¿Qué es un Centelleador?
Centelleadores es un término genérico para los materiales que emiten luz cuando partículas cargadas o radiación pasan a través de ellos.
Se clasifican en centelleadores inorgánicos y centelleadores orgánicos. Los centelleadores inorgánicos son adecuados para la detección de rayos gamma y rayos X. Están formados por cristales de sustancias con gran número atómico, que emiten grandes cantidades de luz y tienen una buena resolución energética, pero presentan un tiempo de respuesta lento. Los centelleadores orgánicos incluyen centelleadores de plástico y líquidos, que son baratos, ligeros y tienen un tiempo de respuesta rápido, lo que los hace adecuados para la detección de radiación alfa y beta.
Los centelleadores pueden aplicarse en una amplia gama de campos como detectores de centelleo en combinación con detectores.
Usos de los Centelleadores
Los centelleadores convierten la radiación en luz en el rango de luz ultravioleta a visible. Esta luz se convierte en señales eléctricas mediante tubos fotomultiplicadores y optosemiconductores, y los datos se procesan para producir imágenes y otra información sobre la radiación.
Esta funcionalidad puede utilizarse en una gran variedad de campos, como la tomografía computarizada por rayos X (TC por rayos X), la tomografía por emisión de positrones (PET) y otras aplicaciones de medicina nuclear, el control de equipajes en aeropuertos, la inspección de alimentos, los ensayos no destructivos de componentes electrónicos, la exploración petrolífera y minera, la vigilancia de la radiación en reactores nucleares y las aplicaciones de investigación en física de partículas, nuclear y espacial.
Principios de los Centelleadores
El principio de emisión de los centelleadores difiere entre los centelleadores inorgánicos y los orgánicos.
1. Centelleadores Inorgánicos
Cuando las partículas cargadas o la radiación atraviesan un centelleador inorgánico, los electrones de la banda de valencia de la red cristalina ganan energía y son excitados a la banda de conducción, donde pueden moverse libremente. Cuando los electrones de la banda de conducción se encuentran con los huecos de la banda de valencia, los electrones vuelven a la banda de valencia y se produce luz de centelleo con una longitud de onda correspondiente a la diferencia de energía.
Si la red cristalina no contiene impurezas, la separación entre la banda de valencia y la banda de conducción (band gap) es grande y la longitud de onda de la luz generada es corta. Las impurezas, por el contrario, modifican parte de la estructura cristalina y crean nuevos niveles de energía en el hueco de banda. La energía de excitación de la impureza es pequeña y la emisión es de luz visible.
2. Centelleadores Orgánicos
Los centelleadores orgánicos pueden emitir luz a partir de la excitación de una única molécula en lugar de una red cristalina. A temperatura ambiente, la mayoría de los electrones se encuentran en su estado básico y son excitados por la energía de la radiación cuando ésta los atraviesa. La mayoría de los electrones pasan al primer estado excitado, que tiene el nivel de energía más bajo de los estados excitados, y emiten luz al pasar al estado básico. Esta emisión se denomina fluorescencia, y la luz producida por los centelleadores orgánicos es principalmente fluorescencia.
Algunos electrones obtienen tanta energía de la radiación que se elevan al segundo estado excitado o superior, y en muy poco tiempo vuelven al primer estado excitado por conversión interna y transición al estado basal.
Algunos de los electrones excitados al primer estado excitado sufren una transición intersistémica al estado de triplete de espín, que emite luz con el tiempo y vuelve al estado de masa, esta emisión se denomina fosforescencia. El estado triplete de espín tiene un nivel de energía inferior al del primer estado excitado, por lo que la longitud de onda de la fosforescencia es mayor que la de la fluorescencia. Algunos electrones también regresan del estado triplete de espín al primer estado excitado, emiten fluorescencia y vuelven al estado básico, lo que constituye fluorescencia retardada.
Estructura de los Centelleadores
La estructura de los centelleadores difiere entre los centelleadores inorgánicos y los orgánicos.
1. Centelleadores Inorgánicos
Centelleadores inorgánicos incluyen NaI:Tl, LSO:Ce, tungstato de plomo, silicato de gadolinio (GSO) y germanato de bismuto (BGO). La fórmula química del tungstato de plomo es PbWO4, mientras que el GSO es Gd2SiO5 con Ce añadido; el BGO también se conoce como germanato de bismuto y se representa mediante la fórmula química Bi4Ge3O12.
El NaI:Tl forma una estructura cristalina con el haluro alcalino NaI (yoduro de sodio) y el centro luminiscente TI (talio); emite luz cuando el Tl+ transiciona de 6sp a 6s2 y suele utilizarse como referencia para la intensidad luminosa. Es soluble en la marea y absorbe la humedad de la atmósfera, lo que provoca su deterioro, por lo que debe sellarse herméticamente.
LSO:Ce es un centelleador inorgánico formado por el óxido Lu2SiO5 más el centro luminiscente Ce3+; emite luz cuando el Ce3+ transiciona de 5d a 4f y tiene una vida luminiscente que es un orden de magnitud menor que la del NaI:Tl.
2. Centelleadores Orgánicos
Como ejemplos de centelleadores orgánicos se pueden citar los centelleadores orgánicos de cristal, los centelleadores líquidos y los centelleadores plásticos. centelleadores líquidos, como la naftalina, no son sólidos y no se dañan fácilmente por irradiación fuerte.
Las moléculas orgánicas como el antraceno y el estilbeno de los centelleadores orgánicos tienen una estructura pi-electrónica y presentan múltiples estados de excitación. No se suelen utilizar porque su respuesta es anisótropa y no se pueden procesar fácilmente. El antraceno tiene un alto nivel de luminiscencia, que a veces se expresa como un porcentaje del nivel de luminiscencia de otros centelleadores.
Los centelleadores de plástico fabricados disolviendo varias sustancias luminiscentes orgánicas en plástico son fáciles de manipular y procesar; son adecuados para los rayos α y β, pero no para los rayos γ.