Detección de Radiación Gamma con Diodos Semiconductores

Detección de Radiación Gamma
con Diodos Semiconductores
Custidiano, Ernesto R. - Ricciardi, Eduardo J. - Busso, Arturo J. - Custidiano Secchi, Adolfo E.
Departamento de Física - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura - UNNE.
Campus Universitario - Av. Libertad 5600 - (3400) Corrientes - Argentina.
E-mail: [email protected] - [email protected]
ANTECEDENTES
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA:
Cuando un núcleo atómico se desintegra, a través de los distintos procesos posibles, lo hace emitiendo partículas
alfa, beta, neutrones, rayos gamma o rayos X característicos (cuando el núcleo interactúa con los electrones
orbitales).
En todos los casos, la interacción de la radiación con la materia tiene un efecto ionizante, es decir, la energía de
las partículas incidentes se transfiere a los átomos (eléctricamente neutros) liberando electrones con energía
cinética proporcional a la energía de interacción y quedando un átomo con carga neta positiva (“ionizado”).
En el caso de partículas α o β (átomos de Helio doblemente ionizados o electrones respectivamente) la interacción es “directamente ionizante” en virtud de que se trata de partículas con carga y masa y estamos en presencia de colisiones entre la partícula y el átomo en cuestión.
Los neutrones interactúan de varias maneras con la materia dependiendo este proceso de la energía del neutrón y
del tipo de material absorbente. La absorción directa, es una de estas interacciones, ocurre cuando el núcleo del
átomo absorbe el neutrón y una radiación secundaria (β
β o γ ) se produce para establecer el balance energético;
Otra reacción posible consiste en la absorción del neutrón acompañado con la emisión de uno de los componentes del núcleo. Las colisiones entre neutrones y núcleo pueden ser elásticas o inelásticas dependiendo de la masa
nuclear. Algunos átomos, como el Uranio y el Plutonio, pueden fisionarse como resultado de la absorción de
neutrones.
La interacción (“indirectamente ionizante”) que ocurre entre rayos gamma, rayos X; incidentes; y átomos de
materia depende principalmente de la energía del fotón y del número atómico del material (“Target”) en cuestión. Hemos utilizado la palabra “Fotón” con el fin de remarcar la característica de onda electromagnética de
los rayos gamma y X considerados. Cabe aclarar que la radiación electromagnética que tiene su origen en procesos nucleares se denomina radiación gamma o rayo gamma mientras que la emisión electromagnética resultante de intercambio de energía con electrones orbitales se denomina Rayos X característicos y su energía es una
característica del átomo en cuestión. El fotón puede ser absorbido en el proceso llamado “Efecto Fotoeléctrico”
(lo que es altamente probable de ocurrir cuando los fotones son de baja energía y el blanco es de alto número
atómico), dispersado a través del “Scattering Compton” (cuando se trata de fotones con energías intermedias) o
convertido en masa mediante la “Formación de Pares” (que es la interacción predominante en fotones de alta
energía).[1 – 7]
DETECCIÓN DE RADIACIONES IONIZANTES:
De lo expuesto hasta ahora se deduce que todos los fenómenos de intercambio energético entre una radiación
incidente y la materia da como resultado la ionización de dicha materia, ya sea ésta sólida, líquida o gaseosa, de
manera que si colectamos las cargas liberadas en el proceso estamos en condiciones de detectar dicha radiación y
además de cuantificarla.
El detector de radiaciones más antiguo y sencillo, que se conoce, es el Electroscopio de hojas de oro; Se han
desarrollado diversos métodos para detectar radiaciones ionizantes que se basan en la recolección de las cargas
producidas en el proceso de ionización, Así encontramos las Cámaras de ionización, Tubos Geiger-Müller, Contadores proporcionales y Contadores de Centelleo (Escintiladores) los que disponen de propiedades específicas
para distintos tipos de radiación y/o energías. También podemos citar las Emulsiones nucleares, los Dispositivos
Termoluminiscentes y Detectores Cherenkov entre otros.
Detectores de estado sólido, como los de Germanio y Silicio, son utilizados principalmente para espectroscopia
Gamma.
En estos semiconductores se forma una juntura con elementos dopantes (penta o trivalentes) para aprovechar las
características eléctricas en la zona de deplexión del cristal (Fig 1). La corriente generada es una función de los
portadores mayoritarios y minoritarios (electrones y huecos) en la región de la juntura y la Ecuación de Poisson
nos relaciona el potencial en cualquier punto de la zona de deplexión con la densidad volumétrica de carga en el
punto considerado y cuando una radiación ionizante actúa sobre esta región se produce la variación de la densidad de portadores lo que se refleja como variación en la corriente a la salida del detector.
Juntura
Energía
Banda de
Conducción
Carga espacial
de aceptores
Carga espacial
de donores
Nivel de Fermi
Banda de
Valencia
Campo
eléctrico
Zona de
Deplexión
Fig. 1: Diagrama de Bandas de Energía en una juntura cristalina p-n en la que se observa la carga espacial formada por
aceptores y donores en la zona de deplexión.
MATERIALES Y METODO
Se desarrolló un amplificador en configuración no inversor utilizando para ello un operacional TL
081(Amplificador operacional con FETs de entrada), disponible en el comercio local. Tal configuración nos
asegura una alta impedancia de entrada y, además, la ganancia del amplificador resulta independiente de las
resistencias de realimentación. Para alimentación del circuito, se utilizó una fuente partida de +9, –9 Voltios
manteniéndose de esta manera los regímenes típicos de funcionamiento aconsejados en la hoja técnica del operacional en cuestión [8 – 9]. Se agregó el control de offset mediante el preset de 20 Kohm para ajustar el “Cero” de
la salida del operacional.
