Contador de centelleo Introducción: El dete detect ctor or más más usad usado o en medi medici cina na nucl nuclea earr es el dete detect ctor or de cent centel elle leo. o. Centelleo significa destello de luz. Por lo tanto, los detectores de centelleo se basan en la conversión de la energía de los rayos gama en luz para detectar el rayo gama. Esto es distinto distinto a los detectores detectores gaseosos gaseosos,, tales como el tubo GM o las cámaras de ionización, que detectan la ionización producida por la radiación en el gas. La gammacámara es un tipo de detector de centelleo. Los detectores de centelleo son altamente sensibles a los rayos gama, y, por lo tanto, muy sensibles a las pequeñas cantidades de actividad. Los Los dete detect ctor ores es de cent centel elle leo o se usan usan en los los cont contad ador ores es de pozo pozo in Vitr Vitro o (automáticos o manuales) y las sondas de conteo in vivo (sondas de captación para tiroides), detectores detectores portátiles portátiles (gamma-probe) (gamma-probe) y algunos algunos monitores monitores de contaminación. Esquema del contador de centelleo A continuación se hará una descripción de los componentes y el funcionamiento básicos del contador de centelleo.
Diagrama en bloque de un contador básico de centelleo básico mostrando los componentes principales, incluyendo formas de pulso aproximadas. Los componentes de un contador básico de centelleo son: Un cristal de centelleo que convierte los rayos gama en luz. En la mayoría de los casos, el cristal de centelleo es de yoduro de sodio activado con Talio (NaI(Tl)). Un tubo fotomultiplicador (PMT) que convierte la luz del cristal en un pulso eléctrico. Una fuente de alto voltaje para el PMT. Un preamplificador que acondiciona el pulso a la salida del PMT. Un amplificador que amplifica (modifica el tamaño) del pulso.
Un analizador de altura de pulsos (PHA) que permite medir la altura del pulso. Y como la altura es proporcional a la energía depositada, el PHA permite seleccionar el rango de energías gama deseado. Un escalímetro y un reloj para contar el número de rayos gama detectados que caen dentro de la ventana del analizador de altura de pulsos. Descripción del funcionamiento Cristal La función del cristal en un contador de centelleo es la de convertir los rayos gama en fotones de luz (centelleo significa destello de luz). La conversión de la energía de los rayos gama en luz tiene lugar en el cristal de la siguiente manera: a medida que los rayos gama interactúan con el cristal y pierden energía, excitan a los electrones orbitales desde la banda de valencia hasta la banda de conducción, de estado energético mayor. Dado que éste es un estado inestable, los electrones regresan a la banda de valencia de energía menor liberando el exceso de energía en forma de fotones de luz. Por consiguiente, los rayos gama no producen luz directamente en el cristal, sino indirectamente mediante la excitación de electrones, que luego producen la luz cuando regresan a su estado estable. El cristal que se usa más comúnmente en los contadores de centelleo es el yoduro de sodio (NaI). Para hacer que el cristal centellee a temperatura ambiente, se introduce en el mismo una pequeña cantidad de impurezas (generalmente Talio) para crear luminiscencia o centros de centelleo. Por tal motivo, se le denomina cristal de NaI(Tl). La utilidad del cristal de NaI(Tl) en los equipos de medicina nuclear se debe a su alta producción de energía y su eficacia (es uno de los centelladores más eficaces, es transparente a su propia luz y el espectro de luz producido se asemeja al espectro al que son sensibles los tubos fotomultiplicadores). También tiene una densidad relativamente alta para brindar buena absorción de las energías gama que generalmente se usan en medicina nuclear. Tambien variando su espesor permite hacerlos mas eficientes a determinados niveles de energia. Los cristales de NaI(Tl) son higroscópicos, es decir, absorben la humedad del aire, por lo que tienen que estar herméticamente sellados, en general mediante un recubrimiento de aluminio hacia el exterior y una ventana de vidrio hacia los PMT. El aluminio además de proteger actúa como filtro ya que absorbe las partículas alfa y beta, restringiendo su uso para medir los rayos gama o X. El número de fotones de luz producidos en el cristal es proporcional a la energía del rayo gama. Generalmente se producen entre 20 - 30 fotones de luz por keV de energía gama absorbida. Por lo tanto, para la energía gama de 140 keV del 99mTc, se producen aproximadamente 2.800 - 4.200 fotones de luz por cada rayo gama de 140 keV absorbido en el cristal. Obviamente para rayos gama de energías mayores o menores, se producirían proporcionalmente mayor o menor cantidad de fotones de luz, respectivamente. Por consiguiente, la cantidad de luz producida es directamente proporcional a la energía del rayo gama incidente.
Tubo fotomultiplicador La función básica del tubo fotomultiplicador (PMT) es convertir la luz producida en el cristal en una señal eléctrica que luego puede procesarse por la electrónica del contador.
