Diseño y caracterización de un sistema de - Inicio

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS
DISEÑO Y CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE DETECCIÓN DE
PARTÍCULAS ALFA, MEDIANTE UN FOTODIODO TIPO PIN.
Raquel Murillo Ortiz
Paula Vanesa López Pinales
Tesis de Licenciatura
presentada a la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica
de acuerdo a los requerimientos de la Universidad para obtener el título de
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
Directores de tesis: Dr. Hector Rene Vega Carrillo e Ing. Alejandro Chacón Ruíz
UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
Zacatecas, Zac., 23 Noviembre de 2007
APROBACIÓN DE TEMA DE TESIS DE LICENCIATURA
Raquel Murillo Ortiz
Paula Vanesa López Pinales
PRESENTE
De acuerdo a su solicitud de tema de Tesis de Licenciatura del Programa de Ingeniería
Eléctrica, con fecha de Noviembre de 2007, se acuerda asignarle el tema titulado:
DISEÑO Y CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE DETECCIÓN DE
PARTÍCULAS ALFA, MEDIANTE UN FOTODIODO TIPO PIN.
Se nombran revisores de Tesis a los profesores Dr. Hector Rene Vega Carrillo e Ing. Alejandro Chacón Ruíz , notificándole a usted que dispone de un plazo máximo de seis meses, a
partir de la presente fecha, para la conclusión del documento final debidamente revisado.
Atentamente
Zacatecas, Zac., Noviembre de 2007
Ing. José A. Álvarez Pérez
Director de la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica
AUTORIZACIÓN DE IMPRESIÓN DE TESIS DE LICENCIATURA
Raquel Murillo Ortiz
Paula Vanesa López Pinales
PRESENTE
La Dirección de la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica le notifica a usted que la
Comisión Revisora de su documento de Tesis de Licenciatura, integrada por los profesores Dr.
Hector Rene Vega Carrillo e Ing. Alejandro Chacón Ruíz , ha concluido la revisión del mismo
y ha dado la aprobación para su respectiva presentación.
Por lo anterior, se le autoriza a usted la impresión definitiva de su documento de Tesis para
la respectiva defensa en el Examen Profesional, a presentarse el 23 Noviembre de 2007.
Atentamente
Zacatecas, Zac., Noviembre de 2007
Ing. José A. Álvarez Pérez
Director de la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica
APROBACIÓN DE EXAMEN PROFESIONAL
Se aprueba por unanimidad el Examen Profesional de Raquel Murillo Ortiz
Paula Vanesa López Pinales presentado el 23 Noviembre de 2007 para obtener el título de:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
Jurado:
Presidente: Dr. Hector Rene Vega Carrillo
Primer vocal:
Ing. Alejandro Chacón Ruíz
Segundo vocal: M. en C. Victor Martìn Hernandez Davila
Tercer vocal: Dr. Valentin Badillo
Cuarto vocal: Dr. Eduardo Manzanares Acuña
DISEÑO Y CARACTERIZACIÓN DE UN SISTEMA DE DETECCIÓN DE
PARTÍCULAS ALFA, MEDIANTE UN FOTODIODO TIPO PIN.
Raquel Murillo Ortiz
Paula Vanesa López Pinales
Directores de tesis: Dr. Hector Rene Vega Carrillo e Ing. Alejandro Chacón Ruíz
RESUMEN
En el presente trabajo se implementa un sistema compacto basado en un fotodiodo y se
desarrolla la electrónica asociada, para detección de partículas cargadas, se utiliza un fotodiodo
PIN S3590-06 sin ventana, el cual tienen un amplio espectro de respuesta a fotones desde 320 a
1120 nm [Hamamatsu Photonics], se determinan las características del fotodiodo y la respuesta
a luz incidente. Así mismo se propone un integrador utilizando un amplificador de entrada
2n5245, acoplando el fotodiodo al amplificador Jfet (TL072 Transistor de Efecto de Campo).
En el sistema propuesto se realiza el análisis de tierra virtual, también se obtiene la simulación del diseño con pruebas de pequeña señal, se construye el prototipo haciendo pruebas con
blindaje electromagnético, fuentes de partículas cargadas, adecuando la señal para ingresarla
al sistema de detección, se realizan pruebas con luz infrarojo, se construye a bajo costo y es
fácil de estructurar, se reportan uso de PIN en detección de radiación [Ramirez-Jiménez].
DESIGN AND CHARACTERIZATION OF A SYSTEM OF DETECTION OF
PARTICLES LOADED ALPHA, BY MEANS A PHOTODIODES
Raquel Murillo Ortiz
Paula Vanesa López Pinales
Thesis supervisor: Dr. Hector Rene Vega Carrillo e Ing. Alejandro Chacón Ruíz
ABSTRACT
In the Presen work is implemented a compact system based on a photodiode and it is
developed the associate electronics, for detection of loaded particles, a photodiode is used
PIN S3590-06 without window, which have a wide answer spectrum to photons from 320 to
1120 nm [Hamamatsu Photonics], the characteristics of the photodiode and the answer are
determined to incident light. Likewise intends an integrative one using an entrance amplifier
2n5245, coupling the photodiode to the amplifier JFet (TL072 Transistor of Effect of Field).
In the proposed system it is carried out the analysis of virtual earth, the simulation is also
obtained of the design with tests of small sign, the prototype is built making tests with armorplating electromagnetic, sources of loaded particles, adapting the sign to enter it to the one
detection system, they are carried out tests with light infrared, it is built at low cost and it is
easy of structuring, they are reported use of PIN in radiation detection [Ramírez-Jiménez].
vi
Dedicatorias
RAQUEL
A DIOS: Por haberme permitido llegar a hasta este punto ya que es una de las metas más importantes que me propuse en mi vida , GRACIAS por la salud que me diste , para lograr mis
objetivos , además de tu infinita bondad y amor, mismos que me han permitido valorarte cada
día más.
A MIS PADRES: Por los sacrificios, consejos, apoyos y desvelos, que han rendido sus frutos,
y mas que nada por su ejemplo de amor y paciencia que me impregnan e inspiran a superarme
día con día, y por ser ustedes los iniciadores de amor en mi familia.
A ti padre que con tu carácter me has hecho entender que la vida esta llena de retos, mismos
que con perseverancia se logran. pero mas que nada por tu amor
A ti madre por haberme educado y soportar mis errores , Gracias a tus consejos , por el amor
que siempre me has brindado, por cultivar e inculcar ese sabio don de la responsabilidad.
¡GRACIAS POR DARME LA VIDA !.
¡! LOS QUIERO MUCHO!
A MIS HERMANOS Antonio, por ser el Hermano mayor de la familia y darme un ejemplo.
Leonardo , por tu carácter y tu forma de luchar en la vida.
Martha , Por ser mi hermana mayor, en la que espero aun mas de ella.
Eduardo, Por tu bondad hacia con nosotros, por tu alma siempre alegre y espiritual.
Isaac, Por identificarme contigo, con tu alma aventurera y tu confianza.
Benjamín , por ser mi hermano menor , por tu forma de pensar y tener siempre tu visión positiva.
Agar , por tu apoyo que me brindas para salir adelante, hacerme tía de unos sobrinos HERMOSOS.
vii
Abigail, Por ser mi hermanita menor , por cuidar a mi papas ,por tu carácter y ternura , eres
una mujercita preciosa.
A Todos mis sobrinos deseando que sigan por el camino del estudio.
A MIS AMIGOS: Imelda, porque en ella descubrí lo que es entregar la amistad sin esperar
nada a cambio , por ser casi mi hermana .
Angélica por tu amistad que es muy especial, por contar contigo en las buenas y las malas.
A Braulio, Por tu compresión, Paciencia. Eres una persona muy especial.
A José, que con tu carácter, me diste la confianza de que existe una amistad . Mi amigo no de
siempre, pero si por siempre
Rafael, Martha, Esmeralda, Eva, yadira, Yaneth, Brianda, Paty, Amelia, Gaby, Aurora, Eduardo,Guadalupe.
Que durante mi formación, me brindaron su apoyo y compresión.GRACIAS.
A mis amigos de eléctrica, electrónica,y actualmente de la maestría Centro Regional de Estudios Nucleares
A Todas las personas o familiares, que de manera involuntaria omití su nombre.
viii
PAULA
Le dedico esta tesis a mis padres que me dieron apoyo moral y economico, porque ellos
son quienes siempre han estado conmigo en las buenas y en las malas.
A mi mamá que siempre fue mi amiga y mi buena consejera y por eso le dedico este trabajo,
con todo mi cariño y esfuerzo.
A mi papá se la dedico por que él con mucho necesidad y esfuerzo me saco adelante en todo lo
que yo necesitaba, el siempre estuvo pendiente de que no me faltara nada apesar de que a él le
faltaran muchas cosas. Sinceramente se la dedico con todo mi cariño.
A mis maestros que me dieron su sabiduria y su apoyo.
Se la dedico a mi amiguita Agustina, que nunca nadie ha sabido ocupar su lugar en mi
corazón.
Se la dedico a mi hermano Jaime, que me apoyo siempre.
ix
Agradecimientos
RAQUEL
Para la Universidad Autónoma de Zacatecas, quien confío en nosotros como una materia
digna de transformar, cuyo producto final fue la formación de un Ing. en Comunicaciones y
Electrónica.
Al Lic. Alfredo Femat Bañuelos , Rector de la Universidad Autónoma de Zacatecas. Un
agradecimiento por motivar al estudiante a seguir superándose para el futuro.
Al Dr. Héctor Rene Vega Carrillo, ya que es una persona que sabe inspirar y proyectar a
sus alumnos, comparte el conocimiento de manera generosa y agradable, Gracias por su apoyo
en esta tesis.
Al Ing. Alejandro Chacón Ruiz Martínez, por su amable colaboración y paciencia, misma
que se vio reflejado en este proyecto, Gracias.
Al M. en C. Víctor Martín por su compresión, consejos y su gran disposición, en permitir
hacer uso de las instalaciones de la Unidad Academica de estudios Nucleares.
Ing. Ruben Orozco,Ya que es un amigo con quien puedo contar en todo momento , Gracias
por su apoyo y entusiasmo brindado en este transcurso.
A la memoria del Dr. Leopoldo Leonardo Quirino Torres, por sus conocimientos dejados,
y por su gran espíritu de compartir lo bueno y lo malo.
x
A mis maestros Efrén Bañuelos, José Luis Medina, José Antonio Álvarez, Juan Antonio
Pérez, Manlio Favio, David Garcia, Diana Diaz, Remberto Sandoval, Claudia Sifuentes ,Gerardo Miramontes, Eduardo Gonzáles, Jose Manuel Viramontes, Rafael Villela, Amando Carrillo,Rito Pinedo,Martha Sosa, Salvador Ibarra e Ismael de la Rosa.
GRACIAS
Por guiarme en el camino del conocimiento.
A todas las personas que me han ayudado, proporcionándome comprensión y ejemplos que
de manera involuntaria omití ; quiero que todos ellos reciban mi agradecimiento más profundo.
xi
PAULA
A mis padres que con tanto sacrificio me apoyaron en todo, a esas personas que siempre
me dieron su cariño y su confianza, siempre me dieron el ejemplo de luchar por lo que uno
quiere, de tener paciencia y salir adelante en aquellos momentos difíciles en que quería dejar
todo, muchas gracias y saben que ellos fueron mi mayor motivo para terminar la escuela y que
ellos son lo mejor que tengo, LOS QUIERO MUCHO.
A mi novio, José Guadalupe, por su apoyo incondicional y su amor cada día, por tenerme
tanta paciencia y demostrarme que me quiere con cada acción que hace, deseándome siempre
lo mejor en todo, por estar a mi lado siempre en lo bueno y en lo malo que me ha pasado.
A mis hermanos, Jaime, Hector, Yodel y Endemia, que a pesar de sus dudas en el fondo
creyeron en mi, gracias de todo corazón.
A mi amiga Agustína, por ser una amiga incondicional y por darme ánimos en los momentos difíciles, ella sabe que aunque no nos vemos, siempre la llevo en mi corazón.
Agradezco la valiosa colaboración del M. en C. Victor Martín Hernández Dávila, por permitirnos trabajar en el laboratorio de electrónica de la Unidad Académica de Estudios Nucleares.
Agradezco a los asesores de tesis, el Dr. Hector Rene Vega Carrillo y el Ing. Alejandro
Chacón Ruiz por su amable colaboración en el desarrollo de este trabajo.
xii
Contenido General
Pag.
Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iv
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
v
Lista de figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv
Lista de tablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii
Nomenclatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
1
Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2
Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Características de la radiación . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Radiaciones Ionizantes . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Partículas alfa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3 Partículas beta . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.4 Partículas gamma . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.5 Radiación no Ionizante . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.6 Vida media o semivida de los elementos radiactivos
Detectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1 Detectores gaseosos . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2 Detectores de neutrones . . . . . . . . . . . . . .
1.3.3 Detectores semiconductores . . . . . . . . . . . .
El diodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1 El fotodiodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1
2
6
6
7
9
10
14
15
16
20
33
34
42
47
50
Materiales y Métodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.1
2.2
Materiales . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Fotodiodo tipo PIN . . . . . .
2.1.2 Amplificadores operacionales
2.1.3 JFet . . . . . . . . . . . . . .
Métodos . . . . . . . . . . . . . . . .
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51
51
61
63
69
xiii
Pag.
3
Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Obtención de las funciones de transferencia del sistema . . . . . .
Caracterización del fotodiodo tipo pin para detectar partículas alfa
Caracterización del fotodiodo en la transmición de voz . . . . . .
Caracterización del fotodiodo para detectar luz a 1 kHz . . . . . .
Caracterización de luz infrarroja (control remoto) . . . . . . . . .
Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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72
75
77
78
79
80
Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Apéndices
Apéndice A:
Apéndice B:
Hoja de datos del Pin fotodiodo S3590-06 . . . . . . . . . . . . . . 87
Hoja de datos de los componentes electronicos utilizados . . . . . . 88
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Curriculum Vitae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
xiv
Lista de figuras
Figura
Pag.
1.1
Placa Fotográfica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.2
Partícula alfa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.3
Penetración de una partícula alfa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.4
Atracción de electrones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.5
Partícula Beta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.6
Una partícula beta viajará a una velocidad mucho mayor que una partícula alfa. . . 10
1.7
Las partículas beta penetran a mayor profundidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.8
Partícula Gamma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.9
Penetración de las radiaciones nucleares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.10 Exposición a las radiaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.11 Función respuesta de cada detector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.12 Distribución de amplitudes de las señales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.13 Espectro de fondo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.14 Geometría del contador proporcional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.15 Voltajes de operación de los detectores gaseosos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.16 Detector Centelleador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.17 Esquema del funcionamiento de un centelleador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.18 Esquema de los niveles electrónicos y vibracionales de una molécula. . . . . . . . 29
xv
Figura
1.19 Izquierda: Selección de centelleadores de NaI, algunos con fotomultiplicadores
acoplados. Derecha: Centelleador grande de NaI unido a siete fotomultiplicadores.
Pag.
32
1.20 Esquema de un fotomultiplicador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.21 Estructura de un solo cristal de Ge y Si. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.22 Formación de carga espacial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.23 Representación simbólica del diodo p-n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.24 Polarización directa del diodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.25 Polarización inversa del diodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.26 Fotodiodo sensible a la luz con unión p-n polarizado inversamente. . . . . . . . . 48
1.27 Fotodiodo tipo PIN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.1
Sección transversal del Fotodiodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2
Unión p-n del Fotodiodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3
Fotodiodo tipo PIN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4
Relación de voltaje inverso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.5
Conexión al cable coaxial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.6
Ejemplo de forma de onda de un fotodiodo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.7
Respuesta de la forma de onda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.8
Respuesta en frecuencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.9
Amplificador Operacional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.10 Integrador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.11 Configuración basica del JFET. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.12 Curva característica del FET. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.13 Fotodiodo de la marca Hamamatsu modelo S3590-06. . . . . . . . . . . . . . . . 65
xvi
Figura
Pag.
