Interacciones de fotones y detectores de radiación: fotoeléctrico, Compton, pares, GM, HPGe y centelleo

Interacciones de fotones

• Efecto fotoeléctrico: Predomina a bajas energías y en materiales de alto número atómico. El fotón es absorbido, transfiriendo su energía a un electrón.
• Efecto Compton: Predomina a energías intermedias. El fotón colisiona con un electrón, pierde parte de su energía y es dispersado.
• Producción de pares: Ocurre a altas energías cuando E > 1.022 MeV. El fotón se convierte en un par electrón‑positrón.

Interacciones de partículas cargadas

Partículas cargadas: Son partículas con masa relativamente elevada que suelen seguir trayectorias rectas y depositan gran parte de su energía hacia el final de su recorrido (efecto de Bragg en partículas como protones).

Detectores gaseosos (6 regiones)

Según la tensión aplicada, los detectores gaseosos presentan seis regiones de operación:

1. Región de recombinación: Voltaje bajo; las cargas primarias se recombinan y la señal es muy pequeña. Sin uso práctico habitual.
2. Región de ionización (región de saturación, cámara de ionización): Voltaje suficiente para recoger todas las cargas primarias sin multiplicación. Utilizadas para dosimetría y medidores de actividad (activímetros).
3. Región proporcional (contador proporcional): Se produce multiplicación en el gas; la señal está amplificada y permite espectroscopía energética.
4. Región de proporcionalidad limitada: Región intermedia con comportamiento no lineal; sin uso práctico específico en muchos casos.
5. Región de Geiger‑Müller (contador GM): Voltaje alto; el pulso resultante es grande e independiente de la energía depositada inicialmente. Son muy sensibles y útiles para detección de contaminación, pero no proporcionan información energética y presentan tiempo muerto.
6. Región de descarga continua: A tensiones aún mayores se provoca una descarga continua que puede dañar el detector.

Detectores semiconductores

En detectores semiconductores (silicio o germanio) la radiación crea pares electrón‑hueco en una zona de deplexión (deplexión = zona de agotamiento o depletion). Estos detectores convierten directamente la energía depositada en una señal eléctrica.

Ventajas

• Mayor eficiencia de detección.
• Resolución energética superior, favorecida por un bajo factor de Fano.

Tipos

• Detectores de germanio de alta pureza (HPGe): Requieren enfriamiento (normalmente con nitrógeno líquido o refrigeración criogénica) para reducir el ruido térmico y obtener alta resolución energética.

Detectores de centelleo

Los detectores de centelleo emiten luz visible o ultravioleta cuando absorben radiación ionizante.

Proceso

La radiación excita el material centelleador; al desexcitarse, el material emite fotones de luz visible o UV. Un activador en el material facilita este proceso. La luz emitida se guía hacia un fotodetector que la convierte en una señal eléctrica.

Fotodetector

Un fotodetector clásico es el tubo fotomultiplicador (PMT), que es un tubo de vacío. La luz incide en un fotocátodo, liberando electrones por efecto fotoeléctrico. Estos electrones son acelerados hacia una serie de electrodos (dínodos), donde cada colisión libera más electrones. La amplitud del pulso eléctrico final es proporcional a la energía depositada en el cristal centelleador.