Diagrama de un tubo fotomultiplicador (PMT). D1-D8 son los dínodos de este PMT. Una red de resistencias divide el alto voltaje, de modo tal que el voltaje más alto se aplica al ánodo, el segundo más alto al dínodo D8, y así sucesivamente siendo el voltaje más bajo aplicado al cátodo y el segundo más bajo, al dínodo D1. El tubo fotomultiplicador se encuentra ópticamente acoplado al cristal por medio de una guía de luz (silicona óptica) o de una simple ventana de vidrio. Se usa la guía de luz para asegurar que la mayor cantidad de luz posible producida en el cristal alcance el fotocátodo en el PMT. Por cada 7-10 fotones de luz que alcanzan el cátodo del PMT, éste eyecta un electrón por acción del efecto fotoeléctrico. Los electrones producidos de esta forma se aceleran hacia el primer dínodo D1, ya que el voltaje aplicado a él es un poco más alto que en el cátodo. Por cada electrón que alcance el D1, se emiten 3-4 electrones, que a su vez, se aceleran hacia el D2, donde nuevamente por cada electrón incidente, se emiten 3-4 electrones más y así en todos los dínodos. Por lo tanto, para cada dínodo, el número de electrones se multiplica por un factor de aproximadamente 3-4. Esto se muestra en la figura por medio de las líneas progresivamente más gruesas que indican que se generan cada vez más y
más electrones. Los electrones son finalmente recolectados por el ánodo para formar la señal eléctrica final del PMT. De los 8 dínodos que se muestran en la figura, por cada electrón generado por el cátodo, se recogen aproximadamente 10.000-100.000 en el ánodo. Los tubos fotomultiplicadores comunes de las cámaras gama tienen 10-14 dínodos, lo que hace que los electrones de los cátodos se multipliquen por un factor de 1.000.000 a 100.000.000. Sin embargo, incluso con este factor de multiplicación, la señal eléctrica del tubo fotomultiplicador aún es bastante pequeña (de algunos cientos de µV a algunos mV). El tamaño de la señal eléctrica del PMT depende de lo siguiente: El número total de fotones de luz que llegan al cátodo. El número de fotones que llegan al cátodo depende de la energía del rayo gama (las energías de rayo gama más altas producen más fotones de luz). Esta propiedad de los PMT puede usarse para estimar la energía del rayo gama. El alto voltaje aplicado al tubo PM. Con voltajes más altos, los electrones del cátodo y los dinodos se aceleran más, lo que provoca una mayor emisión de electrones en el nivel siguiente y, de esta forma, un número más elevado de electrones totales alcanzan el ánodo. Esta propiedad de los PMT se usa durante la calibración del contador de centelleo, es decir, la señal del PMT puede aumentarse o disminuirse mediante el aumento o la disminución del voltaje aplicado al PMT. De esta forma, el tamaño de la señal puede ajustarse mediante el alto voltaje para que caiga dentro de la ventana de energía del analizador de altura de pulsos como se verá más adelante. Señal de energía Como se mencionó anteriormente, el pulso eléctrico del PMT es bastante pequeño (generalmente de algunos mV). Por lo tanto se lo amplifica con un preamplificador y un amplificador (figura 1). También se realiza un “moldeado de pulso” con el amplificador y/o preamplificador para mejorar el rendimiento de la tasa de conteo y la discriminación de energía del analizador de altura de pulsos (figura 1). El tamaño del pulso eléctrico que proviene del amplificador es proporcional al tamaño del pulso del PMT y a la ganancia del preamplificador y del amplificador. El analizador de altura de pulsos (PHA) verifica el tamaño del pulso que sale del amplificador. Si es de un tamaño especificado, es decir, mayor que el nivel inferior y menor que el nivel superior, el PHA produce un pulso eléctrico de un tamaño fijo (figura 1). Este pulso luego se cuenta en el escalímetro. Concepto importante: El tamaño del pulso eléctrico que proviene del amplificador y que es verificado por el PHA es proporcional a lo siguiente: Tamaño del pulso ∝ energía de rayo γ x configuración de HV x Gan Amp
Donde: ∝ significa: es proporcional a Energía de rayo γ es la energía de los rayos gama que se están contando. HV es el voltaje aplicado al tubo fotomultiplicador. Gan Amp son las ganancias del amplificador. Analizador de altura de pulsos y espectro de energía El analizador de altura de pulsos selecciona los rayos gama de cierta energía para ser contados ya que el tamaño del pulso es proporcional a la energía del rayo gama. Sin embargo, la energía que selecciona el PHA depende tanto de los ajustes de alto voltaje y de las ganancias del amplificador como de los ajustes del PHA. Esto puede verse en la figura 3 a continuación. Esto significa que el alto voltaje, la ganancia del amplificador y el analizador de altura de pulsos deben configurarse apropiadamente para contar energías específicas. También significa que no hay una sola configuración para una energía particular, es decir, una ganancia del amplificador más baja puede compensarse con un ajuste de alto voltaje mayor o niveles de ventana del PHA más bajos. Esto debe tenerse en cuenta durante los experimentos más adelante en esta unidad.
