Detectores de Neutrones: Principios y Aplicaciones

Los neutrones son partículas sin carga eléctrica y, por lo tanto, no producen ionización directa al interaccionar con la materia. Su detección se basa en la transmisión energética, que tiene lugar al producirse una dispersión elástica con los núcleos atómicos o mediante una reacción nuclear.

Para que un detector detecte neutrones, debe haber abundantes dispersiones o reacciones nucleares, ya que lo que se mide es la ionización secundaria producida por los núcleos golpeados.

Métodos de Detección según la Energía del Neutrón

Existen diferentes métodos para detectar neutrones, clasificados según su energía:

• Neutrones Térmicos o Lentos: Pueden detectarse con un contador Proporcional o un contador Geiger añadiendo trifluoruro de boro (BF₃) al gas del detector.
• Neutrones Rápidos: El contador se cubre de una sustancia rica en hidrógeno (como la parafina) que frena los neutrones antes de que entren en el contador. También se pueden utilizar cristales de centelleo orgánico como detector, ya que contienen elementos ligeros (en particular H y C). Estos elementos reciben suficiente energía al ser golpeados por neutrones para ser detectados.

Utilidad en Protección Radiológica

La utilidad de estos detectores en protección radiológica es poco frecuente, pero son de gran importancia y frecuencia en las centrales nucleares.

Detectores de Semiconducción: Teoría de Bandas y Funcionamiento

Los detectores de semiconducción aprovechan las propiedades eléctricas de ciertos sólidos cristalinos. Estos sólidos se distinguen en tres categorías según su capacidad para conducir la corriente:

1. Conductores
2. Aislantes
3. Semiconductores

Teoría de Bandas Energéticas

El comportamiento de estos materiales se explica mediante la teoría de bandas energéticas. En un átomo aislado, los electrones ocupan niveles energéticos discretos. Cuando los átomos se unen para formar una estructura cristalina, estos niveles se distorsionan, dando lugar a las bandas energéticas, que se organizan en orden creciente de energía (E) y están separadas por un intervalo prohibido (banda prohibida).

• Banda de Valencia: Contiene los electrones ligados.
• Banda de Conducción: Permite el movimiento libre de electrones.
• Banda Prohibida: El espacio intermedio.

Clasificación de Materiales

• Conductor: Material donde la mayoría de los electrones se hallan en la banda de conducción. Nunca constituirá un buen detector de radiación, ya que los electrones pueden desplazarse libremente y generar una señal sin la intervención de la radiación.
• Aislante: Material en el que los electrones ocupan la banda de Valencia y difícilmente acceden a la de Conducción, debido a que la banda prohibida es muy ancha. Por lo tanto, tampoco será un detector de radiación.
• Semiconductor: Se comporta como aislante en condiciones normales. Gracias a que la banda prohibida es estrecha, la acción de la radiación incidente puede provocar un depósito energético que permite a los electrones superar la barrera energética y pasar a la banda de conducción. Por esta razón, son detectores de radiación.

Mecanismo de Detección y Tipos de Semiconductores

Cuando una partícula incide y penetra en la cavidad del sólido semiconductor, ioniza el medio. Los electrones liberados suben a la banda de conducción, mientras que los iones positivos o huecos quedan en la banda de Valencia. Estos huecos atraen y capturan nuevos electrones, dando lugar a una corriente eléctrica.

Los semiconductores generan una señal en forma de corriente ante la presencia de radiación externa, ya sea por el exceso de electrones fácilmente desprendibles o por el exceso de huecos positivos que capturan nuevos electrones.

Tipos de Semiconductores

Se distinguen dos tipos principales:

1. Intrínsecos: Semiconductor compuesto por un solo tipo de átomo, frecuentemente de valencia cuatro (como el silicio o el germanio). Sus cristales son muy estables, pues tienen ocho electrones de valencia, y no es sencillo ionizarlos.
2. Extrínsecos (Dopados): Para aumentar la conductividad de un material como el silicio, se reemplazan algunos átomos del cristal por otros que tengan tres o cinco electrones de valencia. Esto se conoce como dopaje.

El Proceso de Dopaje y Tipos de Conductividad

El dopaje crea configuraciones inestables que facilitan la conductividad:

• Dopaje Tipo N (Negativo): Si el elemento dopante tiene cinco electrones de valencia (como el fósforo) y se introduce en el cristal de silicio, se origina una configuración inestable de nueve electrones. Uno de los electrones estará débilmente ligado y podrá liberarse con facilidad, mejorando la conductividad. El semiconductor resultante posee una conductividad extrínseca de tipo N.
• Dopaje Tipo P (Positivo): Si se dopa el silicio con un elemento de tres electrones de valencia (como el aluminio o el boro), la configuración de siete electrones en la última capa del cristal será inestable por la falta de un electrón de valencia (presencia de un hueco positivo). Un electrón se desplazará hacia el hueco, dejando un nuevo hueco en su lugar. Así se crea un hueco móvil que incrementa la conductividad del material.

El Semiconductor como Detector de Radiación

Existen detectores de semiconducción homogéneos (de tipo P o N) y heterogéneos (detector de unión), formados por la unión de materiales de tipo P-N.

En el detector de unión, se produce una acumulación de carga positiva y negativa a cada lado de la unión con el mismo valor, formando un dipolo eléctrico similar al de los detectores de gas, pero en material sólido. Cuando la radiación incidente ioniza la zona útil del detector, los electrones liberados y los iones residuales se desplazan hacia los bordes del semiconductor bajo la acción del campo eléctrico originado por el dipolo.

Ventajas y Desventajas de los Detectores de Semiconducción

Ventajas respecto a los Detectores de Ionización Gaseosa:

• Mayor Eficiencia: La densidad en un sólido es mayor que en un gas, lo que resulta en una mayor eficiencia de detección.
• Menor Tiempo Muerto: El volumen de detección es más pequeño que en los gases, y por lo tanto, el tiempo de recolección de cargas es menor.
• Mejor Resolución Energética: Los materiales semiconductores permiten realizar espectrometría con una buena resolución.
• Mayor Sensibilidad: La energía necesaria para crear un par electrón-hueco en un sólido es menor que en un gas.

Desventaja y Solución:

Al tener una energía de ionización menor, a temperatura ambiente se crean pares electrón-hueco no deseados (ruido electrónico), lo que dificulta la lectura de la señal. Este ruido se evita mediante el enfriamiento constante del detector, generalmente con la circulación de nitrógeno líquido.