2.14 Modelo propuesto por Hamamatsu para la detección de partículas cargadas, para
un fotodiodo S3590 series. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.15 Diseño propuesto para esta tesis con un fotodiodo tipo pin S3590-06. . . . . . . . 66
2.16 Cilindro de aluminio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.17 Fuente triple de partículas alfa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1
Diseño propuesto para esta tesis con un fotodiodo tipo pin S3590-06. . . . . . . . 72
3.2
Primera etapa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3
Simulación en Matlab. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4
Segunda etapa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.5
Simulación en Matlab. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.6
Fuente de poder BK precisión 1651A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.7
Fuente triple de partículas alfa, dentro del blindaje. . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.8
Señal producida al detectar partículas alfa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.9
Después de retirar la fuente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.10 Recuperación de la señal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.11 Señal recuperada al hablar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.12 Señal recibida en el fotodiodo enviada por el led. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.13 Señal recuperada en osciloscopio enviada por el fotodiodo. . . . . . . . . . . . . . 79
3.14 Generación de códigos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.15 Señal recuperada, en la prueba con el control remoto.
. . . . . . . . . . . . . . . 80
3.16 Circuito con una frecuencia de 60 Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.17 Señal de salida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.18 Señal de salida para una frecuencia = 1 kHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
xvii
Figura
Pag.
3.19 Señal de salida para f = 1 kHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.20 Señal de salida para una frecuencia = 10 kHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.21 Señal de salida para f = 10 kHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.22 Señal de salida para una frecuencia = 100 kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.23 Señal de salida para una frecuencia = 100 kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
B.1
Diagrama del TL072 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
xviii
Lista de tablas
Tabla
Pag.
1.1
Semividas de algunos isótopos del radio, carbono y uranio . . . . . . . . . . . . . 16
1.2
Energía media necesaria para formar un par electrón-ión . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3
Algunas propiedades de algunos detectores centelleadores . . . . . . . . . . . . . 31
2.1
Características de la fuente triple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
xix
Nomenclatura
Variables
V
Voltaje
Ω
Resistencia eléctrica
λ
Longitud de onda [m]
v
Velocidad de las particulas cargadas [m/seg]
exp(−E/KT )
Distribución de Boltzman [m]
A
Ampere, unidad de corriente eléctrica
Constantes
r
Distancia radial del contador proporcional [m]
b
Radio interno del cátodo [m]
b
Radio externo del ánodo [m]
kT = 0.0259
Energía térmica [eV]
eq=1.602x10−19
Carga del electrón [Coulombs]
c=2.998x108
Velocidad de la luz en el vacío [m/s]
h=6.626x10−34
Constante de Planck´s [J-seg]
xx
k=1.381−23
Constante de Boltzman [J/K]
eV =1.602−19
1 eV de energía [J]
ε0=8.854x10−12 Constante dielectrica en el vacío [F/m]
ε0 Si≈12
Constante dielectrica del Silicio [-]
ε0x≈4
Constante dielectrica del oxido de silicio [-]
Eg ≈ 1.12(T=25o C)Energía en huecos de Silicio [eV]
Unidades
Kg
Kilogramo, unidad de masa
Cal
Caloría, unidad de calor
M eV
Megaelectronvolt, unidad de energía de un electrón
rem
Unidad de dosis equivalente
s
Segundo, unidad de tiempo
Roentgen
Roentgen, unidad de exposición
Rad
Unidad de dosis absorbida
Coulomb
Unidad de carga eléctrica
Gy
Gray, unidad de dosis absorbida
Sv
Siervet, unidad de dosis equivalente
m
Metro, unidad de longitud
W
Unidad de energía para formar un par electrón-ión [eV/par]
J
Joule, unidad de trabajo [Nm]
xxi
N
Newton, unidad de fuerza [Kgm/s2 ]
uma
Uma, unidad de masa atómica
Capítulo 1
Introduccion
La radiactividad es un fenómeno que siempre ha existido en la naturaleza desde que se
formo la tierra hace 4500 millones de años, no se puede percibir por el olfato, el gusto, el
tacto, el oído ni la vista. En los últimos 100 años, y gracias al desarrollo tecnológico, hemos
aprendido a detectarla, medirla y tratar de controlarla.
La radiactividad se produce a través de núcleos que son inestables, los cuales, para pasar
a un estado de estabilidad, se transforman en otro tipo de núcleos con la emisión de radiación
alfa, beta, gamma, neutrones, etc.
Al contrario de la creencia popular, la dosis por radiación no sólo la produce la industria
nuclear o las armas nucleares. Un 87% de la dosis de radiación que recibimos proviene de
fuentes naturales. La radiación está en todas partes: en los hogares, en el aire que se respira,
en los alimentos que se ingieren; incluso el cuerpo es radiactivo. La propia Tierra es radiactiva
por naturaleza y expone a los habitantes a la radiación proveniente de las rocas superficiales y
los suelos. También en forma permanente recibimos radiación cósmica.
Existen fuentes radiactivas en aplicaciones médicas, innumerables son los beneficios de la
radiación en el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades. Con la cual se ha podido realizar
exploraciones del cerebro y los huesos, tratar el cáncer y usar elementos radiactivos como marcadores para dar seguimiento a hormonas y otros compuestos químicos de los organismos.
2
Son importantes las fuentes radioactivas en la inspección de soldaduras, la detección de grietas en metal forjado o fundido, el alumbrado de emergencia, detectores de humo, la datación
de antigüedades y la preservación de alimentos son algunas de sus numerosas aplicaciones.
Desde el descubrimiento de la radiación fue necesario poner a punto aparatos y métodos
que permitieran caracterizar las radiaciones y medir su intensidad y energía. Todos los métodos
de detección están basados en la interacción, de las partículas cargadas y la radiación electromagnética, con la materia que atraviesan.
El diseño de detectores de radiación económicos y portátiles es poco común en México es
por eso la inquietud despertada en este proyecto. En forma general existen 2 tipos de detectores:
En los que se realiza principalmente el fenómeno de ionización de los gases y segundo en los
que ocasionan excitación en los sólidos o líquidos. Entre los detectores de radiación se encuentran: Contadores de Geiger muller, detectores de centelleo y los de semiconductor. Para
diseñar un sistema de detección es necesario conocer los mecanismos de interacción de la radiación con la materia.
Es posible detectar partículas cargadas usando un Fotodiodo PIN [Voychev, 1993], además
de ser muy económico y tener aplicaciones tanto en condiciones de presión atmosférica como
de vació sin requerir para su funcionamiento una fuente de alto voltaje.
1.1
Antecedentes
La radioactividad se define como la propiedad de algunos elementos químicos que consiste
en la desintegración espontánea (radiactividad natural) o provocada ( radiactividad artificial ),
de sus núcleos atómicos. En este proceso los núcleos pueden emitir partículas subatómicas
3
tales como las partículas alfa y las partículas beta, y radiaciones electromagnéticas denominadas rayos gamma.
En el año 1895 Wilhem Conrad Roentgen observó que en su tubo de rayos catódicos se producían rayos de naturaleza desconocida, referidos por consiguiente como rayos-X, que poseían
un gran poder de penetración, entre otras propiedades interesantes, los rayos X causaban fosforescencia, tanto en la pared de vidrio del tubo, como en sustancias fosforescentes ubicadas
fuera del tubo. Después de este acontecimiento, la atención se dirigió hacia este tipo de radiaciones.
Posteriormente en el año 1896 Henri Poincaré, informo a sus colegas sobre los descubrimientos que el científico alemán Wilhem Conrad Roentgen había realizado.
El 24 de febrero de 1896, Antoine Henri Becquerel (1852-1908) reporto sus primeros resultados al demostrar la relación entre los rayos X y la fosforescencia de las sales de uranio. En
uno de sus experimentos envolvió una placa fotográfica en papel negro y colocó una muestra
de sal de uranio sobre ella y la expuso a la luz solar con la idea de que era la luz del sol la
responsable de que la sal de uranio velara la película.
Al revelar la placa apareció que los rayos emitidos por la sal habían penetrado a través del
papel. Tiempo después, Becquerel se preparaba para repetir el experimento pero, como la luz
solar era intermitente, colocó el conjunto en un cajón.
Días después reveló la placa, esperando encontrarla sólo débilmente afectada. Se asombró al
observar una imagen intensa en la placa. Repitió el experimento en la oscuridad total y obtuvo
los mismos resultados, probando que la sal de uranio emitía un tipo de radiación penétrate que
afectaban la emulsión fotográfica, sin necesidad de ser expuesta a la luz solar. De este modo
fue que Becquerel descubrió la radioactividad. En la figura 1.1 se muestra la sal de uranio
afectando una película fotográfica.
4
Figura 1.1 Placa Fotográfica.
En 1898, Marie Sklodowska Curie (1867-1934), con su esposo Pierre Curie (1859-1906),
dirigió sus investigaciones a la radiactividad. En corto tiempo los Curie descubrieron dos elementos nuevos el polonio y el radio, ambos radiactivos. Para confirmar su trabajo sobre el
radio, procesaron una tonelada de residuos de mineral llamado pecblenda, para obtener 0.1 g
de cloruro de radio puro, que usaron para efectuar más estudios sobre las propiedades del radio
y determinar su masa atómica.
Desde entonces ha sido común llamarle radiación a toda energía que se propaga en forma
de onda a través del espacio. De esta forma existe una clasificación desde la luz visible a las
ondas de radio y de televisión conocida como radiación no ionizante.
Otra clasificación la forma la radiación ionizante la cual va desde la luz ultravioleta a los rayos
X y gamma.
1. Electromagnética, constituida por rayos gama, rayos X o de Röntgen y los rayos ultravioleta, la luz visible, el infrarrojo y las ondas hertzianas.
2. La constituida por partículas tales como: electrones, neutrones y protones.
En año 1899, el químico francés Andre Louis Debierne descubrió otro elemento radiactivo, el actinio. Posteriormente en ese mismo año, los físicos britanicos Ernest Rutherford y
Frederick Soddy descubrieron el gas radiactivo radón, observando en asociación con el torio,
el actinio y el radio.
Pronto se reconoció que la radiactividad era una fuente de energía más potente que ninguna
5
de las conocidas. Los Curie midieron el calor asociado con la desintegración del radio y establecieron que 1 gramo de radio desprende aproximadamente unos 420 joules (100 calorías)
de energía cada hora.
Esta emisión de energía continúa hora tras hora y año tras año, mientras que la combustión
completa de un gramo de carbón produce un total de 34000 joules (unas 8000 calorías) de energía. Tras estos primeros descubrimientos, la radiactividad atrajo la atención de científicos de
todo el mundo. En el laboratorio Cavendish de Cambridge, el neozelandés Ernest Rutherford
comenzaba a estudiar las propiedades de los rayos de Becquerel. En este trabajo, Rutherford
descubría que existían al menos dos tipos de radiación: una que es fácilmente absorbida, que
por conveniencia sería llamada la radiación-alfa, y la otra, de naturaleza más penetrante, que
será llamada la radiación beta.
Diez años de trabajo intenso más tarde, Rutherford y Geiger podían declarar que las partículas alfa eran “átomos de helio”.
Posteriormente Paul Villard en París, trabajando con películas fotográficas expuestas a las emisiones del radio, descubría que de éste salían radiaciones muy penetrantes a cuales llamo rayos
gamma.
El asunto se aclaró definitivamente en 1914 cuando Rutherford y Andrade observaron la reflexión de rayos gamma de superficies cristalinas.
En cuanto a los rayos beta, en 1900 los Curie midieron su carga eléctrica y la encontraron
negativa. En 1902, W. Kaufmann, quien expuso rayos-beta del radio a campos eléctricos y
magnéticos (así podía seleccionar los rayos beta de baja energía para sus medidas de e/m, y los
de velocidades cercanas a la de luz para la investigación de la relación entre masa, velocidad y
energía) concluyó que la masa de las partículas negativas encontradas en los rayos de Becquerel
coincidía con aquélla medida a los rayos catódicos; es decir, los rayos beta eran electrones.
El haber identificado las emisiones no explicaba el fenómeno y pasaron más de 25 años desde
la observación de Becquerel antes de entender por qué algunos núcleos son radiactivos. Ahora
6
sabemos que las respuestas requerían de conceptos no existentes hace cien años.
En 1928, George Gamow e independientemente Ronald Gurney y Edward Condon descubrieron
que el decaimiento alfa era un caso de efecto túnel a través de una barrera de potencial, predicho por la mecánica cuántica. En su publicación en Nature, Gurney y Condon cierran una
época diciendo "Hasta ahora ha sido necesario postular una ’inestabilidad’ arbitraria del núcleo".
En 1930 dos físicos alemanes, Walter Bothe y Herbert Becker, informaron que habían liberado del núcleo una misteriosa radiación nueva de inusual poder de penetración. Lo habían
conseguido al bombardear átomos de berilio con partículas alfa. Pero no fue hasta en 1932,
que Chadwick demostró que esa era una partícula cuya masa era similar al protón pero que no
tenia carga; es decir el neutrón.
1.2
1.2.1
Características de la radiación
Radiaciones Ionizantes
Son aquellas radiaciones con energía suficiente para ionizar la materia, desplazando los
electrones de sus órbitas. Pueden provenir de sustancias radiactivas, que emiten dichas radiaciones de forma espontánea, ó de generadores artificiales, tales como los generadores de Rayos
X y los aceleradores de partículas.
Dependiendo de su estructura las radiaciones ionizantes se clasifica como:
1. Radiación electromagnética: que son fotones con energía suficiente como para ionizar
la materia (es decir, superior a unas decenas de electronvoltios). Según su origen y su
energía se le clasifica en rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma.
2. Radiación corpuscular: que son partículas con masa, en este grupo están las partículas
alfa (núcleos de Helio), beta (electrones y positrones de alta energía), protones, neutrones
7
y otras partículas que sólo se producen por los rayos cósmicos o en aceleradores de muy
alta energía, como los piones o los muones.
Para nuestros propósitos solo se trabajara con un solo tipo de radiación alfa, haciendo énfasis
en estas partículas, y sus características.
1.2.2
Partículas alfa
Las partículas alfa son núcleos de Helio, es decir átomos de He sin su capa de electrones.
Constan de 2 protones y 2 neutrones. Al carecer de electrones, su carga eléctrica es positiva,
de +2 la carga del electrón (+2qe), mientras que su masa es de 4 uma.
Se generan habitualmente en reacciones nucleares o desintegración radiactiva de otros núclidos que se transmutan en elementos más ligeros mediante la emisión de dichas partículas.
1.2.2.1
Características
Son partículas muy pesadas, casi 8000 veces más que los electrones y 4 veces más que los
protones. Por su carga eléctrica son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Alcanzan
una velocidad igual a la veinteava parte de la de la luz (c/20) = 15000 km/s.
Poseen una gran energía cinética, su masa y su carga permite ionizar las moléculas y los
átomos del aire; sin embargo se atenúan rápidamente después de recorrer 5 cm. Debido a su
tamaño, al incidir sobre un sólido, son fácilmente detenidas. Una lámina de aluminio de 0,1
mm de grosor las frena totalmente e impide su paso, pero ionizan fuertemente la materia en la
que inciden. Una partícula alfa, es uno de los productos del decaimiento radiactivo de algunos
isótopos radiactivos. En la figura 1.2 se muestra un esquema de la partícula alfa.
8
Figura 1.2 Partícula alfa.
Son 2 neutrones y 2 protones y en realidad es un átomo de helio sin sus electrones. En la
figura 1.3 se muestra el proceso de ionización que produce la partícula alfa al cruzar un medio.
Figura 1.3 Penetración de una partícula alfa.
Para ionizar la materia, la partícula alfa no tiene que pegarle a un electrón directamente
para sacarlo fuera de su átomo. El hecho de que esta partícula pase cerca del electrón es suficiente para causar que el electrón deje al átomo debido a la atracción coulombiana. Y cuando
un electrón es removido de un átomo completo, se forma un par de iones (un ion negativo y
un ion positivo). Como se requiere energía para remover un electrón de un átomo, cada vez
que un electrón es arrancado de su átomo, la partícula alfa perderá algo de su energía cinética
o velocidad.
