lapso dado. Para esto se acostumbra usar dos�metros personales, que son dispositivos sensibles a la radiaci�n pero que por su tama�o y peso pueden ser portados individualmente con comodidad, ya sea en el bolsillo o asidos a la ropa con una pinza. Los m�s com�nmente empleados son los de pel�cula fotogr�fica, las c�maras de ionizaci�n de bolsillo y los termoluminiscentes.

Los dos�metros de pel�cula (v�ase la figura 22) aprovechan el hecho bien conocido de que la radiaci�n vela las pel�culas fotogr�ficas, como sucede en las radiograf�as. La emulsi�n fotogr�fica contiene granos de bromuro de plata (AgBr), y al pasar por ella una radiaci�n deja a su paso iones de bromo y de plata suspendidos en la emulsi�n, como imagen latente. Cuando se revela la pel�cula aparecen los granos de plata met�lica. El oscurecimiento se mide despu�s con un densit�metro �ptico, que mide la transmisi�n de luz, y de all� se deduce la dosis recibida.

Figura 22. Dos�metros de bolsillo. (a) Pel�cula fotogr�fica. (b) C�mara de ionizaci�n.

Como el oscurecimiento depende tambi�n del tipo y de la energ�a de la radiaci�n recibida, en el portados�metro, que generalmente es un recept�culo de pl�stico, se incluyen filtros en forma de peque�as placas de elementos absorbedores de radiaci�n, como plomo, cadmio, cobre o aluminio. Del ennegrecimiento relativo de las zonas con filtro y sin filtro se puede deducir algo sobre estas cantidades. Hay instituciones y compa��as privadas que ofrecen el servicio de revelado y medida de dosis en dos�metros de pel�cula.

Los dos�metros de pel�cula son de bajo costo, sencillos de usar y resistentes al uso diario. Son sensibles a la luz y a la humedad. Permiten tener un registro permanente de la dosis acumulada, generalmente en periodos de un mes. Como la informaci�n sobre la dosis se recibe un tiempo despu�s de recibida la exposici�n, son �tiles especialmente para llevar el historial de exposici�n del personal. S�lo se pueden usar una vez. No se pueden medir con confianza dosis menores a 20 mrem.

Otro tipo de dos�metro personal que suele usarse es la c�mara de ionizaci�n de bolsillo. Estos son dispositivos del tama�o de un lapicero (Figura 22) que contienen una peque�a c�mara de ionizaci�n en la que el �nodo tiene una secci�n fija y una m�vil, que es una fibra de cuarzo metalizada. Antes de usarse se conecta moment�neamente a un cargador, en el que se le aplica un voltaje, y la fibra se separa de la parte fija por repulsi�n electrost�tica, quedando lista la c�mara para ser usada. Luego, cada vez que le llega una radiaci�n que produce ionizaci�n, los electrones que llegan al �nodo lo van descargando y la fibra se acerca nuevamente a la parte fija. El desplazamiento de la fibra depende de la exposici�n, y se puede observar directamente con una lente en el otro extremo del dos�metro. Se ve la fibra sobre una escala calibrada en unidades de exposici�n; la escala que se usa m�s frecuentemente va de cero a 200 mR.

Las c�maras de ionizaci�n de bolsillo tienen la ventaja de que se puede tener la lectura de la exposici�n inmediatamente despu�s de recibirla. En cambio, no son de registro permanente. Su costo es m�s alto que el de las pel�culas fotogr�ficas, pero se pueden usar repetidas veces. Son sensibles a golpes y otros maltratos.

Los dos�metros termoluminiscentes son substancias, como el fluoruro de litio (LiF) o el fluoruro de calcio (CaF₂), que al recibir radiaci�n muchos de los electrones producidos quedan atrapados en niveles de energ�a de larga vida, generalmente debidos a defectos en la red cristalina. Cuando posteriormente son calentados estos cristales, los electrones atrapados vuelven a caer a sus estados originales, al mismo tiempo emitiendo luz (de all� el nombre de termoluminiscencia). La cantidad de luz emitida es proporcional a la dosis acumulada desde la �ltima vez que se calent�. Se mide con un fotomultiplicador.

Estos dos�metros son de costo moderado, resistentes y pueden ser usados varias veces. Son m�s precisos que los de placa fotogr�fica, pero se requiere de un equipo especial para efectuar las lecturas, las cuales no son inmediatas.

Los dos�metros personales, como los otros detectores, tienen limitaciones en cuanto al tipo de radiaci�n y la energ�a a que son sensibles. Su sensibilidad es funci�n de los mismos par�metros mencionados para los detectores en general, y deben ser calibrados junto con los sistemas que dan las lecturas.

V.7. DETECTORES DE NEUTRONES

Como ya se vio previamente, los neutrones en s� no producen ionizaci�n en los materiales, la producen los n�cleos a los cuales los neutrones les transmiten energ�a, ya sea por dispersi�n el�stica o por reacci�n nuclear. Por lo tanto, los detectores mencionados hasta aqu� son insensibles a detectar neutrones.

Para que un detector de cualquier tipo sea �til para detectar neutrones, debe ser dise�ado de manera que haya abundantes dispersiones o reacciones nucleares. Entonces se mide la ionizaci�n secundaria producida por los n�cleos golpeados. Los neutrones r�pidos generalmente son detectados por las dispersiones que producen; los lentos por las reacciones nucleares.

Los cristales de centelleo org�nicos (por ejemplo, el antraceno y el estilbeno) son �tiles para detectar neutrones r�pidos porque contienen elementos ligeros, en particular hidr�geno y carbono. Sus n�cleos ligeros reciben, al ser golpeados por neutrones, suficiente energ�a para ser detectados.

Los neutrones lentos son detectados a trav�s de las reacciones nucleares que producen. Las reacciones m�s �tiles, por su alta probabilidad y por suceder en elementos que pueden ser f�cilmente integrados en los detectores conocidos, son las siguientes:

10 B + n ®	7 Li + a	(2.792 Mev)
3 He + n ®	3 H + R	(0.765 Mev)
6 Li + n ®	3 H + a	(4.780 Mev)
fisión de 235U		(200 Mev)

El valor entre par�ntesis es aproximadamente igual a la energ�a que se reparten los productos de las reacciones. En el primer caso, por ejemplo, el ⁷Li y la part�cula a se reparten aproximadamente 2.792 MeV, cantidad considerable de energ�a que puede ser detectada en un detector convencional.

El detector m�s com�n de neutrones lentos es un contador proporcional o Geiger que contiene en el gas una proporci�n alta del gas BF₃ (trifluoruro de boro). De preferencia este gas est� enriquecido en el is�topo ¹⁰B para provocar la primera de las reacciones (el boro natural tiene dos is�topos, el 10 y el 11). Las part�culas de Li y a generadas producen los pulsos el�ctricos.

Tambi�n suelen usarse detectores de gas que contienen ³He para provocar la segunda reacci�n. El uso de la tercera reacci�n involucra un cristal de centelleo de LiI (yoduro de litio), enriquecido en ⁶Li. Por otro lado, las llamadas c�maras de fisi�n son contadores proporcionales en cuyas paredes interiores va un recubrimiento que contiene el ²³⁵U.

Una t�cnica muy empleada para detectar neutrones r�pidos es primero moderar su energ�a y luego usar una de las reacciones para neutrones lentos. Para esto se envuelve el detector con un material que es eficaz para moderar los neutrones, como el polietileno o la parafina. �ste generalmente es en forma de esfera o de cilindro de unos 30 cm de di�metro. Es importante hacer notar que si el moderador se separa del detector, �ste deja de ser sensible a los neutrones r�pidos.