El Diodo BPW 34 es un fotodiodo PIN, y se lo polarizó en inversa con el fin de crear la zona de “Deplexión”
dentro del cristal actuando de esta manera como cámara de ionización aislándolo ópticamente de la luz ambiente.
La tensión de polarización se fijó en +9V siendo en estas condiciones la capacidad interna de 17 pF. y la corriente de oscuridad (en función de la tensión de polarización) de 1,8 nA. según las curvas características del
fabricante.[10]
Se trabajó principalmente con una ganancia del circuito, Av, moderada de 100 y se la extendió, posteriormente a
1000 con el fin de enmascarar las perturbaciones por agitación térmica de los portadores en el cristal, lo que es
válido en virtud de la intensidad de la radiación a que se expuso el semiconductor.
Fig. 2: Circuito utilizado para el detector
Es importante subrayar que el único elemento expuesto a la radiación fue el diodo, descartándose de esta manera
cualquier tipo de efecto secundario sobre los otros componentes del circuito.
DISCUSION DE RESULTADOS
Se efectuaron series de mediciones para comprobar el funcionamiento del diodo como detector de radiaciones
Gamma, haciéndose un relevamiento de la Planicidad del Campo en un equipo de Cobaltoterapia Theratrón 780,
tomando lecturas desde el centro y hasta el borde para una apertura de campo de 30 x 30 cm obteniéndose la
curva de la Figura 3, la que reproduce el perfil reportado en literatura.[12 – 13].
Planicidad del Campo
Tensión de salida (en mV)
60
50
40
30
20
10
0
0
3
6
9
12
13
1 3 ,5
14
1 4 ,5
Distancia al
centro del ca
mpo (en cm)
15
1 5 ,5
16
Fig. 3: Planicidad del campo para una apertura de 30 x 30 cm y a 80 cm de la fuente.
ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS MEDICIONES EFECTUADAS:
Haciendo referencia a la Detección de Radiaciones Ionizantes, mediante una cámara de ionización de aire [2], se
pueden comparar los resultados experimentales donde podemos notar la gran similitud de las curvas poniéndose
en evidencia que el detector con semiconductor tiene mejor resolución en virtud de su menor tamaño (Fig.:3 y
Fig.:4).
Planicidad relevada con cámara de ionización
Tensión de Salida (en Voltios)
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11
12 13 14
15 16 17
Distancia al centro del haz (en cm)
Fig. 4: Planicidad del campo determinada con cámara de
ionización de aire a 80 cm de la fuente y apertura de 30 x 30
cm.
CONCLUSIONES
Se observó un comportamiento estable del equipo durante las mediciones. Se puede destacar la gran ventaja del
pequeño tamaño del detector que lo hace apropiado para mediciones muy puntuales ya que su ventana es de 2,65
mm x 2,65 mm.
Tampoco se observaron variaciones en la repetición de las lecturas que podrían indicar cambios en la estructura
cristalina. Con el fin de mejorar la sensibilidad se enfocará el diseño del amplificador con varias etapas para
poder medir la radiación dispersa.
Los autores agradecen al Centro de Computación Médica del Nordeste por la utilización del equipo de Radioterapia y en especial al Jefe de Servicio de Radioterapia Dr. Alberto Jara.
Trabajo Financiado por la Secretaría General de Ciencia y Técnica de la UNNE, PI-623
BIBLIOGRAFIA
(1) RADIATION DETECTORS, C. F. G. Delaney and E. C .Finch; Oxford Science Publications 1992.
(2) DISEÑO Y DESARROLLO DE UN SISTEMA DETECTOR DE RADIACIONES IONIZANTES, Custidiano, E. Ricciardi, Eduardo J. - Custidiano Secchi, Adolfo E.; UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDESTE
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2000.
(3) THE PHYSICS OF RADIOLOGY, Harold E. Johns and John R. Cunningham, Charles Thomas Publisher
1983.
(4) RADIATION PHYSICS, INTERACTIONS, AND UNITS, http://www.ehs.unr.edu/rso/radprin.htm#prtop
(5) CDTE SEMICONDUCTOR GAMMA RADIATION DETECTORS EQUIPPED WITH OHMIC CONTACTS,
http://urila.tripod.com/cdte.htm
(6) CDTE AND CDZNTE SEMICONDUCTOR GAMMA DETECTORS EQUIPPED WITH OHMIC CONTACTS ,
Nucl. Instr. and Methods A436, 146 - 149 (1999).
(7) INTRODUCTION TO RADIATION DETECTORS AND ELECTRONICS V-2 SIGNAL ADQUISITION LECTURE
NOTES, HELMUTH SPIELER, U.C. BERKELEY http://www-physics.lbl.gov/~spieler/physics_198_notes/
1998.
(8) OPERATIONAL AMPLIFIER OP77 DATA SHEET, ANALOG DEVICES, 1996.
(9) OPERATIONAL AMPLIFIER TL081 DATA SHEET, NATIONAL SEMICONDUCTOR, 1995.
(10) SILICON PIN PHOTODIODE BPW34 DATA SHEET, INFINEON TECHNOLOGIES, 2000.
(11) RADIATION DOSIMETRY, Franck Attix, William C. Roesch. Academic Press 1968.
(12) THE PHYSICS OF RADIATION THERAPHY, FAIZ M. KHAN, WILLIAMS AND WILKINS, 1994.
(13) ICRU Report 24, Determination of Absorved Dose in a Patient Irradiated by Beams of X or Gamma
Rays in Radiotheraphy Procedure, International Commission on Radiation Units and Measurements,
1976.