Considerando el hecho de que las partículas alfa crean grandes cantidades de iones a medida
que penetran la materia, una simple hoja de papel es suficiente para detenerlas. En la figura 1.4
se muestra otro esquema del proceso de ionización que produce una partícula alfa.
9
Figura 1.4 Atracción de electrones.
1.2.3
Partículas beta
Son flujos de electrones (beta negativas) o positrones (beta positivas) resultantes de la desintegración de los neutrones o protones del núcleo cuando este se encuentra en un estado excitado. Es desviada por campos magnéticos . Es más penétrate aunque su poder de ionización
no es tan elevado como el de las partículas alfa. Por lo tanto cuando un átomo expulsa una
partícula beta aumenta o disminuye su número atómico una unidad (debido al protón ganado o
perdido).
1.2.3.1
Características
Son también un producto del decaimiento radiactivo de algunos isótopos radiactivos. Aquí
tenemos una representación de una partícula beta.
Figura 1.5 Partícula Beta.
Es solo un electrón de alta velocidad, sin embargo, cuando éste se obtiene a partir de una
desintegración radiactiva (que proviene de un núcleo), se le llama partícula beta.
Un electrón es muy liviano en comparación a un protón o neutrón (y por lo tanto a una partícula
alfa) y lleva una carga eléctrica de -1.6x10−19 Coulombs. Una partícula beta viajará a una velocidad mucho mayor que una partícula alfa de la misma energía debido a menor masa. En la
figura 1.6 se muestra una particula alfa y una beta.
10
Figura 1.6 Una partícula beta viajará a una velocidad mucho mayor que una partícula alfa.
No ionizan materiales tan fácilmente como lo hacen las partículas alfa. Son alrededor de
100 veces más penetrante que las partículas alfa.
Ionizarán materiales pasando muy cerca de, o por medio de una colisión directa con los electrones de los átomos, mientras que las partículas alfa solamente tienen que pasar cerca de los
electrones atómicos para crear iones.
Por otra parte las partículas beta no ionizan la materia muy fácilmente, por lo tanto estas
penetran a mayor profundidad. Esto las convierte más en un problema debido a que su influencia se detecta a gran profundidad. Al atravesar la materia también pueden frenarse por la
atracción de Coulomb emitiendo rayos X, que se conoce como Bremstrahlung o radiación de
frenado como se muestra en la figura 1.7.
Figura 1.7 Las partículas beta penetran a mayor profundidad.
1.2.4
Partículas gamma
Los rayos gamma (fotones de alta energía) son emitidos por el núcleo de un átomo tras
sufrir una desintegración radiactiva. La energía del rayo gamma (generalmente similar a de
los rayos X de alta energía) corresponde a la diferencia de energías entre el núcleo original en
estado excitado y el núcleo en un estado de excitación menor o nulo. Cada isótopo radiactivo
emite rayos gama cuya energía es característica. En la figura 1.8 se muestra un esquema de la
11
emisión de rayos gamma.
Figura 1.8 Partícula Gamma.
1.2.4.1
Características
Los rayos gamma no poseen carga ni masa; por tanto, la emisión de rayos gamma por parte
de un núcleo no conlleva cambios en su estructura, sino simplemente la pérdida de una determinada cantidad de energía radiante. Con la emisión de estos rayos, el núcleo compensa el
estado inestable que sigue a los procesos alfa y beta.
La distancia recorrida por los rayos gamma es varias veces mayor que la de las partículas
corpusculares con carga y masa como las alfa y las beta. Los rayos gamma pueden producir
ionización en la materia. Debido a su ausencia de carga los rayos gamma no causan tanta ionización. En la figura 1.9 se muestra un esquema que compara la capacidad de penetración de
los rayos gamma en función de su frecuencia.
12
Figura 1.9 Penetración de las radiaciones nucleares.
Por la forma en que ionizan la materia la radiación se puede clasificar como:
1. Radiación directamente ionizante: suele comprender a las radiaciones corpusculares formadas por partículas cargadas que interaccionan de forma directa con los electrones y el
núcleo de los átomos de moléculas blanco o diana como el oxígeno y el agua. Suelen
poseer una transferencia lineal de energía alta.
2. Radiación indirectamente ionizante: está formada por las partículas no cargadas como
los fotones, los neutrinos o los neutrones, que al atravesar la materia interaccionan con
ella produciendo partículas cargadas siendo éstas las que ionizan a otros átomos. Suelen
poseer una baja transferencia lineal de energía.
Por la forma en que se genera la radiación las fuentes se clasifican en naturales y artificiales; es decir:
1. Las radiaciones naturales: proceden de radioisótopos que se encuentran presentes en el
aire (como por ejemplo el 222 Rn o el 14 C), el cuerpo humano (p. ej. el 14 C o el 235 U),
los alimentos (p. ej. el 24 Na o el 238 U)), la corteza terrestre (y por tanto las rocas y los
materiales de construcción obtenidos de éstas, como el
40
K), o del espacio (radiación
cósmica). Son radiaciones no producidas por el hombre. Más del 80% de la exposición
a radiaciones ionizantes en promedio a la que está expuesta la población proviene de las
fuentes naturales.
13
2. están producidas mediante ciertos aparatos o métodos desarrollados por el ser humano,
como por ejemplo los aparatos utilizados en radiología, algunos empleados en radioterapia, por materiales radiactivos que no existen en la naturaleza pero que el ser humano
es capaz de sintetizar en reactores nucleares o aceleradores, o por materiales que existen en la naturaleza pero que se concentran químicamente para utilizar sus propiedades
radiactivas. La naturaleza física de las radiaciones artificiales es idéntica a la de las naturales. Por ejemplo, los rayos X naturales y los rayos X artificiales son ambos rayos
X (fotones u ondas electromagnéticas que proceden de la desexcitación de electrones
atómicos). Ejemplos de fuentes artificiales de radiación son los aparatos de rayos X, de
aplicación médica o industrial, los aceleradores de partículas de aplicaciones médicas,
de investigación o industrial, o materiales obtenidos mediante técnicas nucleares, como
ciclotrones o centrales nucleares.
Radiaciones ionizantes y salud.
Como ya se ha dicho, los seres vivos están expuestos a niveles bajos de radiación ionizante
procedente del sol, las rocas, el suelo, fuentes naturales del propio organismo, residuos radiactivos de pruebas nucleares en el pasado, de ciertos productos de consumo y de materiales
radiactivos liberados desde hospitales y desde plantas asociadas a la energía nuclear y a las de
carbón.
Los trabajadores expuestos a mayor cantidad de radiaciones son los astronautas (debido a
la radiación cósmica), el personal médico o de rayos X, los investigadores, los que trabajan en
una instalación radiactiva o nuclear y los trabajadores de las industrias. Además se recibe una
exposición adicional con cada examen de rayos X y de medicina nuclear, y la cantidad depende
del tipo y del número de exploraciones.
No se ha demostrado que la exposición a bajos niveles de radiación ionizante del ambiente
afecte la salud de seres humanos. Incluso existen estudios que afirman que niveles bajos de
radiación producen beneficios a la salud; a esto se le llama Hornesis. Sin embargo, los organismos dedicados a la protección radiológica utilizan la hipótesis conservadora de que incluso en
14
dosis muy bajas o moderadas, las radiaciones ionizantes aumentan la probabilidad de contraer
cáncer, y que esta probabilidad aumenta con la dosis recibida (Hipótesis lineal sin umbral). A
los efectos producidos a estas dosis bajas se les suele llamar efectos probabilistas o estadísticos.
La exposición a altas dosis de radiación ionizante puede causar quemaduras de la piel,
caída del cabello, náuseas, enfermedades y la muerte. Los efectos dependerán de la cantidad
de radiación ionizante recibida y de la duración de la irradiación, y de factores personales tales
como el género, edad, y del estado de salud y nutrición.
En la figura 1.10 se muestra una gráfica que representa el porcentaje de radiación que recibimos
por diversas fuentes.
Figura 1.10 Exposición a las radiaciones.
1.2.5
Radiación no Ionizante
Es aquella onda o partícula que no es capaz de arrancar electrones de la materia con la que
interactúa, solo produce excitaciones electrónicas.
En el grupo de radiación no ionizante están las ondas de radio u ondas Hertzianas en el
infrarrojo, el visible y el ultravioleta; después de estos están los rayos x y los gamma que se
consideran ionizantes.
15
Interacción con la materia.
El término radiación no ionizante hace referencia a la interacción de ésta con la materia; al
tratarse de frecuencias consideradas ’bajas’ y por lo tanto también energías bajas por fotón, en
general, su efecto es potencialmente menos peligroso que las radiaciones ionizantes.
La frecuencia de la radiación no ionizante determinará en gran medida el efecto sobre
la materia o tejido irradiado; por ejemplo, las microondas portan frecuencias próximas a los
estados vibracionales de las moléculas del agua, grasa o azúcar; que al ser expuestos a las microondas se calientan.
1.2.6
Vida media o semivida de los elementos radiactivos
Cada núclido (átomo) radiactivo se desintegra a una rapidez constante.
Una forma de expresar el proceso de desintegración de un radionúclido es mediante la vida
media.
La vida media o semivida (T1/2) es el intervalo de tiempo en el cual un número dado de átomos
radioactivos de una sustancia se reduce a la mitad; y este intervalo es característico de cada
radionúclido. La vida media se describe en la ecuación (1.1).
N
= N0 · e−λT1/2
2
(1.1)
de donde resulta
T1/2 =
In2
λ
(1.2)
donde λ es la constante de desintegración. Si a 1/λ le llamamos %, (T1/2)=% In 2.
La cantidad de decaimientos por unidad de tiempo recibe el nombre de actividad A(t). Resulta
16
A(t) = −
dN (t)
= N0 · λ · e−λt = A0 · e−λt
dt
(1.3)
donde A(t) es la actividad de la sustancia radiactiva en el instante t, A0 es la actividad inicial
(cuando t = 0), t es el tiempo transcurrido y λ es la constante de desintegración radiactiva, que
es propia de cada radioisótopo.
Las semividas de los elementos alcanzan, desde una fracción de segundo, hasta miles de
millones de años. Por ejemplo, el 92 U238 tiene una semivida de 4.5 x 109 años, el 88 Ra226 tiene
una semivida de 1620 años y el 6 C15 tiene una semivida de 2.4 segundos. Si hoy se tuviera
1.0 g de 88 Ra226 , al cabo de 1620 años se tendrían 0.5 g de 88 Ra226 ; al final de otro período de
1620 años, quedarían 0.25 g y así sucesivamente.
Las semividas de los radioisótopos del mismo elemento son distintas. En la tabla siguiente,
aparecen las semividas de algunos isótopos del radio, carbono y uranio.
Tabla 1.1 Semividas de algunos isótopos del radio, carbono y uranio
Semividas de isótopos del radio, carbono y uranio
1.3
Isótopo
Semivida
Isótopo
Semivida
Ra 223
11.7 días
C 14
5668 años
Ra 224
3.64 días
C 15
24 segundos
Ra 225
14.8 días
U 235
7.1 x 108 años
Ra 226
1620 años
U 238
4.5 x 109 años
Ra 228
6.7 años
Cs 137
30 años
Detectores
El diseño de un sistema detección depende de tipo de radiacion que se quiera detectar y de
su intensidad. El tamaño, eficiencia y sobre todo el costo son factores que se toman en cuenta
17
durante la fase de construcción del sistema.
Al interactuar con la materia las radiaciones depositan energía en los materiales, principalmente a través de la ionización y excitación de sus átomos. Además, puede haber emisión
de luz, cambio de temperatura, o efectos químicos, todo lo cual puede ser un indicador de la
presencia de radiación.
Entre los detectores de radiación se encuentran las cámaras de ionización, contadores proporcionales, contadores de Geiger muller, detectores de centelleo, detectores de neutrones y
los detectores de semiconductor que son los de nuestro gran interés en este trabajo.
Un detector es un sistema que permite transformar la radiación en una señal que nos permita
determinar su presencia, cuantificar e identificar y/o caracterizar las radiaciones ionizantes.
Resolución de un detector
Una importante propiedad de un detector para su uso en espectrometría es la capacidad
para poder discriminar partículas ionizantes de energía muy próximas entre sí. Supóngase dos
detectores distintos, simultáneamente expuestos a radiación monoenergética proveniente de un
cierto radionucleído. En la figura 1.11 se presentan las respectivas distribuciones de amplitudes
de impulsos (función respuesta de cada detector).
Aunque ambas distribuciones están centradas en el mismo valor E, el ancho de ambas difiere notablemente. Estos anchos reflejan la distinta magnitud de las fluctuaciones estadísticas
de las señales producidas en cada interacción, suponiendo que por cada interacción se aportó
la misma energía al detector.
18
Figura 1.11 Función respuesta de cada detector.
La capacidad de un detector para discriminar las energías de las partículas ionizantes incidentes es tanto mayor cuanto menor sea el ancho de su función respuesta. Ello se cuantifica con
un parámetro denominado "resolución" del detector, el cual está dado por el ancho a mitad de
altura (AMA)de la función distribución de amplitudes de las señales, para partículas ionizantes
monoenergéticas, dividido por la energía del pico(como se muestra en la figura 1.12).
La resolución es un parámetro adimensional. Cuanto menor sea el valor de la resolución de
Figura 1.12 Distribución de amplitudes de las señales.
un dado detector, mejor diferenciará energías de valores cercanos entre sí.
19
Eficiencia geométrica de detección
Si se supone una fuente radiactiva de pequeñas dimensiones (un orden de magnitud más
pequeña que la distancia (d)que la separa del detector) como un emisor isotrópico, la fracción
del número total de partículas emitidas por la fuente (S)que llegan al detector se define como
eficiencia geométrica de la configuración; que se muestra en la ecuación (1.4).
E=
S
4πd2
(1.4)
Calculo de eficiencia
La eficiencia de un sistema para una dada geometría de medición se define como la razón
entre la tasa de conteo del detector y la actividad de la fuente, como se muestra en la ecuación
(1.5).
Ef iciencia =
Cuentas por unidad de tiempo
Actividad de la f uente
(1.5)
Interferencia del fondo natural
Cuando se mide radiación gamma poco intensa, la presencia del fondo natural de radiación
puede dificultar su detección. En estos casos, es indispensable conocer bien el espectro de
fondo para determinar que picos lo componen. Los elementos naturales que en general interfieren pertenecen a las cadenas naturales de torio y uranio, Pb212, Pb214, Bi214, etc; así como
el K40 de origen natural, y en algunos casos elementos artificiales como el Cs137 y Co60 que
se encuentran en los materiales estructurales del blindaje o del propio detector. En la grafic 1.13
se muestra el espectro de la radiación gamma del fondo medido con un detector de NaI(Tl).
20
Figura 1.13 Espectro de fondo.
1.3.1
Detectores gaseosos
La Cámara de Ionización, el Contador Proporcional y el detector Geiger-Müller se basan
en la recolección directa de la ionización producida por una partícula al atravesar un gas encerrado entre dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial.
Cámara de ionización de gas
Se puede considerar como un condensador plano-paralelo en la que la región entre los
planos está llena de un gas, usualmente aire. El campo eléctrico en esta región evita que los
iones se recombinen con los electrones y se puede interpretar que en esta situación los electrones se dirigen al electrodo positivo, mientras que los iones cargados positivamente lo hacen
al negativo.
21
La energía media necesaria para producir un ión en aire es de unos 35 eV, este valor varia
Tabla 1.2 Energía media necesaria para formar un par electrón-ión
Gas
W (eV/par)
H2
37
He
41
N2
35
O2
31
Aire
35
Ne
36
Ar
26
ligeramente para otros gases, como se muestra en la tabla 1.2, por tanto una radiación de 1
MeV, produce un máximo de 3 x 104 iones y electrones. Para una cámara de ionización de
tamaño medio, de unos 10x10 cm2 con una separación de 1 cm entre las placas, la capacitancia
es de 8.9 x 10−12 F y el voltaje del pulso recogido es de unos:
V =
(3 · 104 iones) · (8.9 · 10−19 C/ion)
= 0.5mV
(8.9 · 10−12 )F
(1.6)
Este voltaje es bastante pequeño, por lo que debe ser amplificado (hasta un valor 10000)
antes de que se pueda analizar normalmente.
