Construcción y calibración de un detector gamma con diodo PIN

Valladolid Salazar José Vidal
Universidad Nacional Mayor de San Marcos
 Evaluación y clasificación de varios diodos
para aplicaciones medicas dosimétricas.
 Estudio de la factibilidad del uso del diodo
PIN bpw 34 para dosimetría de radiación
gamma.
 Estudio de la factibilidad del dosímetro PIN
en braquiterapia para control de dosis.
 Construcción de protocolo de interface
para recopilación de datos mediante la
tarjeta de sonido de una PC.
La cámara de ionización es el más simple de todos los detectores
de radiación llenos de gas, y es ampliamente utilizado para la
detección y la medición de ciertos tipos de radiación ionizante, los
rayos-X, rayos gamma y partículas beta. Tradicionalmente, el
término "cámara de ionización" se utiliza exclusivamente para
describir aquellos detectores que recogen todos los cargos creados
por ionización directa en el gas a través de la aplicación de un
campo eléctrico. Sólo utiliza las cargas discretas creados por cada
interacción entre la radiación incidente y el gas, y no implica los
mecanismos de multiplicación de gas utilizadas por otros
instrumentos de radiación, tales como el contador Geiger-Muller o
el contador proporcional.
Cámaras de iones tienen una buena respuesta uniforme a la
radiación en una amplia gama de energías y son el medio preferido
para la medición de los altos niveles de radiación gamma. Ellos son
ampliamente utilizados en la industria de energía nuclear,
laboratorios de investigación, la radiografía y otros campos de
radiación médicos, y en el monitoreo ambiental.
• Una cámara de ionización mide la carga a partir del número de pares de iones creados
dentro de un gas causado por la radiación incidente. Se compone de una cámara llena
de gas con dos electrodos; conocido como ánodo y el cátodo. Los electrodos pueden
ser en forma de placas paralelas, o una disposición de cilindro con un alambre de
ánodo interno situado coaxialmente.
• Un potencial de voltaje se aplica entre los electrodos para crear un campo eléctrico en
el gas de relleno. Cuando el gas entre los electrodos es ionizado por la radiación
ionizante incidente, se crean pares de iones y los iones positivos y electrones
resultantes disociadas se mueven a los electrodos de polaridad opuesta bajo la
influencia del campo eléctrico. Esto genera una corriente de ionización que se mide
por un circuito de electrómetro. El electrómetro debe ser capaz de medir la corriente
de salida muy pequeña que se encuentra en la región de femtoamperios a
picoamperios, dependiendo del diseño de la cámara, la dosis de radiación y la tensión
aplicada.
• Aun con su alta probabilidad de captación de ionización en base a la densidad del gas,
la respuesta en comparación a los dispositivos de estado solido es menor puesto a que
en ellos podemos utilizar menores voltajes de activación de campos eléctricos y la
respuesta al ruido disminuye.
• Se llama diodo PIN a una estructura de tres capas, siendo la intermedia semiconductor
intrínseco, y las externas, una de tipo P y la otra tipo N (estructura P-I-N que da
nombre al diodo). Sin embargo, en la práctica, la capa intrínseca se sustituye bien por
una capa tipo P de alta resistividad (π) o bien por una capa N de alta resistividad (ν).
• La región intrínseca es amplia en comparación a un diodo ordinario lo que implica su
baja eficiencia como rectificador pero lo hace adecuado para su uso como atenuador,
interruptor rápido, fotodetector y aplicaciones de electrónica de alta tensión.
 La característica mas resaltante es su pequeño tamaño ya que es optimo para
tratamientos de control de dosis en braquiterapia y también usados en
sondas gamma.
 Su bajo costo y fácil instrumentación lo hace uno de los mas comunes diodos
empleados en el mercado para su uso experimental y en mejores
circunstancias también de innovación tecnológica.
 La sensibilidad del diodo frente a radiaciones ionizantes tipo alfa, beta y
gamma lo hacen uno de los mas comerciales a la hora de elegir en un
mercado asequible al publico inicialmente instrumentista.
 Es fácil la calibración al cero cuando se trabaja la fase pre-amplificadora por su
bajo voltaje de alimentación lo que es fácilmente distinguible con el voltaje de salida.
 Su pequeño tamaño también implica suma precisión a la hora de emplearlo
de manera mecánica pues su maniobrabilidad es restringida.
 La alta sensibilidad de este detector a la luz y radiaciones de partícula (alfa y
beta) nos obligan a emplear sistemas de frenado de tal manera que no se
registre como ruido en las mediciones.
 Finalmente, los datos están completamente regidos a los voltajes de las DAQ
de sonido de cada computador pero la uniformidad de medición de fotones
gamma por tiempo transcurrido esta parcialmente estable independiente de
la maquina.
• El diodo pin BPW34 posee características de sensibilidad frente a radiaciones
ionizantes y al ser de bajo costo se empleara para este proyecto. Las partículas alfa
son detenidas por el plástico que rodeará el instrumento cuando se le conecte el cable
coaxial mientras que los rayos gamma pasan sin problema y crean muchos electrones
y huecos en la zona de depleccion del detector pin.
