˜o, Fabricaci´ ´ ´ ´ Dise˜ Dise n no, Fabricacion on y Caracterizaci´ Caracterizacion o n de Pl Pl´ astico astico Centellador Anonymous Benem´ Bene m´ erita eri ta Univers Uni versida idad d Aut´ onoma onoma de Puebla
July 17, 2018
Tabla de contenidos 1
Principio B´ B´asicos asicos de la detecci´ deteccion ´on por centelleo Detecci´on on por centelleo Tipos de Centelladores Propiedades deseadas
2
Centelladores Org´ Org´anicos anicos Mecanismo de centelleo en centelladores org´ org´anicos anicos Emisi´ Emision ´on de luz Tiempo de respuesta
3
Dise˜ Diseno n pl´astico astico centellado centelladorr ˜ o de pl´ Dise˜ Disenos n ˜os Factoriales Dise˜ nos nos de Respuesta Optimizaci´ Optimizacion Pl´astico astico centellado centelladorr ´on de Pl´
4
Bib Bibliograf´ıa
Principio B´asicos de la detecci´ on por centelleo Detecci´ on por centelleo
Detecci´ on por centelleo Forma de detectar radiaci´ on por medio de la luz emitida en ciertos materiales al interaccionar con part´ıculas ionizantes. Consta de los siguientes pasos: Interacci´on de la radiaci´on con el material centellador Transferencia de energ´ıa a los estados basales de sus mol´eculas Relajaci´on de los estados excitados volviendo a su estado basal, emitiendo luz Colecci´on de los fotones por el fotodetector Detecci´on de la se˜ nal del fotodetector por la electr´onica asociada
Principio B´asicos de la detecci´ on por centelleo
Tipos de Centelladores
Tipos de centelladores Existen dos categorias de centelladores con sus propios mecanismos de anicos e Inorg´ anicos: centelleo: Org´ Centelladores org´ anicos : Usados extensivamente en detectores de
radiaci´on. Cristales org´ anicos puros: Son relativamente fragiles, dificiles de
obtener en tama˜ nos grandes y su eficiencia depende de su orientaci´on. Centelladores liquidos: Son soluciones obtenidas al disolver un centellador en un solvente. Se sellan en contenedores de vidrio y son tratados como detectores solidos Centelladores pl´ asticos: Ampliamente usados, relativamente baratos. Se a˜ nade el centellador a una base y luego se polimeriza la mezcla
Centelladores inorg´ anicos: Tienen estructuras cristalinas, son mas
densos con un n´ umero at´omico mayor que centelladores org´anicos. La capacidad de detenci´ on de la radiaci´ on incidente es grande, emiten mayor cantidad de luz
Principio B´asicos de la detecci´ on por centelleo
Tipos de Centelladores
Tipos de centelladores
Figure: Centellador L´ıquido
Figure: Centelladores Pl´asticos
Figure: Centellador Puro
Figure: Centelladores Inorg´anicos
Principio B´asicos de la detecci´ on por centelleo
Propiedades deseadas
Propiedades deseadas
El material de centelleo ideal tiene las siguientes propiedades: Buena eficiencia de conversi´on de la energ´ıa de la radiaci´on incidente a la de la luz centellada ( Generalmente es de el 10 % al 15 % ) Conversi´on lineal Transparencia para la propia luz emitida Tiempo de respuesta rapido Buena calidad o´ptica y control sobre el tama˜ no y forma deacuerdo a la aplicaci´on Indice de refracci´ on cercano al vidrio ( 1.5) para un acoplamiento eficiente de la luz centellada al tubo fotomultiplicador ∼
Centelladores Org´anicos
Mecanismo de centelleo en centelladores org´ anicos
Mecanismo de centelleo en centelladores org´ anicos
Existen dos procesos de emisi´ on de luz: Fluorecencia: Es un proceso
instantaneo, su duraci´on es menor a 10ns desde el momento en que la radiaci´ on interacciona Fosforecencia o Luz Retardada: Ocurre un retardo
en el centelleo, puede durar minutos o horas, la longitud de onda emitida es mayor
Centelladores Org´anicos
Mecanismo de centelleo en centelladores org´ anicos
Mecanismo de centelleo en centelladores org´ anicos
Los sistemas cu´anticos solo toman valores discretos de energ´ıa, se les conoce como niveles de energ´ıa , el centelleo ocurre debido a las transiciones de estos niveles de energ´ıa, llamadas transiciones moleculares electr´ onicas. En el caso de la fluorecencia, la radiaci´on incidente transfiere energ´ıa a los electrones transladandolos de los niveles base S 0 a niveles S 1 . Estos pueden caer en estados vibracionales S 1 que luego decaen al nivel S 1 base es un proceso sin emisi´ on de radiaci´on, al final decaen al nivel base S 0 emitiendo luz. Los centelladores org´anicos se distinguen por tener la estructura π electron. El espacio de energ´ıa entre los niveles base S 0 y S 1 es de 3 o 4eV . Entre los espacios vibracionales es de 0.15eV
Centelladores Org´anicos
Mecanismo de centelleo en centelladores org´ anicos
Mecanismo de centelleo en centelladores org´ anicos Se visualiza lo dicho anteriormente con un diagrama de energ´ıas
Figure: Diagrama de energ´ıa para la Fluorecencia
Centelladores Org´anicos
Mecanismo de centelleo en centelladores org´ anicos