La amplitud de la señal es proporcional al número de iones creados (y por tanto, a la energía
depositada por la radiación), y es independiente del voltaje entre las placas.
El voltaje aplicado determina la velocidad de deriva de los electrones e iones hacia los electrodos de la cámara.
Para un valor típico del voltaje de unos 100 V, los iones se mueven a velocidades de 1 m/s.
Esto hace que tarden hasta 0.01 s en atravesar una cámara de 1 cm de grosor (Los electrones
son más móviles y viajarán unas 1000 veces más rápido).
Estos tiempos son excesivamente largos para los tiempos con los que normalmente se trabaja en la detección de radiaciones nucleares. Por ejemplo, una fuente débil de 1 mCi da un
promedio de una desintegración cada 30 ms. Por tanto, la cámara de ionización no sirve como
22
contador de señales individuales. Normalmente se usa la cámara de ionización como monitor
de radiación, donde la intensidad de la radiación es recogida como una corriente que representa
la interacción de muchas radiaciones durante el tiempo de respuesta de la cámara. La corriente
de salida es proporcional tanto a la actividad de la fuente y a la energía de las radiaciones (radiaciones de mayor energía dan una mayor ionización y por tanto, una mayor respuesta).
Contador proporcional
Para lograr observar pulsos individuales, debemos aumentar el voltaje aplicado (superando
los 100V). De este modo el mayor campo eléctrico es capaz de acelerar los electrones lo suficiente como para que éstos puedan generar ionizaciones secundarias. Los electrones secundarios acelerados producen nuevas ionizaciones, con lo que finalmente se genera una avalancha o
cascada de ionizaciones.
Aunque hay un gran número de ionizaciones secundarias(1000-100000), la cámara siempre trabaja de modo que este número es proporcional al número de sucesos primarios (que
permiten distinguir una particula α de una β; donde la ionización producida es proporcional a
la capacidad de ionización de la radiación, de ahi el nombre de contador proporcional).
La geometría del contador proporcional suele ser cilíndrica, tal como se muestra en la figura
1.14.
En este caso, el campo eléctrico es:
Ē(r) =
V
r̂
r · ln(b/a)
(1.7)
donde r es la distancia radial, b el radio interno del cátodo y a el radio externo del ánodo.
23
Figura 1.14 Geometría del contador proporcional.
La avalancha ocurrirá obviamente en la región donde el campo es mayor cerca del cable
de ánodo. Esta región, sin embargo, representa solamente una pequeña fracción del volumen
de la cámara. La gran mayoría de los iones originales son creados lejos de esta región central,
y la deriva de los electrones es lenta hasta que inician el proceso de avalancha. (Los sucesos
primarios que ocurren dentro de la región de campo intenso, son poco amplificados, dado que
no tienen la oportunidad de crear tantas colisiones).
Debido a que la señal de salida de un contador proporcional proviene principalmente del
proceso de avalancha, el cual ocurre muy rápidamente, el tiempo viene determinado por el
tiempo de deriva de los electrones primarios desde el punto de formación del ión original hasta
la vecindad del ánodo donde ocurre la avalancha. Este tiempo es del orden de los microsegundos, y por tanto, el contador puede trabajar en modo pulsado hasta ritmos de conteo del orden
de 106 por segundo.
Los detectores proporcionales se utilizan para detectar rayos X y electrones de baja energía.
Cuando el gas del detetctor es BF3 o 3 He se detectan neutrones con energías en el rango (0.1
eV - 100keV). El detector proporcional se usa para detectar neutrones cuya energía varía de
0.1 eV a 100 keV.
24
Contador de Geiger-Muller
Si el campo eléctrico es aumentado aún más, se alcanza la región Geiger-Müller. En este
caso, se pueden generar avalanchas secundarias en cualquier parte del tubo producidas por fotones emitidos por átomos excitados en la avalancha original.
Estos fotones pueden viajar relativamente lejos de la región de la avalancha original y en poco
tiempo el tubo entero participa en el proceso. El factor de amplificación puede llegar a ser de
hasta 1010 . Los contadores basados en este principio se conocen como contadores de GeigerMüller.
Debido a que el tubo entero participa en cada suceso incidente, no hay información de la
energía de la radiación original (todas las radiaciones incidentes producen idénticos pulsos de
salida 1 V). Sirve, por tanto, como contador de pulsos.
La señal de salida de un contador Geiger consiste en los electrones recogidos de los muchos procesos de avalancha. La señal, como se ha dicho, es del orden de 1 V, por lo que no se
requiere en general una amplificación adicional. El tiempo de recogida es del orden de 10−6
segundos, tiempo durante el cual los iones positivos no se mueven lejos de la región de la
avalancha. Por tanto, alrededor del ánodo queda una nube de iones cargados positivamente que
reduce la intensidad del campo eléctrico que finalmente finaliza el proceso de avalancha.
El ciclo será completado después de que los iones positivos hayan alcanzado el ánodo y
hayan sido neutralizados [lo que lleva 10−4 - 10−3 s].
Durante su viaje los iones pueden ser acelerados y alcanzar el ánodo con la suficiente energía para liberar electrones y empezar el proceso de nuevo (debido a la naturaleza del proceso
de avalancha múltiple en el tubo Geiger basta con un electrón para crear un pulso de salida).
Para evitar que esto ocurra, se añade un segundo tipo de gas, denominado "quenching gas" (gas
de extinción) compuesto por moléculas orgánicas complejas como el Etanol (mientras que el
25
gas primario está generalmente formado por moléculas simples, como el Argón). Una mezcla
típica será: 90% Argón y 10% Etanol. La naturaleza molecular de este gas añadido evita la
aparición de estos electrones finales.
Figura 1.15 Voltajes de operación de los detectores gaseosos.
Las varias regiones de operación de los detectores gaseosos se muestran en la figura 1.15.
Para voltajes pequeños, los electrones y los iones primarios pueden recombinarse. Según el
voltaje aumenta, se alcanza la región de la cámara de ionización, donde el pulso de salida el
proporcional a la ionización primaria producida por la radiación y por tanto a su energía, pero
independiente de V. En la región proporcional, la amplitud del pulso aumenta con V para hacer
más sencillo el análisis, pero el pulso de salida es aún proporcional a la energía de la radiación
a través de la ionización producida. Finalmente se alcanza la zona Geiger, donde todas las
radiaciones dan la misma salida, independientemente de la ionización inicial o la energía de la
radiación.
Detectores centelleadores
Una desventaja de los contadores gaseosos es su baja eficiencia para muchas radiaciones de
interés en las ciencias nucleares el rango de un rayo gamma de 1 MeV en aire es del orden de
26
100 m. Los detectores sólidos tienen densidades más altas que dan probabilidades de absorción
razonables para un tamaño normal del detector.
Para crear un detector sólido se debe adquirir un compromiso entre dos criterios enfrentados:
1. El material debe ser capaz de soportar un campo eléctrico grande, de manera que los
electrones y los iones puedan ser recogidos para formar un pulso electrónico. Además
en ausencia de radiación el flujo de corriente debe ser mínimo o nulo para que el ruido
de fondo sea bajo.
2. Los electrones deben ser fácilmente extraídos de los átomos y en gran número por la
radiación, y los electrones e iones deben ser capaces de viajar fácilmente en el material.
La primera condición parece exigir un material aislante, mientras que la segunda sugiere usar un conductor. El compromiso obvio es un semiconductor, tal como veremos.
Materiales semiconductores de tamaño suficientemente grande para construir detectores
de radiación útiles (decenas de cm3 ) no llegaron a estar disponibles hasta finales de la
década de los 60 y para cubrir la necesidad de dispositivos espectroscópicos nucleares
de alta eficiencia y una resolución razonable, los contadores centelleadores fueron desarrollados durante los años 1950.
En la figura 1.16 se muestra un sistema de medición basado en un detector de centelleo.
27
Figura 1.16 Detector Centelleador.
Los contadores centelleadores solucionan el dilema de la elección del material del siguiente
modo: los electrones que se forman en el proceso de ionización no son los mismos que los del
pulso electrónico. El intermediario entre ambos es la luz ordinaria.
El proceso completo es como sigue:
1. La radiación incidente interacciona con los átomos y moléculas del material excitándolos.
2. Los estados excitados se desexcitan emitiendo luz visible (o próxima al visible) de fluorescencia.
3. La luz llega a una superficie fotosensible arrancando fotoelectrones.
4. Los electrones se aceleran y se multiplican para formar un pulso eléctrico en el tubo fotomultiplicador, como el mostrado en la figura 1.17.
Existe una amplia variedad de centelleadores y tubos fotomultiplicadores disponibles, dependiendo de la aplicación en la que se va a usar. Las propiedades que hay que considerar
en la elección del material incluyen la fracción de la energía incidente que aparece como luz,
la eficiencia (la probabilidad de que la radiación sea absorbida), el tiempo de respuesta y la
28
Figura 1.17 Esquema del funcionamiento de un centelleador.
resolución en energía.
Para entender como funciona un centelleador, debemos considerar el mecanismo por el
cual la energía puede ser absorbida excitando electrones atómicos. Hay dos tipos básicos de
detectores, aquellos compuestos de materiales orgánicos y aquellos de materiales inorgánicos.
En los centelleadores orgánicos (que pueden ser líquidos o sólidos), la interacción entre las
moléculas son relativamente débiles, y podemos ver sus propiedades en términos de los estados
excitados discretos de las moléculas. Hay dos modos en los que las moléculas pueden absorber
la energía, que se muestra en la figura 1.18: los electrones pueden ser excitados a estados electrónicos superiores (saltos entre niveles electrónicos), o bien los átomos de la molécula pueden
empezar a vibrar (saltos entre niveles vibracionales). Las energías típicas vibracionales son del
orden de 0.1 eV, mientras que las energías de excitación electrónicas son del orden de unos
pocos eV.
29
Figura 1.18 Esquema de los niveles electrónicos y vibracionales de una molécula.
Los electrones excitados son generalmente aquellos que no están muy implicados en la
ligadura de la molécula. En los hidrocarburos aromáticos, tales como los que presentan la
estructura de anillo del benceno, tres de los cuatro electrones de valencia del carbono están
en orbitales híbridos que están localizados entre cada carbono, sus dos carbonos vecinos y un
hidrógeno. El cuarto electrón, que está en un orbital p, no está tan localizado y no participa
tanto en el proceso de ligadura entre los átomos como los electrones s. Es este electrón p el
que es responsable principalmente del proceso de centelleo.
La radiación incidente interacciona con muchas moléculas, perdiendo unos pocos eV en
cada interacción al excitarlas. Muchos posibles estados vibracionales pueden ser excitados (y
también muchos posibles estados electrónicos). Los estados vibracionales excitados decaen
rápidamente ( 1 ps) al estado vibracional fundamental, el cual entonces decae (en un tiempo
del orden de 10 ns) a uno de los estados vibracionales del estado electrónico fundamental que
a su vez decae rápidamente a su estado vibracional fundamental correspondiente.
En circunstancias normales, a temperatura ambiente todas las moléculas de un centelleador
están en el estado más bajo vibracional del estado electrónico fundamental: A la energía térmica kT = 0.025 eV le corresponde una población siguiendo una distribución de Boltzman:
exp(-E/kT), de modo que es muy improbable que haya estados vibracionales excitados a esa
30
temperatura. Esto hace que sólo uno de los fotones que se emiten en las muchas posibles transiciones tenga probabilidad de ser absorbido por el propio centelleador. Esto representa una
importante propiedad: un centelleador deber ser transparente a su propia radiación.
De los centelleadores inorgánicos, el más común está formado por un único cristal de una
sal alcalina como el NaI. Se necesita que sea un monocristal para obtener transparencia: la
reflexiones y absorciones en las caras del cristal harían inservible al centelleador. Las interacciones entre los átomos en un cristal hacen que los niveles discretos de energías se ensanchen
formando una serie de bandas de energía. Las dos bandas superiores son la banda de valencia
y la banda de conducción. En un material aislante como el NaI, la banda de Valencia está
generalmente llena y la banda de conducción vacía. Una radiación incidente puede excitar un
electrón, hacerle saltar el gap de energía (de unos 4 eV) y llevarlo a la banda de conducción. En
un momento dado, este electrón, perderá esta energía, emitiendo un fotón y cayendo de nuevo
a la banda de valencia.
Para aumentar la probabilidad de emisión de fotones y reducir la auto-absorción de luz,
pequeñas cantidades de impurezas llamadas activadores se añaden al cristal. Un activador que
se usa comúnmente es el thalio, formando detectores como el NaI(Tl). El activador proporciona estados discretos de energía en la brecha o "gap" y la emisión de luz tiene lugar entre los
estados del activador. En el caso del NaI, la longitud de onda máxima de emisión cambia de
los 303 nm del cristal puro a los 410 nm del cristal con impurezas. La absorción a esta energía
no se puede dar en el NaI(Tl) dado que los niveles fundamentales del activador no estan poblados y el cambio de longitud de onda del ultravioleta al visible permite aprovechar la región de
máxima sensibilidad de la mayoría de los tubos fotomultiplicadores.
En la tabla 1.3, se muestran algunas propiedades de algunos detectores centelleadores que
se emplean comunmente.
31
Tabla 1.3 Algunas propiedades de algunos detectores centelleadores
NOMBRE
TIPO
l (nm)
t (ns)
Efic.Relat
Anthracene
Sol. orgánico
447
30
0.43
Pilot B
Sol. orgánico
408
1.8
0.30
NE 213
Liq. orgánico
425
3.7
0.34
NaI(Tl)
Cristal inorg.
410
230
1.00
CsF
Cristal inorg.
390
5
0.05
En la tabla, el tiempo hace referencia al tiempo de respuesta del detector (que es bastante
rápido, del orden de los ns) y la eficiencia relativa se calcula respecto al NaI(Tl) e incluye la
eficiencia de absorción del fotón y de la emisión de la luz de salida.
La elección de uno u otro centelleador, dependerá principalmente del tipo de experimento
que se va a realizar. Por ejemplo, si se busca una alta eficiencia para rayos gamma se usa
normalmente el NaI(Tl), dado que la alta Z (53) del Yodo da una alta probabilidad para la
absorción de fotones. Sin embargo, si se busca un corto tiempo de respuesta, el NaI(Tl) no es
muy bueno, y los relativamente poco eficientes centelleadores plásticos pueden ser una mejor
elección.
El acoplo de un centelleador a un fotomultiplicador puede hacerse de varias formas. Algunas combinaciones detectores-tubo se venden ya como una unidad sellada. Los detectores
NaI(Tl) pueden ser colocados en contacto directo con el cristal del tubo fotomultiplicador usando una sustancia transparente, acoplador óptico hecho a base de Si, que minimiza las reflexiones internas. Algunas veces la geometría de los fotomultiplicadores es muy distinta de la de
los centelladores, o deben ser colocados lejos de los centelleadores (para eliminar los efectos
de los campos magnéticos, por ejemplo). En estos casos se emplea una guía de luz entre ambos; donde se usa metilmetacrilato (lucita) sólido.
32
Un esquema del funcionamiento de un fotomultiplicador aparece en la siguiente figura. Un
Figura 1.19 Izquierda: Selección de centelleadores de NaI, algunos con fotomultiplicadores
acoplados. Derecha: Centelleador grande de NaI unido a siete fotomultiplicadores.
pequeño número de electrones (menor que el número de fotones incidentes) son liberados en
el fotocátodo, multiplicados y focalizados por una serie de electrodos llamados dínodos, lo
que permite multiplicar la señal elecronica; esta acción se realiza en el tubo fotomultiplicador
como el mostrado en la figura 1.20.
Figura 1.20 Esquema de un fotomultiplicador.
