Desarrollo de centelleadores como detectores de radiación ionizante

* Este nuevo sistema permite identificar las partículas cargadas que atraviesan el material según el color de la “luz” emitida.

* Para ello se ha desarrollado un sistema de multicapas luminiscente reactivo a la radiación cargada.

La fluencia y energía de la radiación de haces de partículas cargadas se controlan utilizando diversos sistemas tales como células de ionización, películas radiocromáticas o pantallas de fósforo acopladas a fotodiodos. En general, se trata de sistemas de monitorización de la radiación que son empleados en equipos tales como aceleradores de partículas o ciclotrones donde se producen radiofármacos, tal y como ocurre en el Centro Nacional de Aceleradores. Otras instalaciones que requieren estos sistemas de detección de radiación son los reactores de fusión, donde las pérdidas de iones rápidos son claves para el correcto funcionamiento de estos reactores.

Un material luminiscente es aquél que emite en forma de luz, parte de la energía que se deposita en él. En el caso concreto del  dispositivo desarrollado, cada capa luminiscente dentro del apilamiento consiste una lámina de alta calidad óptica formada por óxidos transparentes dopados con tierras raras con una emisión luminiscente característica (un color emitido característico).  

“Cuando un haz de partículas cargadas (electrón, protones, partículas α, etc.) interacciona con el apilamiento, deposita energía en las diferentes capas de manera distinta dependiendo de la energía y tipo de partícula incidente. Una parte de la energía depositada en cada capa se emitirá en forma de luz, siendo el color de esta luz diferente para cada capa” (Dr. Ferrer).

De tal modo que, realizando el diseño conveniente de la multicapa (espesor de cada capa, tipo de luminiscente, etc.), podremos relacionar de manera unívoca la el color emitido con un determinado tipo y energía de partícula cargada.

Gracias a la colaboración entre el grupo Nanotechnology on Surfaces del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)) y el Centro Nacional de Aceleradores, se han diseñado y fabricado dos dispositivos para ilustrar las capacidades de estos nuevos tipos de detectores para evaluar la energía cinética de haces de electrones de unos pocos kilo-electronvoltios o partículas alfa de unos pocos mega-electronvoltios, si bien el concepto se puede extender a otras partículas y rangos de energía.

Este estudio se ha revelado como un enfoque poderoso y simple para el monitoreo de energía de haces de partículas cargadas, ya sea iones (es decir, basado en la detección de luminiscencia iónica) o electrones (es decir, catodoluminiscencia).

También se ha comprobado que estos dispositivos pueden diseñarse “a la carta” de acuerdo con el rango de energía y el tipo de partículas que se detectarán. Las señales emitidas desde tales detectores multicapa pueden recolectarse fácilmente en espectrómetros adecuados, y la señal espectral puede analizarse cuantitativamente usando como referencia los espectros característicos de cada capa luminiscente apilada en el dispositivo. Además, se ha demostrado que el concepto fotónico multicapa desarrollado en este estudio es totalmente compatible con detectores de color simples (incluido el ojo desnudo), donde, para determinados rangos de energías cinéticas, es posible una alta resolución en este parámetro seleccionando un apilamiento adecuado.

El Centro Nacional de Aceleradores es una ICTS de localización única que forma parte del Mapa de ICTS actualmente vigente, aprobado el 7 de octubre de 2014 por el Consejo de Política Científica, Tecnológica y de Innovación (CPCTI).

Referencia bibliográfica:

Energy-Sensitive Ion- and Cathode-Luminescent Radiation-Beam Monitors Based on Multilayer Thin-Film Designs

Jorge Gil-Rostra, Francisco J. Ferrer, Juan Pedro Espinós, Agustín R. González-Elipe, Francisco Yubero

ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 16313-16320 (2017)

DOI: 10.1021/acsami.7b01175

Colorimetric energy sensitive scintillator detectors based on luminescent multilayer designs

F.J. Ferrer, J. Gil-Rostra, A.R. Gonzalez-Elipe, F. Yubero

Sensors & Actuators: A. Physical 272, 217-222 (2018)

DOI: 10.1016/j.sna.2018.01.062

Cathode and ion-luminescence of Eu:ZnO thin films prepared by reactive magnetron sputtering and plasma decomposition of non-volatile precursors

J. Gil-Rostra, F.J. Ferrer, I.R. Martín, A.R. González-Elipe and F. Yubero

Journal of Luminescence 178, 139–146 (2016)

DOI: 10.1016/j.jlumin.2016.01.034

https://advanceseng.com/colorimetric-energy-sensitive-scintillators-multilayer-thin-film-designs/

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