DETECTOR DE PARTÍCULAS IONIZANTES.

Detector de partículas ionizantes.

El objeto de la presente invención es un sensor de radiación ionizante con energías comprendidas entre 0.

1 keV y 100 MeV sensible tanto al tipo de radiación como a su energía. El detector comprende una estructura apilada de varias capas de material con distintos luminiscentes.

SECTOR Y OBJETO DE LA INVENCION

La invención se enmarca dentro del campo de los detectores de partículas ionizantes con una gran variedad de aplicaciones en sectores como la óptica y fotónica, energía nuclear, aceleradores de partículas para salud e investigación científica y otros relacionados.

El objeto de la invención es un detector de partículas ionizantes que permite discernir entre distintos tipos de radiación ionizante e identificar su energía a partir de la intensidad y color de la luz emitida, siendo la característica común de todos los dispositivos objeto de la presente invención el apilamiento de capas activas luminiscentes centelleadoras, las cuales 15 emitirán luz de color característico dependiendo de que se exciten de forma efectiva.

ESTADO DE LA TECNICA

Existen distintos tipos de detectores de partículas ionizantes, los cuales se pueden clasificar

en función del tipo de aplicación donde se utilicen o en función de cuál sea el fundamento físico en el que se base la detección.

La señal de un detector proviene de procesos de interacción de la radiación con la parte activa del dispositivo que provoca ionización y/o excitación de los átomos o moléculas en la parte activa del dispositivo.

Existen dos grandes familias de detectores de radiación ionizante. Los detectores de radiación integradores y los que funcionan por conteo. Los primeros basan su funcionamiento en responder de forma acumulativa a la radiación recibida. Ejemplos típicos son los dosímetros de radiación, o placas fotográficas.

Los segundos funcionan en base a la interacción de partículas ionizantes de forma individual con el dispositivo. La presente invención puede encuadrarse en éstos últimos.

Dentro del grupo de detectores de radiación que funcionan por conteo est.én aquellos en los que la interacción de la radiación con la fase activa del detector produce una señal de corriente eléctrica. En general, la intensidad de corriente inducida es proporcional a la energía depositada en el dispositivo sensible a la radiación. Es el caso de los detectores basados en el uso de semiconductores, donde la radiación ionizante produce pares electrónhueco, o cámaras de gases, con la producción de pares electrón-ion, en su parte activa. De esta manera la detección de la radiación se realiza de forma directa, a través de la medida de la intensidad de la corriente inducida entre los electrodos a los que se dirijan los pares de carga opuesta creados.

Otro tipo de dispositivos detectores de radiación que funcionan por conteo son los dispositivos fotosensores en los que la detección de la radiación se realiza de forma indirecta, siendo en general necesaria la participación de un conversor de señal luminosa en señal eléctrica. En este caso la radiación ionizante induce luminiscencia (emisión de luz) en la fase activa del detector debido a la interacción de la radiación ionizante, en general partículas cargadas, con los centros activos del sensor. Esta luminiscencia causa una fotocorriente en un fotodiodo, cuya intensidad será proporcional a la luz emitida por el material emisor de luminiscencia. Así pues, basan su funcionamiento en la medida de la intensidad de una corriente eléctrica inducida por la luz emitida que se ha generado por la interacción de la radiación ionizante con el dispositivo detector.

En general, distintos tipos de radiación ionizante y su energía se discriminan a partir de la magnitud de la excitación (ya sea intensidad de luz o de corriente eléctrica) en el detector. Así, el diseño de este tipo de detectores no es universal, de manera que se adapta al tipo de radiación que detectar. Así, en ES2067049 se describe un método para detectar dosis de radiación utilizando material termoluminiscente, especialmente indicado para la dosimetría de partíCUlas beta y de neutrones. En el caso de electrones de baja energía (energías menores de 15 kiloelectrovoltios) los sensores de energía pueden ser del tipo electrostático, de manera que la energía de la partícula se infiere a partir del frenado o la deflexión de su trayectoria en un determinado campo eléctrico.