Los dínodos están conectados a una fuente de alto voltaje y a una serie de divisores de
voltaje. Así se logra una diferencia de potencial típica entre los dínodos adyacentes es de unos
33
100 V, y por tanto, los electrones impactan los dínodos de unos 100 eV de energía. Los dínodos
están construidos de materiales con una alta probabilidad de emitir electrones secundarios.
Puede llevar 2-3 eV para liberar un electrón y por tanto una ganancia de el número de electrones
de 30-50 es posible. Sin embargo, los electrones son liberados en direcciones aleatorias en el
material, y relativamente pocos serán realmente liberados en la superficie, y una ganancia de 5
en cada dínodo es más común. Incluso así, con un tubo de 10 dínodos, la ganancia total será
de 510.
En los espectrómetros de energía, dos importantes características son la linealidad y la estabilidad. La linealidad implica que la amplitud de un pulso de salida debe ser directamente
proporcional al número de eventos originales en el centelleador, y por tanto a la energía depositada en el detector por la radiación. Debido a que la ganancia de cada dínodo depende de
la diferencia de potencial, cualquier cambio en el alto voltaje, producirá una variación en el
pulso de salida. Por ello suele ser necesario estabilizar la fuente de alto voltaje.
1.3.2
Detectores de neutrones
Los neutrones en sí no producen ionización en los materiales, la producen los núcleos a los
cuales los neutrones les transmiten energía, ya sea por dispersión elástica o por reacción nuclear. Por lo tanto, los detectores mencionados hasta aquí son insensibles a detectar neutrones.
Para que un detector de cualquier tipo sea útil para detectar neutrones, debe ser diseñado de
manera que haya abundantes dispersiones o reacciones nucleares.
Entonces se mide la ionización secundaria producida por los núcleos golpeados. Los neutrones
rápidos generalmente son detectados por las dispersiones que producen; los lentos por las reacciones nucleares. Los cristales de centelleo orgánicos (por ejemplo, el antraceno y el estilbeno)
son útiles para detectar neutrones rápidos porque contienen elementos ligeros, en particular
hidrógeno y carbono. Sus núcleos ligeros reciben, al ser golpeados por neutrones, suficiente
energía para ser detectados.
34
Los neutrones lentos son detectados a través de las reacciones nucleares que producen.
El detector más común de neutrones lentos es un contador proporcional o Geiger que contiene en el gas una proporción alta del gas BF3 (trifluoruro de boro). De preferencia este gas
está enriquecido en el isótopo 10 B para provocar la primera de las reacciones (el boro natural
tiene dos isótopos, el 10 y el 11). Las partículas de Li generadas producen los pulsos eléctricos.
También suelen usarse detectores de gas que contienen 3 He para provocar la segunda reacción. El uso de la tercera reacción involucra un cristal de centelleo de LiI (yoduro de litio), enriquecido en 6 Li. Por otro lado, las llamadas cámaras de fisión son contadores proporcionales
en cuyas paredes interiores va un recubrimiento que contiene el U235 .
Una técnica muy empleada para detectar neutrones rápidos es primero moderar su energía
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. Éste
generalmente es en forma de esfera o de cilindro de unos 30 cm de diámetro. Es importante
hacer notar que si el moderador se separa del detector, éste deja de ser sensible a los neutrones
rápidos.
1.3.3
Detectores semiconductores
Un tipo muy particular de nuestro interés son los detectores de semiconductor ya que son
suficientemente densos para que la eficiencia y la buena resolución en detectar partículas alfa.
Son dispositivos de estado sólido que operan esencialmente como cámaras de ionización produciendo acarreo de cargas a diferencia que en estos no son cargas si no un par de electrónhuecos.
Actualmente los detectores de semiconductor más exitosos están hechos de silicio y germanio.
Las ventajas más importantes de los detectores comparados con los de otro tipo de detectores
de radiación, es su energía de resolución superior, la habilidad para resolver la energía de
partículas de un espectro polienergenico. Otras ventajas son:
35
1. La alta densidad del medio ionizado; esto implica una considerable eficiencia de detección por unidad de volumen efectivo del detector.
2. La energía necesaria para producir un par de portadores de carga en los semiconductores
es aproximadamente 10 veces menor que en los gases, y 100 veces menor que en un
centellador.
3. Por lo tanto, para una misma energía impartida, la cantidad de portadores de carga producidos es mucho mayor en los semiconductores que en gases o centelladores, lo cual se
traduce en menores fluctuaciones estadísticas, por lo que se tiene una mejor resolución.
4. La movilidad de los electrones y huecos es elevada y por otra parte, es reducido el volumen efectivo del medio detector; ello se traduce en un tiempo de recolección de cargas
muy breve (del orden del nano segundo), en consecuencia es elevada la resolución en
tiempo.
5. Capacidad para operar en el vacio.
También las características dependen no sólo del tipo del material usado si es silicio o Germanio sino también de la manera en la que el semiconductor esta formado y tratado. El tipo,
tamaño, forma y trato de un cristal juega un papel importante en la operación y diseño de un
detector de semiconductor.
Diferentes Tipos de Detectores de Semiconductor
Los diferentes tipos de detectores de semiconductores que existen hoy , difieren uno del
otro por el material usado para su construcción o el método con el cuál el material es tratado.
Los detectores de barrera superficial, hechos de silicio normalmente de material tipo n y los
detectores de materia tipo p , ambos detectores son utilizados para la detección de partículas
cargadas. El detector de silicio-litio compuesto por la unión de los materiales tipo p y n por
medio del dopado por litio construidos de la misma manera que el anterior es usado para la
36
detección de gamas y los de germanio hiperpuro hecho de material tipo n o p de germanio de
alta pureza son utilizados también en la detección rayos gamma.
Los materiales sólidos semiconductores (Germanio y Silício) son alternativas a los centelleadores para construir detectores de radiación. Ambos, el Ge y el Si, forman cristales sólidos
en los cuales los átomos de valencia 4 forman cuatro enlaces covalentes con los átomos vecinos. Todos los electrones de valencia, participan por tanto, en los enlaces y la estructura de
bandas muestra una banda llena de valencia y una banda de conducción vacía.
La diferencia que tenemos entre un aislante y un semiconductor reside en el tamaño del
gap de energía, el cual es del orden de 5 eV en un aislante y de 1 eV en un semiconductor. A
temperatura ambiente, un pequeño número de electrones (en torno a 1 de cada 109) se encuentran térmicamente excitados en la banda de conducción, dejando una vacante en la banda de
valencia. Según los electrones de átomos cercanos llenan esa vacante (creando en el proceso
una nueva vacante), ésta parece moverse a través del cristal (pero por supuesto los átomos cargados positivamente no se mueven).
Para controlar la conducción eléctrica de los semiconductores, pequeñas cantidades de materiales llamados dopantes son añadidos. En el proceso de dopado, los átomos con valencia 3 o
5 son introducidos en la red cristalina. En el caso de los átomos de valencia 5 (P,As,Sb), cuatro
de los electrones forman enlaces covalentes con los átomos vecinos de Si o Ge. El quinto se
puede mover libremente a traves de la red cristalina y forma un conjunto de estados discretos
"donores" justo bajo la banda de conducción. Debido a que existe un exceso de transportadores
de carga negativa, este material se llama semiconductor de tipo-n. Por otro lado, se puede usar
átomos de valencia 3, los cuales intentan formar 4 enlaces covalentes, produciendo un exceso
de vacantes.
Estos forman estados "aceptores" justo sobre la banda de valencia y el material recibe el
nombre de semiconductor tipo-p debido a que los conductores dominantes de carga son las
37
vacantes cargadas positivamente.
Hay que recordar que la denominación tipo-n o tipo-p hacen referencia al signo de la carga
de los conductores de corriente eléctrica, siendo los materiales eléctricamente neutros.
Cuando se ponen en contacto un material de tipo-p con uno de tipo-n, los electrones del
semiconductor de tipo-n pueden difundirse a través de la unión en el semiconductor de tipo-p
y combinarse con las vacantes.
En las proximidades de la unión p-n, los conductores de carga son neutralizados, creando
una región denominada zona de depleción.
La difusión de electrones de la región tipo-n deja atrás estados ionizados fijos, mientras que
en la región tipo-p quedan estados aceptores fijos cargados negativamente. Se crea por tanto
un campo eléctrico que finalmente impide que la difusión continúe. Se forma una unión p-n
típica de un diodo.
Si alguna radiación penetra en la zona de deplexión y crea un par electrón-hueco, el resultado es muy simular al de una cámara de ionización. De hecho, la zona de depleción tiene un
gran parecido con un condensador plano-paralelo. Los electrones fluyen en una dirección y las
vacantes en la otra. El número final de electrones recogidos pueden crear un pulso electrónico
cuya amplitud es proporcional a la energía de la radiación.
En la práctica estos detectores operan con grandes voltajes inversos (1000-3000V) que aumentan la magnitud del campo eléctrico en la región de deplexión (haciendo más eficiente la
recogida de la carga) y aumentando la región de deplexión (aumentando el volumen de sensibilidad del detector) forzando a más cargas que se desplacen de un tipo de material al otro.
38
A la hora de formar estos detectores se puede partir de un semiconductor de tipo-p en el
que se difunden átomos de Litio. La capa de tipo-n creada al producir detectores como Ge (Li)
o Si (Li) es del orden de 1 mm de grosor, el cual es fácilmente penetrable por rayos gamma de
energía media (el rango de un fotón de 100 keV en Ge es de unos 4 mm y en Si es de unos 2 cm).
Sin embargo, para partículas cargadas el alcance es mucho menor (para un electrón de 1
MeV, al alcance es de 1 mm en Si y Ge; para una partícula alfa de 5 MeV, el alcance es de tan
sólo 0.02 mm en ambos) y una capa del grosor de 1 mm como puede tener la capa-n, impediría
a las partículas alcanzar la zona de depleción.
Para partículas cargadas, la mejor elección es un detector de barrera de superficie, en el que
una capa tipo-p extremadamente fina se deposita en una superficie de Si de tipo-n. Una fina
capa de oro es entonces evaporada en la superficie frontal para servir de contacto eléctrico. El
grosor total que las partículas deben penetrar para alcanzar la región de depleción es de unos
0.1 mm.
El tiempo necesario para recoger la carga de un detector de gran volumen se encuentra en
el rango de 10-100 ns, dependiendo de la geometría del detector (plano o coaxial) y en el punto
de entrada de la radiación respecto a los electrodos. Este tiempo es mucho menor que el que
se tiene con una cámara de ionización, dado que aquí el recorrido que deben hacer las cargas
creadas se ve reducido en varios órdenes de magnitud.
Una de las grandes funciones que tienen estos detectores consiste en que como se necesita
menor energía para crear un par electrón-hueco ( 3.6 eV/par en Si a 300 K), se obtiene una
excelente resolución energética.
Ventajas de los detectores de semiconductor
39
Las ventajas que ofrecen los detectores semiconductores respecto al resto son las siguientes:
Alta densidad del medio ionizado; esto implica una considerable eficiencia de detección por
unidad de volumen efectivo del detector.
La energía necesaria para producir un par de portadores de carga en los semiconductores
es aproximadamente 10 veces menor que en los gases, y 100 veces menor que en un centellador.
Por lo tanto, para una misma energía impartida, la cantidad de portadores de carga producidos es mucho mayor en los semiconductores que en gases o centelladores, lo cual se traduce
en menores fluctuaciones estadísticas, por lo que se tiene una mejor resolución.
La movilidad de los electrones y huecos es elevada y por otra parte, es reducido el volumen
efectivo del medio detector; ello se traduce en un tiempo de recolección de cargas muy breve
(del orden del nano segundo), en consecuencia es elevada la resolución en tiempo.
Capacidad para operar en el vacio. También las características dependen no sólo del tipo del
material usado si es silicio o Germanio sino también de la manera en la que el semiconductor
esta formado y tratado. El tipo, tamaño, forma y trato de un cristal juega un papel importante
en la operación y diseño de un detector de semiconductor.
1.3.3.1
Materiales Semiconductores
El término semiconductor revela por sí mismo una idea de sus características. El prefijo
semi suele aplicarse a un rango de niveles situado a la mitad entre dos límites. El término
conductor se aplica a cualquier material que soporte un flujo generoso de carga, cuando una
fuente de voltaje de magnitud limitada se aplica a través de sus terminales.
Un aislante es un material que ofrece un nivel muy bajo de conductividad bajo la presión de
40
una fuente de voltaje aplicada.
Un semiconductor, por tanto, es un material que posee un nivel de conductividad sobre
algún punto entre los extremos de un aislante y un conductor.
Aunque se puede estar familiarizado con las propiedades eléctricas del cobre y la mica, las
características semiconductores, germanio (Ge) y silicio (Si), pueden ser relativamente nuevas.
Algunas de las cualidades únicas del Ge y el Si, es que ambos forman un patrón muy definido
que es periódico en naturaleza (continuamente se repite el mismo). A un patrón completo se
le llama cristal y al arreglo periódico de los átomos, red cristalina. Para el Ge y el Si, el cristal
tiene la estructura de diamante de tres dimensiones como se muestra en la figura 1.21.
Figura 1.21 Estructura de un solo cristal de Ge y Si.
Materiales extrínsecos tipo y tipo p
Las características de los materiales semiconductores pueden ser alteradas significativamente por la adición de ciertos átomos de impureza a un material semiconductor relativamente
puro. Estas impurezas, aunque sólo haya sido añadida 1 parte en 10 millones, pueden alterar
en forma suficiente la estructura de la banda y cambiar totalmente las propiedades eléctricas
del material.
Un material semiconductor que haya sido sujeto de dopado se denomina un material extrínseco.
41
Existen dos materiales extrínsecos de gran importancia para la fabricación de dispositivos
semiconductores: el tipo n y el tipo p.
Material tipo n
Tanto el material tipo n como el tipo p se forman mediante la adicción de un número predeterminado de átomos de impureza al germanio o al silicio. El tipo n se crea a través de
la introducción de elementos de impureza que poseen cinco electrones de valencia (pentavalentes), como el antimonio, arsénico y fósforo.
Las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se les llama átomos donadores.
Es importante comprender que, aunque un número importante de portadores "libres" se han
creado en el material tipo n, éste aún es eléctricamente neutral, debido a que de manera ideal
el número de protones cargados positivamente en los núcleos es todavía igual al número de
electrones "libres" cargados negativamente y en órbita en la estructura.
Material tipo p
El material tipo p se forma mediante el dopado de un cristal puro de germanio o de silicio
con átomos de impureza que poseen tres electrones de valencia. Los elementos que se utilizan
con mayor frecuencia para este propósito son el boro, galio e indio. A las impurezas difundidas
con tres electrones de valencia se les conoce como átomos aceptores.
El material resultante tipo p es eléctricamente neutro, por las mismas razones descritas para
el material tipo n.
Portadores mayoritarios y minoritarios
42
En el estado intrínseco, el número de electrones libres en Ge o en Si se debe sólo a aquellos
electrones en la banda de valencia que han adquirido suficiente energía de las fuentes térmicas
o lumínicas para romper la unión covalente o a las pocas impurezas que no pudieron eliminarse.
Las "vacantes" dejadas atrás en la estructura de uniones covalentes representan una cantidad
muy limitada de huecos.
En un material tipo n, el número de huecos no ha cambiado de manera significativa de su nivel
intrínseco. El resultado neto, por tanto, es que el número de electrones supera por mucho el
número de huecos.
Por esta razón: En un material tipo n al electrón se le llama portador mayoritario y el hueco es
el portador minoritario. En un material tipo p el hueco es el portador mayoritario y el electrón
el portador minoritario.
Cuando el quinto electrón de un átomo donador deja a su átomo, el átomo restante adquiere
una carga positiva neta: de ahí el signo positivo en la representación de ion donor. Por razones
análogas, el signo negativo aparece en el ion aceptor.
Los materiales tipo n y p representan los bloques de construcción básicos de los dispositivos semiconductores. En la siguiente sección se encontrará que la "unión" de un solo material
tipo n con un material tipo p tendrá por resultado un elemento semiconductor de importancia
considerable en los sistemas electrónicos.
