Centelleadores para detectar radiación ionizante

La fluencia y energía de la radiación de haces de partículas cargadas se controlan utilizando diversos sistemas tales como células de ionización, películas radiocromáticas o pantallas de fósforo acopladas a fotodiodos. En general, se trata de sistemas de monitorización de la radiación que son empleados en equipos tales como aceleradores de partículas o ciclotrones donde se producen radiofármacos, tal y como ocurre en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA). Otras instalaciones que requieren estos sistemas de detección de radiación son los reactores de fusión, donde las pérdidas de iones rápidos son claves para el correcto funcionamiento de estos reactores.

Por su parte, un material luminiscente es aquél que emite en forma de luz, parte de la energía que se deposita en él. En este contexto, científicos del CNA y el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (CSIC) han desarrollado un dispositivo de multicapas luminiscente donde cada capa consiste en una lámina de alta calidad óptica formada por óxidos transparentes dopados con tierras raras con una emisión luminiscente característica (un color emitido característico).

“Cuando un haz de partículas cargadas (electrón, protones, partículas α, etc.) interacciona con el apilamiento, deposita energía en las diferentes capas de manera distinta dependiendo de la energía y tipo de partícula incidente. Una parte de la energía depositada en cada capa se emitirá en forma de luz, siendo el color de esta luz diferente para cada capa”, señala uno de los autores del CNA, Francisco J. Ferrer.

De este modo, realizando el diseño conveniente de la multicapa (espesor de cada capa, tipo de luminiscente, etc.), se puede relacionar de manera unívoca el color emitido con un determinado tipo y energía de partícula cargada.

Los investigadores, que han publicado su último estudio en la revista Sensors & Actuators: A. Physical, han diseñado y fabricado dos dispositivos para ilustrar las capacidades de estos nuevos tipos de detectores. Así han evaluado la energía cinética de haces de electrones de unos pocos kiloelectronvoltios o partículas alfa de unos pocos megaelectronvoltios, si bien el concepto se puede extender a otras partículas y rangos de energía.

Monitorizar energía de haces de partículas cargadas

Este estudio se ha revelado como un enfoque poderoso y simple para el monitoreo de energía de haces de partículas cargadas, ya sea iones (es decir, basado en la detección de luminiscencia iónica) o electrones (es decir, catodoluminiscencia).

También se ha comprobado que estos dispositivos pueden diseñarse 'a la carta' de acuerdo con el rango de energía y el tipo de partículas que se detectarán. Las señales emitidas desde tales detectores multicapa pueden recolectarse fácilmente en espectrómetros adecuados, y la señal espectral puede analizarse cuantitativamente usando como referencia los espectros característicos de cada capa luminiscente apilada en el dispositivo.

Además, se ha demostrado que el concepto fotónico multicapa desarrollado en este estudio es totalmente compatible con detectores de color simples (incluido el ojo desnudo), donde, para determinados rangos de energías cinéticas, es posible una alta resolución en este parámetro seleccionando un apilamiento adecuado.