Otro tipo de dispositivo relacionado con la presente invención son las pantallas centelleadoras. Éstas en general consisten en depósitos homogéneos de fósforos luminiscentes, los cuales responden ante la excitación por radiación (electrones, iones, rayos X o rayos gamma) que incida sobre ellas, mediante la emisión de luz variable en intensidad, dependiendo del flujo, tipo y energía de los iones. El documento US2013/0 126850 muestra un dispositivo de estas características.

La presente invención plantea un dispositivo capaz de distinguir entre distintos tipos de partículas cargadas y su energía no solamente a partir de la intensidad de la luz generada en la parte activa (luminiscente) del detector (como es el caso de los fotodetectores convencionales) , sino que también a partir del color de la luz emitida inducido en el dispositivo. De esta manera, mediante una inspección óptica simple del dispositivo sobre el que incida la radiación (inspección visual con el ojo humano, cámara fotográfica u otro

sensor óptico de color) es posible discriminar el tipo de radiación y su energía. Este hecho supone una solución a la identificación de energía de partículas ionizantes que no existe actualmente en el mercado.

Al respecto de los materiales que actúen como centros activos luminiscentes se reivindican cationes de tierras raras como cerio, terbio, europio, iterbio, u otros, distribuidos de forma aleatoria en matrices de óxidos transparentes amorías. Como patentes relacionadas pueden mencionarse la solicitud W02011099893 en la que se hace referencia a materiales monocristalinos centelleadores sensibles a rayos cósmicos, rayos gamma y rayos X; US2008/128624 en la que se hace referencia a materiales centelleadores basados en nanocomposites, US6689293 en la que se mencionan ortosilicatos cristalinos o la ES2186885 referida a halogenuros alcalinos dopados con cationes metálicos para su uso como sensores de rayos X.

En cuanto a la deposición de las capas, la solicitud de patente española P201230048

describe una metodología que consiste en deposición mediante pulverización catódica reactiva combinada con descomposición por plasma de precursores no-volátiles de tierra rara.

EXPLlCACION DE LA INVENCION

En un primer aspecto constituye un objeto de la presente invención un detector de partículas que permite discernir entre distintos tipos de radiación ionizante e identificar su energía a partir de la intensidad y color de la luz emitida, que comprende: -al menos una capa formada por una matriz transparente dopada con un material luminiscente que se selecciona preferentemente entre cerio, praseodimio, neodimio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, iterbio, lutecio, ° tulio. Asimismo el material luminiscente podría incorporarse en la matriz transparente en forma de nanopartículas luminiscentes preferentemente de silicio, sulfuro de cinc o aluminato de estroncio.

-al menos una segunda capa formada por una matriz transparente dopada con un material luminiscente distinto de la capa anterior y que se selecciona preferentemente entre cerio,

praseodimio, neodimio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, iterbio, lutecio, o tulio. Asimismo el material luminiscente podría incorporarse en la matriz transparente en forma de nanopartículas luminiscentes preferentemente de silicio, sulfuro de cinc o aluminato de estroncio.

-un sustrato sobre el que se apilan las capas anteriores.

En un modo de realización preferente, el detector de partículas ionizantes incluye adicionalmente una capa externa protectora localizada sobre la primera de las capas formadas. Dicha capa externa protectora es de un material transparente (en el caso de que el dispositivo opere en modo reflexión ) u opaco (si el dispositivo opera en modo transmisión) que se selecciona entre, pero no se restringe, a óxido de silicio, óxido de zinc dopado con aluminio, óxido de cinc dopado con galio y óxido de indio dopado con estaño, teniendo un espesor comprendido entre 10 nanometros y 1 mm.

En otra forma de realización de la invención, entre las capas de material transparente dopadas con material luminiscente se inserta una capa intermedia separadora formada por una matriz transparente seleccionada, pero no restringida a los siguientes materiales: Si02, A1 20 3, Zr02, Y20 3, Ti02, Nb20 s, Ta20 s. Hf02 y ZnO.