1.4
El diodo
Los diodos p-n son dos uniones de dos materiales semiconductores extrínsecos tipos n y p,
por lo que también reciben la denominación de unión p-n. Hay que destacar que ninguno de los
dos cristales por separado tiene carga eléctrica, ya que en cada cristal, el número de electrones
y protones es el mismo de lo que podemos decir que los dos cristales, tanto el p como el n,
son neutros (su carga neta es 0). Al disminuir ambos cristales, se manifiesta una difusión de
43
electrones del cristal n al p que produce una densidad de corriente I¯E, como se muestra en la
figura 1.22. Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados
de la unión, zona que recibe diferentes denominaciones como zona de carga espacial, de agotamiento, de depleción, de vació, etc.
A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la
acumulación de iones positivos en la zona n y iones negativos en la zona p, crea un campo
eléctrico (E) que actuara sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza
de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminara deteniéndolos. Este
campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p
y n. Esta diferencia de potencial (V0) es de 0.7 V en el caso del silicio y 0.3 V si los cristales
son de germanio.
La anchura de la zona de carga espacial una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden
0.5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de
carga espacial es mucho mayor.
Al dispositivo así obtenido se le denomina diodo, mostrado en la figura 1.23.
Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.
44
Figura 1.22 Formación de carga espacial.
Figura 1.23 Representación simbólica del diodo p-n.
Polarización directa del diodo
En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado
directamente conduce la electricidad.
Para que un diodo esté polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo de la
batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo, como se muestra en la figura 1.24.
45
Figura 1.24 Polarización directa del diodo.
En condiciones de polarización el polo negativo de la batería repela los electrones libres
del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.
El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.
Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia
de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía
suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia
la unión p-n.
Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia.
Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de
átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor
y llega hasta la batería.
De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de
46
valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.
Polarización inversa
En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la
zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se
alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:
Figura 1.25 Polarización inversa del diodo.
"El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del
cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A
medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran
neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad
(8 electrones en la capa de valencia) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten
en iones positivos."
El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p.
Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han
formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones
libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los
átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga
47
eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.
Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo
potencial eléctrico que la batería. En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente;
sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 Miliamper) denominada
corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial
de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes
átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad.
Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan
huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de
ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de
fugas es despreciable.
1.4.1
El fotodiodo
El fotodiodo de unión p-n polarizada en sentido inverso es un elemento básico para comprender los dispositivos fotosensibles de silicio. Cuando la luz de longitud de onda apropiada
es dirigida hacia la unión, se crean pares hueco-electrón que se desplazan a través de la unión
debido al campo generado en la zona de carga espacial como se muestra en la figura 1.26.
El resultado es un flujo de corriente, denominado fotocorriente, en el circuito externo, que
es proporcional a la irradiancia efectiva en el dispositivo. El fotodiodo se comporta básicamente como un generador de corriente constante hasta que se alcanza la tensión de avalancha.
48
Figura 1.26 Fotodiodo sensible a la luz con unión p-n polarizado inversamente.
El fotodiodo tipo PIN
Consta de tres regiones: p, n, y una región i no dopada . La situación es la misma que en
el caso de un fotodiodo normal, salvo que la zona de carga espacial se extiende a lo largo de
toda la región i, por lo que la superficie sensible a la luz o a las partículas cargadas en el caso
especifico del utilizado en este trabajo es mucho más ancha, y puede producir mayor cantidad
de corriente. Debido a su construcción, el pinfotodiodo, tiene baja capacitancia, por tanto encuentra aplicaciones en frecuencias altas.
Cuando se polariza en forma directa, la inyección de portadores minoritarios aumenta la conductividad de la región intrísica. Cuando se polariza en sentido inverso, la región i se vacía
totalmente de portadores y la intensidad del campo a través de la región es constante.
En la figura 1.27 se muestra como esta compuesto un fotodiodo tipo PIN.
49
Figura 1.27 Fotodiodo tipo PIN.
Antecedentes de la utilización del pinfotodiodo como detector
Chambaudet et al; [8] construyeron un detector de partículas alfas utilizando un fotodiodo
comercial, observaron la energía de las partículas alfa detectadas, determinaron la eficiencia
del fotodiodo para mediciones de radiaciones alfa en el medio ambiente, y encontraron que
el detector solo mide partículas alfa emitidas cerca de la superficie y como consecuencia este
detector es más eficiente para medir elementos radiactivos sólidos, mientras que Voytchev et
al; [9] utilizaron un fotodiodo comercial de la marca Hamamatsu (S3590-02) en la detección
de partículas alfa, determinan la velocidad de deposición para fracciones de vida corta de los
descendientes del radon, por otro lado Voytchev et al; [12] realizaron diferentes estudios y
aplicaciones para los detectores de fotodiodos de silicio, realiza la detección y cuantificación
de radón y sus descendientes en laboratorio y campo, determina que los fotodiodos comerciales de Hamamatsu tienen una alta eficiencia, bajo costo y muy buenas de detección, pueden
ser usados exitosamente para la detección de partículas alfa en laboratorio y para mediciones
continuas de radon en campo, determinaron también que el voltaje de operación del fotodiodo puede ser de -1 Volt sin alterar su eficiencia de detección ni su resolución en energía, que
la respuesta del fotodiodo a la detección del radon es estable y lineal en el tiempo, sin embargo esta linealidad puede ser afectada con la variación de la temperatura y humedad, además
que el fotodiodo es sensible a los campos electromagnéticos ambientales. Por otra parte Camargo et al; [20] realizaron trabajo, de espectrometría alfa utilizando un photodiode comercial
50
(S3590-06) y un diodo de ión implantado. Al comparar los resultados obtenidos con ambos
detectores concluyen que a pesar de que en los diodos estudiados aparecen voltajes de rizo son
apropiados para espectrometría alfa. Por su parte Ramírez -Jiménez et al; [23] diseñaron un
preamplificador para mejorar la señal obtenida del pinfotodiodo concluyendo que a pesar de
que en diodos estudiados aparecen voltajes de rizo son apropiados para la espectrometría alfa.
1.5
Objetivo
Diseñar y caracterizar un sistema de detección de partículas alfa, con base a un fotodiodo
tipo PIN que sea económico, eficiente, versátil capaz de sustituir, en algunas aplicaciones, a
los detectores comerciales.
Capítulo 2
Materiales y Métodos
2.1
2.1.1
Materiales
Fotodiodo tipo PIN
Los fotodiodos son semiconductores sensores de luz, que generan una corriente o tensión,
cuando la unión p-n del semiconductor está iluminado por la luz. El término fotodiodo se
refiere a los sensores utilizados para detectar la intensidad de la luz. Los fotodiodos se pueden
clasificar según la función y la construcción, para nuestro proyecto se utilizo la construcción
tipo PIN.
2.1.1.1
Características
Las principales características del fotodiodo son:
1. Excelente linealidad con respecto a la luz incidente
2. Bajo nivel de ruido
3. Amplia respuesta espectral
4. Mecánicamente robusto
5. Compacto y ligero
6. Larga vida
52
Principio de funcionamiento
La Figura 2.1 muestra la sección transversal de un fotodiodo. La capa p de material en la
superficie activa y la capa n en el sustrato del material forman una unión p-n, que opera como
un convertidor fotoeléctrico. La usual capa p para un fotodiodo de Silicio, está formado por la
difusión selectiva de boro, de un espesor de aproximadamente 1µm o menos y la region neutra
de la unión p-n es conocida como capa de deflexion. Al controlar el espesor de la capa exterior
de p,la capa n del sustrato y la parte inferior de la capa n+ , así como la concentración de dopaje,
la respuesta espectral y la respuesta de frecuencia puede ser controladas. Cuando la luz golpea
el fotodiodo, los electrones dentro de la estructura cristalina se estimulan. Si la luz de energía
es mayor que la brecha de la banda de energía Eg, los electrones son arrancados de la banda de
conducción, dejando huecos en su lugar en la banda de valencia, como se observa en la figura
2.2.
Figura 2.1 Sección transversal del Fotodiodo.
Figura 2.2 Unión p-n del Fotodiodo.
53
Estos pares de electron-huecos se producen en la capa p, y en la capa de deflexion n. En la
capa de deflexion, el campo eléctrico acelera los electrones hacia la capa n y los huecos hacia
la capa p. Los pares de electron-huecos generados en la capas n, los electrones, junto con los
electrones que han llegado de la capa p, se quedan en la capa n de la banda de conducción.
Los huecos en este momento están siendo difundidos a través de la capa n hasta la capa de
depleción, mientras están siendo acelerados, y puestos en la banda de valencia de la capa p. De
esta manera, los pares de electron-huecos que se generan en proporción a la cantidad de la luz
incidente se almacenan en las capas n y p.
Esto se traduce en una carga positiva en la capa p y una carga negativa en la capa n. Si un
circuito externo es conectado entre las capas p y n, los electrones fluirán fuera de la capa n, y
los huecos fluirán fuera de la capa p, en oposición a los electrodos. Estos electrones y huecos
generar un flujo de corriente en un semiconductor y son llamados transportistas.
Definicion de los terminos para caracterizar al fotodiodo
1. Respuesta espectral
La fotocorriente producida por un determinado nivel de la luz incidente varía con la
longitud de onda. Esta relación entre la sensibilidad y la longitud de onda fotoeléctrica se
refiere a la respuesta espectral característica y se expresa en términos de foto sensibilidad,
eficiencia cuántica, etc.
2. Foto sensibilidad: S
Esta medida de la sensibilidad es la proporción de energía radiante expresada en vatios
(W), incidente en el dispositivo, la fotocorriente resultante se expresa en amperios (A).
Puede ser representados, ya sea como una sensibilidad absoluta (A / W) o como una
sensibilidad relativa normalizada en el pico de longitud de onda, normalmente expresada
en porcentaje (%) con respecto al valor máximo. Para el propósito de este catálogo, la
54
foto sensibilidad está representada como sensibilidad absoluta, y el rango de la respuesta
espectral se define como la región en la que la sensibilidad relativa es superior al 5% del
valor máximo.
3. Eficiencia cuántica: QE
La eficiencia cuántica es el número de electrones y huecos que pueden ser detectados
como fotocorriente dividido por el número de fotones incidente. Esto es comúnmente
expresado en porcentaje (%). La eficiencia cuántica y foto sensibilidad S tiene la siguiente relación a una determinada longitud de onda (nm):
QE =
S × 1240
× 100[%]
λ
(2.1)
Donde S es la foto sensibilidad en A / W en una determinada longitud de onda y es la
longitud de onda en nm (nanómetros).
4. Corto circuito actual: Isc, tensión en circuito abierto: Voc
El cortocircuito actual es la corriente de salida cuando las corrientes de la resistencia
de carga es 0 y es casi proporcional al área activa del dispositivo. Esto es a menudo
llamado "sensibilidad a la luz blanca" con respecto a la respuesta espectral. Este valor se
mide con la luz de una lámpara de tungsteno de 2856 K distribución de la temperatura
(temperatura de color), proporciona 100 iluminaciones. La tensión en circuito abierto es
una tensión fotovoltaica desarrollado cuando la resistencia de carga es infinita y tiene un
valor constante independiente del dispositivo activo.
5. Relación de sensibilidad a infrarojos
Esta es la relación de la corriente de salida IR medido con un flujo de luz (2856 K, 100
tiempos) que pasa a través de un filtro de infrarrojos, para una corriente de corto circuito
Isc medida sin el filtro. Es comúnmente expresado en porcentaje, como sigue:
Relacion
de sensibilidad
a
inf rarojos =
IR
× 100[%]
Isc
(2.2)
6. Corriente de oscuridad: ID, resistencia de derivación: Rsh
La corriente de oscuridad es una pequeña corriente que fluye cuando se aplica un voltaje
55
inverso a un fotodiodo estado incluso en la oscuridad. Esta es una de las principales
fuentes de ruido para aplicaciones en las que una inversión se aplica voltaje a fotodiodos
(fotodiodo PIN, etc.) En cambio, para aplicaciones donde no se aplica tensión inversa,
el ruido resultante de la resistencia de derivación se convierte en predominante. Esta
resistencia de derivación es la relación de voltaje a corriente en las proximidades de 0 V
y se definen de la siguiente manera:
Rsh =
10[mV ]
[Ω]
ID
(2.3)
Donde ID es la corriente de oscuridad en el VR = 10 mV.
7. Terminal de capacitancia: Ct
Un eficaz capacitor está formado por la unión PN de un fotodiodo. Su capacidad se
denomina el cruce de capacitancia y es el principal factor para determinar la velocidad
de respuesta del fotodiodo. Y esta probablemente lcausa un fenómeno la ganancia en
horas pico I - V en el circuito usando un vamplificador operacional. En Hamamatsu, la
terminal de capacitancia incluye esta juntura capacitiva.
8. Tiempo de elevación: t
Esta es la medida de la respuesta de tiempo de un fotodiodo a una intensidad de luz de
entrada, y se define como el tiempo necesario para que salida cambie del 10% al 90%
del nivel de salida constante. El tiempo de elevación depende de la longitud de onda de
luz incidente y la resistencia de carga. La finalidad de las hojas de datos, esta se mide
con una fuente de luz LED de GaAsP (655 NM) o GaP LED (560 nm) y una resistencia
de carga de 1 K Ω.
9. La frecuencia de corte: fc
Esta es la medida que se utiliza para evaluar el tiempo de respuesta de alta velocidad
APD (avalancha fotodiodos) y el PIN fotodiodos a una señal senoidal de luz modulada
en la entrada. Esta se define como la frecuencia con que el fotodiodo disminuye en 3
dB a la salida a 100 KHz. La fuente de luz utilizada es un diodo láser (830 nm) y y la
resistenciaa carga es de 50 Ω. El tiempo de riso tr tiene una relación con la frecuencia de
56
corte fc de la siguiente manera:
0.35
fc
tr =
(2.4)
10. NEP(Poder de ruido equivalente)
El NEP es la cantidad de luz equivalente al nivel de ruido de un dispositivo. Dicho de
otra forma, es el nivel luz requerido para obtener una relación señal-ruido de la unidad.
En las hojas de datos el NEP es los valores del pico de longitud de onda λp. Dado que el
nivel de ruido es proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia del ancho de banda, el
NEP se mide en un ancho de banda de 1 Hz.
1
2
N EP [W/Hz ] =
Corriente
1
de ruido [A/Hz 2 ]
Sλp[A/W ]
(2.5)
11. Máximo voltaje inverso: VR, max
La aplicación de un voltaje inverso a un fotodiodo desencadena un desglose en un cierto
voltaje y causa grave deterioro de la ejecución del dispositivo. Por lo tanto, el maximo
rango de voltaje debe ser especificado al invertir el voltaje a un voltaje mas bajo que el de
ruptura. El voltaje inverso no debe exceder el rango máximo, incluso instantáneamente.
12. D * (Detectividad: capacidad de detección)
D, que es el recíproco del NEP, es el valor usado para indicar detectividad, o la capacidad
de detección. Sin embargo, debido a que el nivel de ruido suele ser proporcional a
la raíz cuadrada de la zona sensible, NEP y D tiene características mejoradas, lo que
permite la detección de pequeños elementos foto sensibles. Esto hace posible observar
las características de los materiales de multiplicación de la raíz cuadrada de la zona
sensible y D, con el resultado se utiliza como D *. El pico de longitud de onda que se
registra en las unidades es expresado como cm Hz1/2 / W, como lo es para la NEP.
∗
D =
2.1.1.2
[Sensibilidad
del
1
area ef ectiva (cm2 )] 2
N EP
(2.6)
Construcción de un fotodiodo tipo PIN
Los fotodiodos de Hamamatsu pueden ser clasificados por el método de fabricación y de la
construcción en cinco tipos de fotodiodos de silicio. El denominado tipo PIN se muestra en la
57
figura 2.3.
