Desarrollo de un sistema de detección de radiaciones ionizantes basado en materiales centelleadores y fibra óptica para entornos de protección ambiental y de salud

Abstract

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.