Mecanismo de centelleo en centelladores org´ anicos La longitud de onda de la luz fluorecente siempre sera mayor que la de absorbci´on. Esto es conveniente ya que evita la reabsorci´on de la luz centellada. Se le conoce como Corrimiento de Stokes ∆λStokes = λmax ,s
−
λmax ,a
Se puede apreciar en el siguiente diagrama:
Figure: Corrimiento de Stokes
Centelladores Org´anicos
Mecanismo de centelleo en centelladores org´ anicos
Mecanismo de centelleo en centelladores org´ anicos En el caso de la fosforecencia, los electrones absorben la irradiacion incidente, decaen de estados S 1 vibracionales al estado S 1 base. Despues en un proceso llamado intersystem crossing decaen a niveles triplete T 1 , son mas estables que los singletes por lo que permanecen cierto tiempo ahi, hasta que vuelve a caer al estado base S 0 emitiendo luz de centelleo
Figure: Diagrama de energ´ıa para la Fosforecencia
Centelladores Org´anicos
Mecanismo de centelleo en centelladores org´ anicos
Mecanismo de centelleo en centelladores org´ anicos
La eficiencia de centelleo es la fracci´on de la energ´ıa de la part´ıcula que es convertida en luz η=
Energia
−
total de los Energia total −
−
−
−
−
fotones producidos E S = deliverada E T −
Se desea que esta eficiencia sea grande, sin embargo existen otros procesos de des-exitaci´on que no involucran emisi´on de luz, sino mediante calor. Todos estos procesos se agrupan con el nombre de quenching
Centelladores Org´anicos Emisi´ on de luz
Light Yield ametro mas importante Light Yield es el par´ del material centellador. Usualmente se mide en n´ umero de fotones por MeV absorbidos de radiaci´on La ley de Birks establece: S dE dL dx = dx 1 + k β dE dx dL Donde dx es la energ´ıa de fluorecencia emitida por unidad de longitud de dE Figure: Scintillation Light Yield de trayectoria, dx la energ´ıa espec´ıfica perdida pl´astico centellador NE-102. Los por la particula con carga, S es la eficiencia datos son ajustados por curvas de centelleo normal, k β es la constante de por la ley de Birks Birks, la cual depende del material y es introducida por el ef ecto de quenching
Centelladores Org´anicos Emisi´ on de luz
Light Yield
La ley de birks se usa como ajuste de curva para los datos experimentales. Algnos autores han introducido mejores ajustes, tal como Craun y Smith que introducieron una versi´on ampliada de la ley de Birks: S dE dL dx = dE 2 dx 1 + k β dE + ( ) C dx dx
donde C es un parametro de ajuste emp´ırico
Centelladores Org´anicos
Tiempo de respuesta
Tiempo de respuesta
Dise˜ no de pl´astico centellador Dise˜ nos Factoriales
Dise˜ nos Factoriales Los dise˜ nos factoriales son experimentos que permiten estudiar los efectos que pueden tener varios factores sobre una variable de astico centellador cuenta con varios factores controlables: respuesta. El pl´ la proporci´on de los reactivos, la temperatura de cocimiento, el tiempo de cocimiento, la presi´ on a la que estuvo sometida. La variable de respuesta sera light yield
Figure: Experimento
Figure: Dise˜ no Factorial de dos Factores
Dise˜ no de pl´astico centellador Dise˜ nos Factoriales
Dise˜ nos Factoriales
Los dise˜ nos factoriales completos son dise˜ nos en los que se mide la respuesta con todos las combinaciones de los niveles de los factores Los dise˜ nos factoriales fraccionados, se realizan solo un conjunto seleccionado de las corridas del dise˜ no factorial completo. Se realizan cuando los recursos son limitados o el n´ umero de factores en el dise˜ no es grande
Figure: Dise˜ no factorial completo
Figure: Dise˜ no factorial fraccionado
Dise˜ no de pl´astico centellador Dise˜ nos de Respuesta
Dise˜ nos de Respuesta
Los dise˜ nos de superficie son tecnicas avanzadas de dise˜ no de experimentos que ayudan a optimizar la variable de respuesta.
Figure: Superficie de Respuesta sin curvatura
Figure: Superficie de Respuesta con curvatura
Existen dos dise˜ nos de superficie de respuesta: Dise˜ no central compuesto Dise˜ no de Box-Behnken
Dise˜ no de pl´astico centellador Optimizaci´ on de Pl´astico centellador
Reactivos de Pl´ astico centellador
Se sabe que que los siguientes son los re´activos para la fabricaci´on de pl´astico centellador. Cada uno de estos re´activos representara un factor Estireno ( C 8 H 8 ) POPOP ( C 24 H 16 N 2 O 2 ) Poli´oxido de Felino o PPO ((C 8 H 8 O )n ) Per´oxido de Benzoilo ( C 14 H 10 O 4 ) Trataremos al Estireno como el solvente y los demas materiales como solutos que formoran la soluci´on solida, POPOP y PPO Per´oxido de Benzoilo sirve como catalizador
Bibliograf´ıa
Bibliograf ´ıa
Knoll, Glenn F. Radiation detection and measurement. John Wiley and Sons, 2010. Ahmed, Syed Naeem. Physics and engineering of radiation detection. Academic Press, 2007 Montgomery, Douglas C., and George C. Runger. Applied statistics and probability for engineers. John Wiley and Sons, 2010