Una versión mejorada de la baja capacitancia en difusión plana del dispositivo, este tipo
hace uso de un aporte extra de alta resistencia el la capa I entre las capas P y N para mejorar
respuesta de tiempo. Este tipo de dispositivo presenta aún más mejorada la respuesta en el
tiempo cuando se utiliza invertido y está diseñado con alta resistencia a la ruptura y bajas fugas
para tales aplicaciones.
Figura 2.3 Fotodiodo tipo PIN.
Fotodiodos tipo PIN
1. Voltage inverso
Debido a que los fotodiodos generan una potencia debido al efecto fotovoltaico, ellos
pueden funcionar sin necesidad de una fuente de alimentación externa. Sin embargo, la
respuesta en frecuencia y la linealidad puede mejorarse utilizando una tensión externa
inversa VR. Debe tenerse en cuenta que la señal de corriente en un circuito fotodiodo
es determinado por el número de pares de electron-huecos y la aplicación de un voltaje
inverso no afecta a la señal actual, ni afecta a la linealidad de conversión fotoeléctrica.
Figura 2.4 muestra un ejemplo de la conección de voltaje inverso.
Aunque la aplicación de un voltaje a invertir un fotodiodo es muy útil en la mejora de la
respuesta en frecuencia y la linealidad, tiene el inconveniente de aumentar la corriente de
oscuridad y los niveles de ruido, junto con el peligro de dañar el dispositivo aplicado por
58
el exceso voltaje inverso. Así, el cuidado es necesario para mantener el voltaje inverso
en el maximo rango y asegurarse de que el cátodo se mantenga con un potencial positivo
con respecto al ánodo.
Figura 2.4 Relación de voltaje inverso.
Para su uso en aplicaciones tales como las comunicaciones ópticas y control remoto, que
requieren alta velocidad de respuesta, el fotodiodo PIN no sólo proporciona una buena respuesta de velocidad, pero excelente corriente de oscuridad y características de resistencia en voltaje inverso aplicado. Tenga en cuenta que los voltajes inversos mencionados
en estas hojas de datos recomienda valores y cada fotodiodo PIN es desarrollado para
proporcionar un óptimo rendimiento en un voltaje inverso.
La figura 2.5 muestra un ejemplo de la conexión que se muestra en la Figura 2.4 (b),
con una resistencia de carga de 50 Ω. El capacitor de cerámica C se usa para permitir
una reducción de la impedancia, mientras que la resistencia R se utiliza para proteger el
fotodiodo. El valor de la resistencia se selecciona de tal manera que la caída de tensión
provocada por la máximo foto corriente es suficientemente menor que el voltaje inverso.
El fotodiodo y capacitor se conectan, el cable coaxial y el otr almbre llevan pulsos de
alta velocidad y puede ser lo mas corto posible.
59
Figura 2.5 Conexión al cable coaxial.
2. Respuesta de la velocidad y la respuesta de frecuencia
La respuesta de velocidad de un fotodiodo es una medida del tiempo requerido para
el cargo acumulado a convertirse en una corriente externa y por lo general se expresa
como el tiempo de subida o de la frecuencia de corte. El tiempo de subida es el tiempo
necesario para la señal de salida a cambio del 10% al 90% del valor y el volumen máximo
de producción está determinado por los siguientes factores:
(a) Terminal de capacitancia Ct y tiempo constante t1 de la resistencia de carga RL
Constante de tiempo de t1 es determinada por la terminal de la capacitancia Ct del
fotodiodo y la resistencia de carga RL. Ct es la suma del conjunto de capacitancias
y el capacitor de cruce.t1 esta dada por
t1 = 2.2 × Ct × RL
(2.7)
Para acortar t1, el diseño deberá ser tal que ni Ct o R L se hagan más pequeños. Cj
es casi proporcional al área activa A e inversamente proporcional a la segunda a la
tercera raíz de la capa ancha de deflexion d. Dado que el agotamiento de la capa
ancha de deflexion es proporcional al producto de la resistividad ??? del sustrato
del material y el voltaje inverso VR, la siguiente ecuación es establecido como:
Cj ∝ A((VR + 0.5)xρ)−1/2o−1/3
(2.8)
En consecuencia, para acortar t1, un fotodiodo con una pequeña A y una grande ρ
podria ser utilizada con un voltaje inverso. Sin embargo, también el voltaje inverso
aumenta la corriente de oscuridad para prevenir esto es necesario usar un bajo nivel
de detección deluz.
60
(b) Tiempo de difusión t2 de los conductores generados fuera de la capade deflexión
Los conductores pueden generar agotamiento de la capa de fuera de la luz incidente, cuando se pierde la categoría P - N cruce y es absorbida por los alrededores
del fotodiodo chip y el sustrato de la sección que está por debajo de la zona de deflexión. El tiempo t2 necesarios para difundir pueden a veces ser superior a varios
microsegundos.
(c) el tiempo de tránsito de conducción t3 en la capa de deflexion
El tránsito vd velocidad a la viajan los conductores en la capa de deflexion es expresada usando lo que viaja µ y el campo eléctrico E desarrollado en la capa de deflexion, resultando vd=µ E. Si tomamos la capa ancha de deflexion el agotamiento
d y se aplica el voltaje VR, la media del campo eléctrico E = VR/d, y por lo tanto t3
puede ser aproximado de la siguiente manera:
t3 = d/vd = d2 /(µVR )
(2.9)
Para lograr una rápida respuesta de t3, distancia recorrida por los conductores podria ser mas corta y el el voltaje inverso mas grande. Los tres factores que determinan el tiempo de elevación de un fotodiodo tr es aproximado por la siguiente
ecuación:
q
tr = t21 + t22 + t23
(2.10)
La frecuencia de corte fc es la frecuncia en la cual el fotodiodo decrece 3 dB a la
salida a 100KHz cuando el fotodiodo recive una señal senoidal de luz modulada de
un diodo laser. Este tiempo de elevación dura aproximadamente como lo indica la
siguiente formula:
tr =
0.35
fc
(2.11)
Las figuras 2.6, 2.7 y 2.8 muestran ejemplos de la respuesta de la forma de onda y
la respuesta en frecuencia caracteristica para fotodiodos tipicos.
61
Figura 2.6 Ejemplo de forma de onda de un fotodiodo.
Figura 2.7 Respuesta de la forma de onda.
Figura 2.8 Respuesta en frecuencia.
2.1.2
Amplificadores operacionales
Los amplificadores son circuitos que se utilizan a aumentar (amplificar) el valor de la señal
de entrada (generalmente muy pequeña) y así obtener una señal a la salida con una forma mucho mayor a la señal de entrada.
62
El símbolo de un A.O. es el mostrado en la figura 2.9:
Figura 2.9 Amplificador Operacional.
Las terminales son:
1. V+: entrada no inversora
2. Vout: salida
3. V-: entrada inversora
4. VS+: alimentación positiva
5. VS-: alimentación negativa
Las terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplo en los A.O.
basados en FET VDD y VSS respectivamente.
Integrador Integra e invierte la señal, en la figura 2.10 se muestra el integrador donde Vin
y Vout son funciones dependientes del tiempo.
Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos (t = 0). Este circuito también se usa
como filtro. En la ecuación 2.12 se muestra la relación entre el voltaje de entrada (Vinicial) y
el voltaje de salida (Vout).
Z
f (x) =
Vi n
dt + Vi nicial
RC
(2.12)
63
Figura 2.10 Integrador.
2.1.3
JFet
El FET es un dispositivo semiconductor que controla un flujo de corriente por un canal
semiconductor, aplicando un campo eléctrico perpendicular a la trayectoria de la corriente.
El FET está compuesto de una parte de silicio tipo N, a la cual se le adicionan dos regiones
con impurezas tipo P llamadas compuerta (gate) y que están unidas entre si. Ver la figura 2.11.
Figura 2.11 Configuración basica del JFET.
Los terminales de este tipo de transistor se llaman Drenador (drain), Fuente (source) y el
tercer terminal es la compuerta (gate) que ya se conoce. La región que existe entre el drenador
y la fuente y que es el camino obligado de los electrones se llama "canal". La corriente circula
de Drenaje (D) Fuente (S).
Este tipo de transistor se polariza de manera diferente al transistor bipolar. El terminal de
drenaje se polariza positivamente con respecto al terminal de fuente (Vdd) y la compuerta o
gate se polariza negativamente con respecto a la fuente (-Vgg).
64
A mayor voltaje -Vgg, más angosto es el canal y más difícil para la corriente pasar del
terminal drenador (drain) al terminal fuente o source. La tensión -Vgg para la que el canal
queda cerrado se llama "punch-off" y es diferente para cada FET.
El transistor de juntura bipolar es un dispositivo operado por corriente y requieren que halla
cambios en la corriente de base para producir cambios en la corriente de colector.
El Fet es controlado por tensión y los cambios en tensión de la compuerta (gate) a fuente
(Vgs) modifican la región de rarefacción y causan que varíe el ancho del canal.
En la figura 2.12 se muestra la curva característica de un fet, donde se observa que al aumentar el voltaje Vds (voltaje drenador - fuente), para un Vgs (voltaje de compuerta) fijo, la
corriente aumenta rápidamente (se comporta como una resistencia) hasta llegar a un punto A
(voltaje de estricción), desde donde la corriente se mantiene casi constante hasta llegar a un
punto B (entra en la región de disrupción o ruptura), desde donde la corriente aumenta rápidamente hasta que el transistor se destruye.
Figura 2.12 Curva característica del FET.
Construcción del diseño
Para la construcción de este sistema detector se utiliza un fotodiodo tipo PIN modelo
S3590-06 de la marca Hamamatsu sin ventana, el cual tienen un amplio espectro de respuesta a
fotones desde 320 a 1120 [Hamamatsu Photonics], el cual esta especializado para la detección
de partículas alfa, se muestra en la figura 2.13, para la detección una fuente triple de partículas
alfa.
65
En nuestro diseño se utiliza un circuito integrador JFet TL072 cuyas características se muestran
en el apéndice B, como sistema de amplificación de nuestro sistema, acoplando el fotodiodo al
amplificador con un FET 2n5245 (Transistor de efecto de Campo en su función en su transconductancia), para la detección una fuente triple de partículas alfa.
En el diseño del circuito se utilizaron algunos elementos pasivos como resistencias, capacitores, los reguladores de voltaje para la aplicación de -15, +15 V al sistema. Además se
utilizó un regulador de voltaje variable, para generar una fuente variable positiva que alimenta
al fotodiodo; asi como cable coaxial y algunos conectores.
Como emboloje del sistema y que sirve como blindaje electromagnético se usó un recipiente.
Para alimentar el sistema se utilizo una fuente regulada de voltaje.
Para determinar la respuesta del fotodiodo se usaron 5 leds, amarillo, rojo, naranja, verde e
infrarrojo, 4 resistencias de 110 KΩ, un amplificador operacional de audio. Para visualizar la
respuesta del sistema se usó un osciloscopio Tektronix TDS3034B de 300 MHz, 2 fuentes de
poder BK de precisión 1651A.
Figura 2.13 Fotodiodo de la marca Hamamatsu modelo S3590-06.
66
En la figura 2.14 se muestra el circuito electrónico que recomienda la compañía Hamamatsu [10] para operar el fotodiodo.
Figura 2.14 Modelo propuesto por Hamamatsu para la detección de partículas cargadas, para un
fotodiodo S3590 series.
Este sistema tiene como inconveniente que la señal que llega al amplificador operacional
enviada por el fotodiodo lleva ruido; por tal razón se propuso un circuito diferente, como el
mostrado en la figura 2.15.
Las ventajas de este circuito son que se usa un Jfet de bajo ruido, que preamplifica la señal
enviada por fotodiodo, antes de llegar al amplificador operacional.
Figura 2.15 Diseño propuesto para esta tesis con un fotodiodo tipo pin S3590-06.
67
En el circuito propuesto se puede ver que la alimentación del fotodiodo se realiza por medio
del circuito formado por un JFet (TL072), el fotodiodo va al fet y a +15V.
El ánodo del fotodiodo va unido a la entrada negativa de un amplificador operacional (2n5245)
al cual se le conecta un capacitor de 2 picoFarads y una resistencia de 10 MΩ en paralelo
unidos por un extremo a la entrada negativa y por otro a la salida operacional , con lo cuál
se obtiene un filtrado y gran amplificación de la señal proveniente del fotodiodo, además de
una inversión de fase de la misma, a la salida del operacional se conecta un capacitor de 100
picoFarads en serie con una resistencia de 10 KΩ, el otro extremo de este arreglo esta unido a
un segundo amplificador operacional (2n5245) el cual tiene una resistencia de 100 KΩ unida
por un extremo a la entrada negativa y por otro a la salida del operacional con el fin de obtener
mayor amplificación de la señal y otro cambio de fase de la misma , con este arreglo en el
segundo operacional se obtiene una amplificación de 10 veces la señal que entra a esté. Ambos
operacionales son alimentados con una fuente positivo de +15V y una fuente negativa de -15
V además de tener los dos entrada positiva conectada a tierra lo que le da la condición inversora.
El mejoramiento empieza con un amplificador operacional JFet (TLO72), que esta conectado a un transistor 2N5245 estos a su ves con una resistencia 10 M conectado entre su entrada
inversora del amplificador junto con un capacitor de 2 p, la señal que en este circuito se aplica
por su entrada inversora, con esta configuración se obtiene una amplificación de 10 veces la
señal de entrada, además de una configuración no inversora , finalmente se coloca una etapa
mas de amplificación con la cual se obtiene un voltaje más de salida de 15 volts, la respuesta
de ambos circuitos se presentan en próximo capitulo.
La parte final del circuito se presenta en la figura 2.16 y esta conformado por un cilindro
de aluminio conectado a dos cables coaxiales que sirven para alimentar al fotodiodo. Estos dos
componentes cumplen la función de blindar al fotodiodo tanto de la radiación electromagnética
como de la luz para los cuales es muy sensible.
68
Figura 2.16 Cilindro de aluminio.
Para probar la respuesta del fotodiodo a la detección de partícula alfa se utiliza una fuente
triple de partículas alfa compuesta de Am241 , Pu239 y Cm244 que se muestra en la figura 2.17.
Con una actividad total de 5.55 kBq. Cuyas características más importantes se presentan en la
tabla 2.1. También se muestran electro depositadas de 0.2 g. de uranio, misma que se utilizo
para las pruebas.
Figura 2.17 Fuente triple de partículas alfa.
69
Tabla 2.1 Características de la fuente triple.
Radionúclido
241
Vida media en años
Modo de decaimiento
Tipo de radiación energía en Mev y % de decaimiento
432.2
Alfa
Alfa 5.443 (12.8%), 5.486 (85.2%)
Am
Gama 6 (35.9%)
239
Pu
24.065
Alfa
Alfa 5.105 (11.5%), 5.143 (15.1%)
5.155 (73.3%)
244
Cm
18.11
Alfa
Electrones 0.01 (6.9%), 0.02 (17.2%)
0.036(6.3%)
2.2
Métodos
El procedimiento del diseño se basó en la premisa de mejorar la señal de salida. Para esto
se propone el diseño de la figura 2.15, utilizando un JFET (TL072), ambos circuitos se proponen para determinar la ganancia optima de la amplificación de la señal a la cuál se obtiene la
mejor respuesta del mismo. Para caracterizar el sistema se sometió a diferentes señales y se
obtuvieron las señales de salida. Una de las pruebas consistió en utilizar la fuente triple para
ver la respuesta del sistema ante las partículas α. En esta prueba se vario la ganancia de amplificación y se observo el tamaño y la forma de pulso. Otra prueba fue observar la respuesta del
sistema ante fuentes de luz producidas por los diodos leds de diferentes colores. Se analizo la
respuesta del sistema ante el estimulo de la voz; por esto se utilizo un amplificador de audio,
que transmite por luz (led), medio que viaja por el espacio libre, para luego ser recibida por
el fotodiodo, se amplifica y se escucha en un altavoz (bocina). Conjuntamente se realizo la
prueba aplicando un diodo led con una frecuencia de 1 kHz, que mediante un generador de frecuencias, haciendo interrupciones con el medio se pudo obtener el pulso esperado del detector.
