1. Definición y principio
Los centelleadores son materiales capaces de convertir la radiación de alta energía, como los rayos X o gamma, en una luz casi visible o visible. Se utilizan ampliamente como detectores en diagnósticos médicos, física de alta energía y exploración geofísica (ref. Knoll). Los centelleadores pueden ser gaseosos, líquidos o sólidos, orgánicos o inorgánicos (vidrio, monocristal, cerámica). Los detectores basados en centelleadores (fig. 1) se componen esencialmente de un material centelleador y un fotodetector que puede ser un tubo fotomultiplicador (PMT) o un fotodiodo. La función del fotodetector es convertir la luz que sale del centellador en una señal eléctrica.
Los tubos fotomultiplicadores son los fotodetectores más comunes, y están compuestos por un fotocátodo seguido de una serie de dinodos como se muestra en la figura 1. El fotón de luz incide en el fotocátodo, haciendo que éste emita un fotoelectrón. Los fotoelectrones se concentran en el primer dinodo. Esto produce electrones que se multiplican en el segundo dinodo, y de nuevo en el tercero, hasta llegar a la cadena.La señal amplificada se recoge entonces en el ánodo y se transmite a los circuitos de medición. La señal eléctrica obtenida es proporcional al número de fotoelectrones, Nphe.

Figura 1: Diagrama esquemático de un detector de centelleo que comprende un material de centelleo acoplado a un tubo fotomultiplicador.
2. Mecanismo del centelleo
El fenómeno físico del centelleo es un proceso complejo que puede dividirse en tres subprocesos principales (fig. 2): Conversión, transferencia de energía y luminiscencia. La interacción de una radiación electromagnética con la materia se produce a través de tres mecanismos: Efecto fotoeléctrico, dispersión Compton y creación de pares electrón-positrón en función de la energía de la radiación incidente. El efecto fotoeléctrico y la dispersión Compton son mecanismos dominantes para energías bajas (por debajo de 100 keV) y medias (entre 100 keV y 1 MeV) respectivamente. Para energías superiores a 1,02 MeV, la interacción de la radiación con la materia se rige por la creación de pares electrón-positrón.

Figura 2: Mecanismo de centelleo. (Imagen de M. Nikl)
Cuando la radiación es absorbida por el material del centelleador, se produce una creación de pares primarios electrón-hueco que genera pares secundarios por un efecto de cascada. Cuando la energía de las excitaciones electrónicas se sitúa por debajo del umbral de ionización, se produce la termalización. Al final de esta etapa, todos los electrones se encuentran en la parte inferior de la banda de conducción y los huecos en la parte superior de la banda de valencia. Esta primera etapa concluye en menos de un picosegundo.
Después de la etapa de termalización, los pares de huecos de electrones libres migran a través del material para que transfieran su energía a los centros luminiscentes. La transferencia de energía es muy rápida y puede realizarse en 10-12 a 10-8s. Una vez realizada la transferencia de energía, tiene lugar la última etapa del centelleo, la luminiscencia. La duración de la luminiscencia depende de los centros luminiscentes y puede durar más de 10-10s.
La energía del fotón emitido es un parámetro importante que permite la diferenciación entre radioisótopos. En efecto, la energía de los fotones emitidos está relacionada con la energía de la radiación entrante. Según la naturaleza de esta relación, se puede determinar la fuente radiactiva. En el caso de los materiales de centelleo, se debe favorecer el efecto fotoeléctrico porque toda la radiación entrante es absorbida por el medio. El efecto Compton genera fotones con menos energía, lo que conduce a fuentes de error. Para aumentar la probabilidad de que se produzca el efecto fotoeléctrico, se prefieren materiales con alto número atómico Z y alta fracción fotoeléctrica. La fracción fotoeléctrica es la proporción de fotones entrantes que interactúan con la materia por efecto fotoeléctrico.
3. Características de los centelleadores.
– Rendimiento luminoso (fotones/MeV): Número de fotones emitidos por energía absorbida.
– Resolución energética (%): Capacidad de un material para discriminar entre dos radiaciones de energías ligeramente diferentes.
– Tiempo de decaimiento (s): Cinética de la respuesta luminosa I(t) caracterizada por tau.
– Afterglow: Salida de luz residual que se produce después del tiempo de decaimiento primario de los centros luminiscentes principales.
– Poder de parada: Coeficiente de atenuación de la radiación absorbida, para un espesor determinado de un material.
4. Fabricación de centelleadores.
Hasta hace poco, los centelleadores inorgánicos se presentan en forma de cristales individuales. Estos se producen típicamente mediante técnicas de crecimiento a partir de la masa fundida, como el método Czochralski o Bridgman-Stockbarger.

Figuras 3 & 4. Aparato de Czochralski (izquierda) y horno de Bridgman-Stockbarger (derecha).
El aparato de Czochralski se muestra en la figura 3. Se fija un cristal semilla en la parte inferior de un brazo vertical de forma que la semilla apenas esté en contacto con el material de la superficie de la masa fundida. El brazo se eleva lentamente, y un cristal crece por debajo en la interfaz entre el cristal y la masa fundida. Por lo general, el cristal gira lentamente, para que las inhomogeneidades del líquido no se reproduzcan en el cristal. Basándose en las mediciones del peso del cristal durante el proceso de extracción, los aparatos controlados por ordenador pueden variar la velocidad de extracción para producir cualquier diámetro deseado. A medida que se extrae la semilla, el material se solidifica y finalmente se produce una gran bola circular. El método Czochralski se suele utilizar para materiales con un punto de fusión elevado.
El aparato Bridgman-Stockbarger se muestra en la figura 4. El método consiste en calentar un material policristalino en una ampolla sellada, que tiene una forma cilíndrica con un extremo inferior cónico. Los calentadores mantienen el estado fundido. A medida que la ampolla desciende lentamente hacia una región más fría (región azul), empieza a crecer un cristal en el extremo cónico. La ampolla se baja a una velocidad que coincide con el crecimiento del cristal, de modo que la interfaz entre el cristal y la masa fundida está siempre a la misma temperatura. El ritmo de desplazamiento de la ampolla depende de la temperatura y del material. Cuando se hace con éxito, todo el material fundido en la ampolla crece hasta formar un único y gran cristal. Una capa de impurezas crece en la interfaz entre el fundido y el sólido a medida que esta superficie asciende en el fundido, y las impurezas se concentran en la parte superior del cristal. Este método es muy adecuado para materiales con un punto de fusión bajo y sensibles al aire, como el yoduro de estroncio.
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