Efecto del cambio de varios controles en el detector de centelleo.
Detector de centelleo configurado correctamente para contar 140 keV con una altura de pulso entre el nivel inferior y superior del PHA de la ventana de 20% (126-154 keV). Nota: las configuraciones del PHA corresponden directamente a la energía. Mediante el aumento ya sea del alto voltaje o de la ganancia del amplificador, el pulso del rayo gama de 140 keV se agranda y no se encuentra dentro de la ventana del PHA, por lo tanto, no podrá contarse. Los niveles de la ventana del PHA se han aumentado para centrar nuevamente el pulso en la ventana. Observe que, sin embargo, los niveles de la ventana son bastante más elevados y ya no se encuentran ahora, en relación directa con la energía del rayo gama. Los diagramas precedentes en la figura 3 muestran cómo un pulso aislado de un rayo gama puede ser afectado por el cambio de alto voltaje, la ganancia del amplificador y las configuraciones de la ventana del PHA. Es habitual observar los ajustes de la ventana en el espectro de energía. El espectro de energía es el trazado del número de pulsos con una altura particular (abundancia) en relación con la altura (energía) de los pulsos. Por lo tanto, debe generarse a partir de muchos rayos gama detectados. En los siguientes tres diagramas se muestra el espectro de energía con sus configuraciones de ventana típicas y el efecto del cambio de ajustes del amplificador / ganancia / alto voltaje, y ventana. Nota: se le pedirá que trace un espectro de energía en la sesión práctica de esta unidad; por lo tanto, por favor asegúrese de haber entendido el espectro
de energía. Figura 4 Espectro de energía que muestra el número de pulsos en función de la altura del mismo (energía). El espectro de energía está formado por un fotopico, que se centra sobre la energía del rayo gama del isótopo, y pulsos de energía
menor de la radiación dispersa. También se muestra una ventana típica que abarca el fotopico. Figura 5
Trazado del número de pulsos en relación con la altura de pulsos para el mismo radioisótopo del gráfico anterior, luego que se aumentó la ganancia del amplificador o el alto voltaje. La ventana ahora ya no está centrada sobre el fotopico, sino que incluye una cantidad significativa de radiación dispersa.
Figura 6 Se aumentaron los niveles de la ventana para centrarla nuevamente sobre el fotopico. Los efectos del alto voltaje, la ganancia del amplificador (selección del radionucleido) y el funcionamiento del PHA en la cámara gama son similares a aquellos descriptos anteriormente y funcionan de manera similar. Por consiguiente, la descripción anterior se aplica también a los controles correspondientes de la cámara gama y lo ayudará a familiarizarse con los controles de calibración de la cámara gama. Tipos de contadores de centelleo
Si bien todos los contadores de centelleo poseen el mismo diseño básico descripto en la sección anterior, existen diferencias considerables en la práctica. En particular, los controles de operación para ajustar los diversos componentes varían considerablemente. Estas diferencias van desde el ajuste manual total de todas las configuraciones hasta las configuraciones prefijadas mediante el uso de teclas o módulos para ser conectados, y el control computarizado de las configuraciones. La mayoría de los sistemas de conteo incluye: Los sistemas con diales e interruptores para el control total por parte del operador de la configuración del alto voltaje, la ganancia del amplificador y el ancho de la ventana del analizador de altura de pulsos. Estos tipos de sistema son mejores para este módulo. (ver Introducción de la sección anterior) Los sistemas con configuraciones prefijadas que utilizan interruptores selectores, teclas selectoras o módulos conectados para fijar automáticamente las condiciones de funcionamiento necesarias para el radionucleido seleccionado. Como ya se mencionó anteriormente, estos tipos de contadores no son aptos para este módulo de aprendizaje y deberían usarse instrumentos alternativos. Particularmente en los modernos contadores gama automáticos, tales como los que se usan para contar muestras de RIA, las configuraciones se controlan con una computadora (generalmente una PC). En vez de usar diales e interruptores, las configuraciones se ingresan mediante el teclado y se muestran en la pantalla de la computadora. La mayoría de estos sistemas brindan gran control sobre las configuraciones de la ventana de energía y, en lo posible, todas las partes de este módulo deberían completarse con estos instrumentos. Sin embargo, en cierta forma son más difíciles de usar y puede llevarle más tiempo familiarizarse con ellos. Quizá también necesite ayuda y consejos del personal que normalmente usa este instrumento.