Finalmente se concluye con la medición de los pulsos, aplicándole un led a un control remoto
(luz infrarroja) misma que fue corregida la señal saliente con el fotodiodo.
Para probar las respuestas de las señales se utilizo el osciloscopio y generador de señales
celebrándolo, haciendo las calibraciones correspondientes a -15v,+15. Se utilizo la fuente triple
70
de alfas con una ganancia de amplificación para altura medias de 4 volts de amplificación, la
lamina de la electrodeposición se coloca a 0.5 centímetros del fotodiodo.
Capítulo 3
Resultados
En este capítulo se presentan los resultados y análisis de cada una de las etapas del diseño
propuesto en este proyecto, mismos que concluyen con la caracterización del fotodiodo.
Se concluye que según al efecto del fotodiodo puede operar sin la necesidad de una fuente
de alimentación externa, ya que su respuesta en frecuencia y linealidad se pueden mejorar a
través de la aplicación de un voltaje externo de polarización inversa, esto nos dice que la corriente la señal en un circuito del fotodiodo este determinado por el numero del par electrón
hueco generados por el ingreso de una partícula alfa, mismo que la aplicación de un voltaje
de polarización inverso no afectaría la corriente de la señal ni la inversión lineal fotoeléctrica.
Entonces se dice que la aplicación de un voltaje inverso es una condición muy utilizada para
mejorar la respuesta en frecuencia y linealidad, esto viene acompañado de precauciones que se
deben tomar para no dañar el dispositivo, por la aplicación excesiva de voltaje, entonces debe
tenerse cuidado para mantener el voltaje inverso en el máximo rango y asegurarnos de que el
cátodo se mantenga a un potencial positivo con respecto al ánodo.
Según el fabricante el voltaje de operación para el pinfotodiodo S3590-06 es de 24 volts.
72
3.1
Obtención de las funciones de transferencia del sistema
Análisis por tierras virtuales. La función de transferencia del sistema se hizo bajo el esquema mostrado en la figura 3.1.
Figura 3.1 Diseño propuesto para esta tesis con un fotodiodo tipo pin S3590-06.
Para la obtención de la función de transferencia, el circuito se dividió en 2 etapas. La primera
se comporta como un filtro pasa bajas y la segunda como un filtro pasa altas.
Primera etapa:
Filtro pasa-bajas
Esta etapa se muestra en la figura 3.2; éste solo permite el paso de las frecuencias inferiores
a la frecuencia de paso o de corte fc y atenúa o suprime todas las frecuencias superiores a la
frecuencia de corte.
73
Figura 3.2 Primera etapa.
En la ecuación 3.1 se muestra la función de transferencia que se simuló en el ambiente de
Matlab [24] y cuyos resultados se muestran en la figura 3.3.
V i = −I
R0
+1
R0 SC0
(3.1)
Figura 3.3 Simulación en Matlab.
Aquí se observa el funcionamiento del filtro, en el que se hace pasar una señal analógica y
se quiere o desea trabajar solo con las frecuencia en el rango de 10−4 Hz hasta 106 Hz, y ahí
permanece en linea recta, indica que deja pasar frecuencias menores a ese valor. Este tipo de
filtros se utiliza para filtrar el ruido y deja pasar solo la señal que queremos.
74
Segunda etapa:
Filtro pasa-altas
La segunda etapa se comporta como filtro pasa-altas, se muestra en la figura 3.4. Esta
etapa es un filtro electrónico en cuya respuesta en frecuencia se atenúan las componentes de
baja frecuencia pero no las de alta frecuencia, éstas incluso pueden amplificarse en los filtros
activos. La alta o baja frecuencia es un término relativo que dependerá del diseño y de la
aplicación. En la ecuación 3.2 se muestra la función de transferencia y en la figura 3.5 se
muestra el comportamiento simulado en Matlab de esta etapa.
Figura 3.4 Segunda etapa.
R2 SC1
Vo
=−
Vi
1 + R1 SC1
Figura 3.5 Simulación en Matlab.
(3.2)
75
Aquí se observa que la señal llega a 200 kHz, y ahí decae la señal. Deja pasar las frecuencias
altas y las bajas las cansela.
3.2
Caracterización del fotodiodo tipo pin para detectar partículas alfa
En esta parte se sometió a prueba el fotodiodo con el circuito diseñado en esta investigación. El sistema se alimenta con la fuente de poder mostrada en la figura 3.6, que puede
alimentar al fotodiodo con un voltaje de -15 +15 Volts.
Figura 3.6 Fuente de poder BK precisión 1651A.
Para aislar el fotodiodo se uso un cilindro de aluminio, por lo tanto la fuente triple de partículas
alfa se colocó dentro del blindaje. La distancia del fotodiodo a la fuente triple fue de 1 cm,
como se muestra en la figura 3.7.
Figura 3.7 Fuente triple de partículas alfa, dentro del blindaje.
76
Cuando la radiación alcanza al fotodiodo, se genera una pequeña corriente. Esta carga sale al
circuito, entrando por el JFet, este va a un amplificador operacional mismo, que produce la
amplificación de la corriente generada por el fotodiodo.
Se puede observar que la señal al pasar por el fotodiodo, que este a su vez pasa por la fuente
triple de alfa, donde rápidamente son detectadas las partículas alfa mandadando una señal, esta
señal se observa en el osciloscopio, como se muestra en la figura 3.8. Esta misma señal se
procesó para tener en una bocina, la señal audible.
Figura 3.8 Señal producida al detectar partículas alfa.
Para garantizar que la señal observada proviene de la interacción de las partículas alfa con
el fotodiodo PIN se giro la tapa para alejar la fuente. Al realizar esto los pulsos del osciloscopio
desaparecieron así como la señal audible, observándose el ruido electrónico. Esto se observa
en la figura 3.9.
77
Figura 3.9 Después de retirar la fuente.
Al acercar la fuente se recupera la señal con pulsos como se observa en la figura 3.10.
Figura 3.10 Recuperación de la señal.
3.3
Caracterización del fotodiodo en la transmición de voz
Para realizar esa prueba, utilizamos un circuito amplificador de audio, hablamos y la voz
era amplificada y enviada por un led, este a su vez envia la senal al fotodiodo y se amplifica
en el circuito propuesto en este trabajo. La señal de voz se observa en un osciloscopio y se
escucha en una bocina. La señal audible se observa en la figura 3.11.
78
Figura 3.11 Señal recuperada al hablar.
Nuestro medio es el espacio libre. En esta prueba utilizamos una etapa de amplificación, es
un micrófono tipo electret, un amplificador LM386 con una ganancia de 200. En este proceso,
llega la señal de voz y activa al led, este varia en función de la señal que entra en el micrófono.
En la segunda parte tenemos un fotodiodo pin que estamos caracterizando, este fotodiodo pin
esta conectado al circuito propuesto para este trabajo.
3.4
Caracterización del fotodiodo para detectar luz a 1 kHz
Conectamos el led a la salida de prueba del osciloscopio, da 5 volts, aplicándole una frecuencia de 1 kHz. Se continua haciendo el acercamiento de aproximadamente de 1 cm del
fotodiodo al led, tiene inicialmente un tono de prueba en el osciloscopio lo cual es generando
en el diodo. En la figura 3.12 se muestra la señal generada con el led y recuperado en el fotodiodo.
79
Figura 3.12 Señal recibida en el fotodiodo enviada por el led.
En la figura 3.13 se muestra la señal recuperada en el fotodiodo.
Figura 3.13 Señal recuperada en osciloscopio enviada por el fotodiodo.
3.5
Caracterización de luz infrarroja (control remoto)
Esta prueba se realizo con el fin de determinar la capacidad del fotodiodo PIN, para leer los
códigos enviados por el control remoto.
Para detectar las señales enviadas por el control remoto que transmite los códigos, en el infrarrojo se realizo la siguiente prueba.
Se coloco el emisor del control remoto frente al fotodiodo y se activo el control, el resultado
se observo en el osciloscopio que se muestra en la figura 3.14.
80
Figura 3.14 Generación de códigos.
Los resultados se obtuvieron satisfactoriamente, dicha transmisión empieza con la generación de los códigos, recibidos en el fotodiodo. En la figura 3.15 se muestra la señal recuperada en el osciloscopio.
Figura 3.15 Señal recuperada, en la prueba con el control remoto.
3.6
Simulación
Debido a las limitaciones experimentales se utilizó la simulación del circuito propuesto
para este trabajo para regímenes mayores. La simulación se hizo con un programa para simular circuitos electrónicos llamado Orcad, donde se varió la frecuencia desde 60 Hz hasta 100
kHz. La amplitud aplicada a la fuente simulada fue de 1 volt y se observo la amplificación de
la señal.
En la figura 3.16 se muestra el circuito sometido a una señal de entrada de 60 Hz, y en la figura
3.17 se muestra la señal de respuesta obtenida con la simulación.
81
Figura 3.16 Circuito con una frecuencia de 60 Hz.
Figura 3.17 Señal de salida.
En la figura 3.18 se muestra el circuito sometido a una señal de 1 kHz.
Figura 3.18 Señal de salida para una frecuencia = 1 kHz.
La respuesta obtenida se observa en la figura 3.19.
82
Figura 3.19 Señal de salida para f = 1 kHz.
En la figura 3.20 se muestra el circuito sometido a una señal de 10 kHz.
Figura 3.20 Señal de salida para una frecuencia = 10 kHz.
La respuesta obtenida se observa en la figura 3.21.
Figura 3.21 Señal de salida para f = 10 kHz.
En la figura 3.22 se muestra el circuito sometido a una señal de 100 kHz.
83
Figura 3.22 Señal de salida para una frecuencia = 100 kHz
La respuesta obtenida se observa en la figura 3.23.
Figura 3.23 Señal de salida para una frecuencia = 100 kHz
En las pruebas de simulación se observa que el circuito tiene mejor respuesta de amplificación
a la salida. Esto nos indica que nuestro sistema estara detectando partículas alfa con esta frecuencia de 100 kHZ o mayor que este.
84
Conclusiones
Se diseño y caracterizo un sistema de detección para partículas alfa basado en un fotodiodo
pin. En el diseño se propuso un circuito mejorado al que recomienda el fabricante del fotodiodo. El sistema se sometió a diversas pruebas que nos permitieron demostrar que funciona en
forma adecuada.
El trabajo se realizo aplicando al fotodiodo tipo pin un voltaje inverso de -15 Volts entre
sus terminales, este valor es recomendado en las hojas de datos del fabricante[10], tomando
en cuenta que cada fotodiodo está diseñado para obtener un óptimo desempeño en el voltaje
inverso recomendado. El fabricante también también establece las precauciones que se deben
tener al trabajar con el fotodiodo para garantizar su integridad, ya que éste en cada prueba se
va degradando.
Para probar el desempeño del sistema se realizaron varias pruebas de laboratorio en condiciones controladas; las pruebas fueron complementadas mediante simulaciones, usando dos
programas: Orcad y Matlab.
Una de las pruebas consitió en colocar a 1 cm de la cara sensible de pin una fuente triple
de partículas alfa (Am,Pu,Cm). Las partículas al interactura con el pin generan señales que
fueron observadas en un osciloscopio, donde los pulsos observados se caracterizaron por su
forma y amplitud. Al retirar la fuente los pulsos desaparecieron de la pantalla del osciloscopio
evidenciando que el sistema es capaz de detectar este tipo de radiación. Una prueba similar del
sistema se realizó sustitiuyendo la fuente triple por un laminilla que tenía un depósito de Uranio
y se observó un fenómeno similar al visto con la fuente triple; aún a pesar que las partículas
85
alfa del Uranio son diferentes en intensidad y energía que las que emite la fuente triple.
La prueba fue utilizar leds que emiten luz de color rojo, amarillo y verde. En cada caso la
luz de led fue captada por el pin y la señal producida se observó en el osciloscopio. Los pulsos
generados tienen características diferentes, en intensidad y forma que las producidas cuando
el pin se expuso a fuentes de partículas alfa. Este tipo de pruebas se complementó usando un
emisor de señales infrarojas, así como señales con un led rojo que se activaba con la voz. Esto
implica que es sistema se puede utilizar no solo para cuantificar el número de eventos sino
para determinar las características energéticas. Esta propiedad permite utilizar el sistema que
se diseño para labores de espectroscopía de radiación, tanto ionizante como no ionizante.
A falta de infraestructura experimental, se utilizó la herramienta de la simulación con Orcad para determinar la respuesta a la frecuencia del sistema, mientras que con el Matlab se
calcularon sus funciones de transferencia.
El procedimiento experimental, los cálculos y las simulaciones realizadas permitieron tener
una caracterización completa del sistema. Este hecho pemite que se haya desarrollado una tecnología utilizando recursos propios.
Trabajo a futuro.
El trabajo realizado nos abre nuevos retos; ya que una vez que se logró tener un diseño
propio y la metodología para su caracterización utilizado los recursos materiales disponibles,
a futuro las opciones son: Montar el sistema en un dispositivo integral que permita utilizarlo
en campo y poder realizar espectroscopía de rayos gamma. El instrumento resultante se puede
utilizar para medir la radiactividad natural de muestras ambientales y determinar la presencia
de radionúclidos pesados; también se puede utilizar para cuantificar la presencia del gas radón
que se encuentra en el aire y representa la fuente de radiación natural que mayor dosis deposita
86
en las personas independientemente del sitio donde se encuentren.
La experiencia ganada durante el desarrollo de esta investigación nos permite desarrollar
sistemas que detecten otro tipo de radiación, como la visible y la infraroja.
87
Apéndice A: Hoja de datos del Pin fotodiodo S359006
series S3590
88
Apéndice B: Hoja de datos de los componentes electronicos utilizados
89
Figura B.1 Diagrama del TL072
90
91
92
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Addison-Wesley Pub. Co., 1994.
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Saule Trapu, 91882 Massy Cedex. France.
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[24] Matlab es la abreviatura de Matrix Laboratory (laboratorio de matrices). Es un programa de análisis numérico creado por The MathWorks en 1984. Está disponible para
las plataformas Unix, Windows y Mac OS X.
94
Curriculum Vitae
Paula Vanesa López Pinales
Dirección.
Avenida del Derecho No. 261, colonia las fuentes Guadalupe Zacatecas.
Número de teléfono.
01 492 92 7 82 76
E-mail.
[email protected].
Estudios Realizados.
Primaria: Escuela Primaria Vicente Guerrero.
Secundaria: Escuela Telesecundaria Severo Amador.
Preparatoria: Preparatoria No. 2 de la Universidad Autónoma de Zacatecas.
Licenciatura: Ingeniero en Comunicaciones y electrónica por la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica de la UAZ.
Experiencia laboral.
2006.- Servicio Social en el centro de computo de Ingeniería Civil.
2007.-Asistente técnico en IACA.
95
CURRICULO VITAE.
Raquel Murillo Ortíz
Dirección.
Calle Miguel Dominguez No.6, Sin Colonia , Dulce Grande Villa De Ramos S.L.P.
Número de teléfono. 01 458 944 75 87.
Cel. 492 905 18 17
E-mail.
[email protected]
Estudios Realizados
Escuela Primaria: Jose Ma. Morelos y Pavón, Dulce Grande Villa de Ramos S.L.P, 1990 a
1996.
Secundaria: Escuela Secundaria Técnica No.52, Dulce Grande Villa de Ramos S.L.P, 19961999.
Preparatoria: Escuela Media Superior A Distancia, Dulce Grande Villa de Ramos S.L.P, 1999
a 2002
Nivel Licenciatura: Ingeniería En Comunicaciones Y Electrónica, en la Universidad Autónoma
de Zacatecas, 2002 a 2007.
Otros Estudios: Curso Con Orientaciones a Comunicaciones, Telecomunicaciones, Comunicaciones Móviles, Diseño de antenas, EN 2006.
Otros Cursos: Curso de Características e Implementación del microcontrolador MCHC11 en
la Unidad Académica de Ingeniería de la UAZ.
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