• El comportamiento de un tipo BPW34 fotodiodo PIN es similar a la de un tubo
contador geiger de bajo costo. Si el diodo está conectado en inversa, casi todos los
portadores de carga se elaborará lejos: esto corresponde aun pequeño impulso de
corriente que puede ser amplificada y procesados.
Para la construcción de un detector de radiación Gamma, se
consideró 3 etapas: la alimentación, el sensor y el amplificador.
Para la alimentación se construyó una fuente de doble polaridad 9V, 0V, +9V. El sensor escogido fue un diodo tipo PIN (Capa tipo P,
una intrínseca, una capa tipo N) en este caso el diodo es el
BPW34F. Para la etapa amplificadora se utilizó un OPAM TL071,
dando como resultado, medidas en milivoltios, para la cual
empleamos un multímetro muy sensible.
• Para la construcción del sensor de radiación gamma se diseñado 3 fases:
Instrumentación
Interface protocolar con arduino ONE
Fase preamplificadora
• El ruido que generaba este primer prototipo era aceptable y justificable por el tamaño
de la placa, el movimiento que implicaba su transporte y empleo y también por las
vibraciones que generaban el pequeño movimiento del cable coaxial. Por ende se
prefirió reducir el prototipo para mejorar la calidad de la señal.
Ruido observable en un oscilador
virtual conectado a nuestro device.
Pulsos hallados en la medición de una
fuente de cobalto 60 del laboratorio.
• Para la calibración del detector se particularizo, como cualquier otra
calibración, la cantidad de conteos de pulsos que media el prototipo
frente a la cantidad de pulsos medido por un detector calibrado por lo
cual se encontró una desviación inicial relativamente grande (25%).
• Las explicaciones rondaban respuesta por la exposición del mismo
circuito a la radiación lo que influenciaba en la medición del prototipo.
• Se empleo un Geiger Muller que sirvió como contador para corroborar
la factibilidad de nuestro sensor y se hallo el error de medición alto
(finalmente nuestro sensor si mide radiación gamma pero con alto
ruido).
La reducción de la placa inicial es
evidente (alrededor de 2cm x 5cm)
Como se observa, el tamaño final de la placa es menor a la de un JACK 3.5mm
He aquí nuestro sensor
• La programación de la interface inicial se baso en un programa que escribimos en
visual el cual nos daba los conteos por intervalos de 10 horas. Realmente nos dimos
con la sorpresa que las fuentes radiactivas prácticamente tenían baja actividad.
•
$regfile = "attiny13.dat"
$crystal = 1200000
Baud = 9600
Enable Interrupts
Config Adc = Single , Prescaler = Auto
Start Adc
Open "comb.1:9600,8,n,1,INVERTED" For Output As #1
'Open "comb.2:9600,8,n,1,INVERTED" For Input As #2
Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024
On Timer0 Tim0_isr
Enable Timer0
Dim N As Word
Dim Zeit As Word
Do
Zeit = 0
N=0
Do
If Pinb = 0 Then
Do
Loop Until Pinb.3 = 1
N=N+1
End If
Loop Until Zeit > 45 '10s
Print #1 , N
Loop
'*************** Timer-Prozedur mit Zeitmessung, Regelkreis, und LCD-Refresh *******
Tim0_isr:
Zeit = Zeit + 1 '4,58 Hz
Return
End
Medición de una fuente de cobalto 60 de baja sensibilidad (5mV con respuesta a 20 seg)
La mejor configuración para la fase de instrumentación del diodo BPW34 en fase inversa
es :
La posibilidad de lecturas acumulativas durante un largo periodo de tiempo permite
que recopilemos información de actividad que no se podría con otros instrumentos.
• El propósito inicial de la instrumentación del sensor de radiación gamma era
la medida de la actividad de fuentes radiactivas existentes en nuestro
laboratorio pero actualmente hemos observado el potencial de este
dispositivo por el cual estamos apostando a su empleo en mediciones
asociadas a braquiterapia de ganglios centinela donde tenemos conocimiento
del uso de un isómero de tecnecio 99 el cual emite radiación gamma y es un
marcador radiactivo muy usado en técnicas de diagnostico de cáncer en
cerebro, tiroides, miocardio, pulmones, hígado, riñones y tumores.
• El uso de los diodos PIN como cámaras de ionización de estado
solido permite la portabilidad, maniobrabilidad y empleabilidad
en aplicaciones tanto dosimétricas, como de control y calidad y
aplicaciones de medicina nuclear.
• El costo de esta instrumentación lo hace factible para un
mercado de baja adquisición con conocimientos de
instrumentación.
• Finalmente, las mediciones de radiación gamma medidas en el
sensor proveen información de la actividad de fuentes
radiactivas débiles lo que puede emplearse para medir
radiotrasadores y radiomarcadores del isómero tecnesio 99m
para diagnostico específicamente de ganglio centinela.