El sustrato donde se deposita la parte activa del detector es una oblea de silicio pulido cristalino, una pieza de metal, o un vidrio. Alternativamente... [Seguir leyendo]

1. Detector de partículas ionizantes con energías comprendidas entre 0.1 keV y 100 MeV, que permite discernir entre los distintos tipos de radiación e identificar su energía a partir de la intensidad y color de la luz emitida, caracterizado porque comprende: -al menos una capa formada por una matriz transparente dopada con un material luminiscente que se selecciona entre cerio, praseodimio, neodimio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, iterbio, lutecio y tulio o nanopartículas luminiscentes.

-al menos una segunda capa formada por una matriz transparente dopada con un material luminiscente distinto de la capa anterior y que se selecciona entre cerio, praseodimio, neodimio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, iterbio, lutecio y tulio o nanopartículas luminiscentes. -un sustrato sobre el que se apilan las capas anteriores.

1.

2. Detector de partículas ionizantes según la reivindicación 1, caracterizado porque las nanopartículas luminiscentes incorporadas en las matrices transparentes son de silicio, sulfuro de cinc o aluminato de estroncio.

3. Detector de partículas ionizantes según una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque incluye adicionalmente una capa externa protectora localizada sobre la primera de las capas formadas por una matriz transparente dopada con un material luminiscente.

4. Detector de partículas ionizantes según la reivindicación 3, caracterizado porque la capa externa protectora es de un material transparente y conductor que se selecciona entre óxido de silicio, óxido de zinc dopado con aluminio, óxido de cinc dopado con galio y óxido de indio dopado con estaño con un espesor comprendido entre 10 nm y 1 mm.

5. Detector de partículas ionizantes según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque entre las capas de material transparente dopadas con material luminiscente se inserta una capa intermedia separadora formada por una matriz transparente seleccionada entre los siguientes materiales Si02, A120 3, Zr02, y20 3, Ti02, Nb20 s, Ta20 s, Hf02y ZnO.

6. Detector de partículas ionizantes según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el sustrato donde se deposita la parte activa del detector se selecciona entre una oblea de silicio pulido cristalino, una pieza metálica y un vidrio.

7. Detector de partículas ionizantes según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el sustrato es un material plano luminiscente.

8. Detector de partícUlas ionizantes según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque los átomos luminiscentes que se usan como dopan tes se seleccionan 10 entre europio, terbio y cerio.

9. Detector según la reivindicación 1, caracterizado porque consiste en: -una capa externa protectora de Si02transparente con 10 nm de espesor. -una matriz transparente dopada con europio de 30 nm de espesor

-una segunda matriz transparente dopada con lb de 100 nm de espesor -una oblea de silicio pulido cristalino como sustrato 10. Detector según la reivindicación 1, caracterizado porque consiste en: -una matriz transparente dopada con lb como material luminiscente verde de 350 nm de

espesor -una capa intermedia formada por una matriz transparente de Y 20 3 de 100 nm de espesor -una segunda matriz transparente dopada con europio como material luminiscente rojo de 300 nm de espesor -una oblea de silicio pulido cristalino como sustrato 2.

11. Detector según la reivindicación 1, caracterizado porque consiste en: -una capa externa protectora formada por una película de 100 nm de espesor de wolframio. -una matriz transparente dopada con lb como material luminiscente verde de 300 nm de espesor

-una capa intermedia formada por una matriz transparente de Y 20 3 de 1000 nm de espesor -una segunda matriz transparente dopada con europio como material luminiscente rojo de 400 nm de espesor -un sustrato transparente luminiscente con emisión en el azu.

12. Uso de un detector tal como se define en la reivindicación 9 para la detección de electrones en un rango de energía comprendido entre 1 y 5 keV en modo de reflexión.

13. Uso de un detector tal como se define en la reivindicación 10 para la detección de iones con energías comprendidas entre 0, 01 y 10 MeV en modo de reflexión.

14. Uso de un detector tal como se define en la reivindicación 11 para la detección de iones con energías comprendidas entre 0, 2 y 2 MeV en modo de transmisión.