Desarrollo de un sistema de detección de radiaciones ionizantes basado en materiales centelleadores y fibra óptica para entornos de protección ambiental y de salud
- Autores: Ana Andrés
- Directores de la Tesis: Óscar Esteban Martínez (dir. tes.), Miguel Embid Segura (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Joseba Zubía Zaballa (presid.), Fernando Bernabé Naranjo Vega (secret.), Virgilio Correcher Delgado (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
Este trabajo de tesis tiene como objetivo diseñar un detector de radiación gamma de bajo coste y fácil manejo que pueda ser utilizado en múltiples entornos como alarma temprana en el ámbito de vigilancia radiológica. De los distintos tipos de sensores de radiación ionizante que existen, se ha centrado la investigación en mejorar el diseño de un sensor basado en el centelleo de materiales cerámicos acoplados a una fibra óptica de plástico que sirve de guía a la luz producida en el detector y la lleva hasta el instrumento de medida.
Se ha investigado la eficiencia de dos materiales cerámicos (Gd2O2S:Tb y Gd2O2S:Eu) en formato polvo. Ambos materiales emiten luz en rango visible al ser irradiados con rayos X o gamma. Según criterios de rendimiento basados en el compromiso entre el coste y la eficiencia de centelleo del material, se ha elegido finalmente como fluoróforo el Oxisulfuro de Gadolinio dopado con Terbio (Gd2O2S:Tb), comprobándose que este material es el más eficaz para detectar la emisión de una fuente de 137Cs así como para fuentes de rayos X de alta energía usadas en radioterapia.
Asimismo, se ha conseguido mejorar el acoplamiento de luz emitida por el fluoróforo a una fibra óptica de polímero (PMMA) convencional, realizando estrechamientos localizados en la zona de la fibra en contacto con el material cerámico. Se ha constatado una mejora notable en la relación señal-ruido medida con un espectrómetro convencional sin necesidad de utilizar elementos fotomultiplicadores, lo que simplifica el sistema final de medida y reduce sus costes.
Tanto el proceso de estrechamiento como el de inmovilización del material en el extremo de la fibra han sido objeto de la investigación de esta tesis, como parte del proceso para optimizar el diseño final del detector. Las fibras estrechadas mediante ataque químico con un perfil homogéneo, y la inmovilización del polvo en seco en una cápsula de teflón, ha resultado la configuración con mejores resultados en la relación señal-ruido medida al irradiar los detectores con rayos X y gamma.
Finalmente se ha llegado a caracterizar un detector discreto con rayos gamma de media energía proveniente de una fuente calibrada de 137Cs. Se ha comprobado también que los sensores son eficaces con fuentes de rayos X de baja energía así como con una fuente de rayos X de aplicación en radioterapia. El sistema propuesto es más barato, de fácil manejo y con una relación señal-ruido mejorada con respecto a los detectores del mismo tipo existentes actualmente en el mercado.
- English
The main goal of the following thesis is the design of a low cost and easy to use gamma radiation detector which could be used in multiple environments such as early warning in the field of radiation protection. Of the different types of ionizing radiation sensors that exist, the research has focused on improving the design of a scintillation-based sensor of ceramic materials coupled to a plastic optical fiber that serves as a guide to the light produced in the detector taking it to the measuring instrument.
The work has been focused in the investigation of the efficiency of two ceramic materials (Gd2O2S: Tb and Gd2O2S: Eu) in powder form. Both materials emit light in the visible when irradiated with X-rays or gamma. According to performance criteria based on the compromise between cost and quantum efficiency, Terpho doped Gadolinium Oxisulfide (Gd2O2S: Tb) was finally chosen as fluorophore, proving that this material is the most efficient for detecting emission from a source Of 137Cs as well as for high energy X-ray sources used in radiotherapy.
Also, it´s been possible to improve the coupling of light emitted by the fluorophore to a conventional polymer optical fiber (PMMA), making localized narrowings in the area of the fiber in contact with the ceramic material. A quite important improvement in the signal-to-noise ratio measured with a conventional spectrometer has been observed without the use of photomultiplier elements, which simplifies the final measurement system reducing its costs.
Both, narrowing and immobilization process of the material at the end of the fiber have been the object of the investigation of this thesis as part of the process in order to optimize the final design of the detector. The fibers tightened through chemical etching with an homogeneous profile and the immobilization of the dry powder in a Teflon capsule have gotten to a new configuration with better results in the signal-to-noise ratio measured when irradiating the X-ray and gamma-ray detectors.
Finally, a discrete detector with gamma rays of medium energy coming from a source calibrated of 137Cs has been characterized.
It has also been found that the sensors are effective with lowenergy X-ray sources as well as an X-ray source for application in radiotherapy. The proposed system is cheaper, easier to operate and has an improvement on terms of signal-to-noise ratio compared to detectors of the same type currently on the market.
- español
