Nick Connor

La relación entre el voltaje aplicado y la altura del pulso en un detector es muy compleja. La altura del pulso y el número de pares de iones recogidos están directamente relacionados. La avalancha de Townsend o la descarga de Townsend influyen significativamente en el número de pares de iones recogidos en los detectores de ionización gaseosa. La avalancha de Townsend es un proceso de ionización de gas donde los electrones libres son acelerados por un campo eléctrico, chocan con moléculas de gas y, en consecuencia, electrones secundarios libres. El resultado es una multiplicación de avalanchas que permite la conducción eléctrica a través del gas.

Avalancha de Townsend – Región proporcional

En la región proporcional, la carga acumulada aumenta con un aumento adicional en el voltaje del detector, mientras que el número de pares de iones primarios permanece sin cambios. Al aumentar el voltaje, los electrones primarios tienen suficiente aceleración y energía para que puedan ionizar átomos adicionales del medio. Estos iones secundarios formados también se aceleran causando un efecto conocido como avalanchas de Townsend , que crea un solo pulso eléctrico grande. Aunque hay una gran cantidad de iones secundarios (aproximadamente 10 ³ – 10 ⁵ ) para cada evento primario, la cámara siempre funciona de manera tal que la cantidad de iones secundarios es proporcionala la cantidad de eventos primarios. Es muy importante, porque la ionización primaria depende del tipo y la energía de las partículas o rayos en el campo de radiación interceptado. El número de pares de iones recogidos dividido por el número de pares de iones producidos por la ionización primaria proporciona el factor de amplificación de gas (denotado por A). La amplificación de gas que ocurre en esta región puede aumentar la cantidad total de ionización a un valor medible. El proceso de amplificación de carga mejora enormemente la relación señal / ruido del detector y reduce la subsiguiente amplificación electrónica requerida. Cuando los instrumentos se operan en la región proporcional, el voltaje debe mantenerse constante.Si un voltaje permanece constante, el factor de amplificación de gas tampoco cambia. Los instrumentos de detección de contador proporcional son muy sensibles a los bajos niveles de radiación. Además, los contadores proporcionales son capaces de identificar partículas y medir la energía (espectroscopía). Se pueden distinguir diferentes energías de radiación y diferentes tipos de radiación analizando la altura del pulso, ya que difieren significativamente en la ionización primaria.

Avalancha Townsend – Región Geiger-Mueller

En esta región, el voltaje es lo suficientemente alto como para proporcionar a los electrones primarios suficiente aceleración y energía para que puedan ionizar átomos adicionales del medio. Estos iones secundarios (amplificación de gas) formados también se aceleran causando un efecto conocido como avalanchas de Townsend. Estas avalanchas pueden ser activadas y propagadas por fotones emitidos por átomos excitados en la avalancha original. Como estos fotones no se ven afectados por el campo eléctrico, pueden interactuar lejos (por ejemplo, lateralmente al eje) de la avalancha primaria, todo el tubo Geiger participa en el proceso. Una señal fuerte ( el factor de amplificación puede alcanzar aproximadamente 10 ¹⁰) es producida por estas avalanchas con forma y altura independientemente de la ionización primaria y la energía del fotón detectado. El pulso de voltaje en este caso sería grande y fácilmente detectable ≈ 1.6 V.

La relación entre el voltaje aplicado y la altura del pulso en un detector es muy compleja. La altura del pulso y el número de pares de iones recogidos están directamente relacionados. Como se escribió, los voltajes pueden variar ampliamente según la geometría del detector y el tipo de gas y la presión. La figura indica esquemáticamente las diferentes regiones de voltaje para los rayos alfa, beta y gamma. Hay seis regiones operativas principales, donde tres (ionización, proporcional y región de Geiger-Mueller) son útiles para detectar la radiación ionizante. Estas requisitos se muestran a continuación. La curva alfa es más alta que la curva beta y gamma desde la región de recombinación a parte de la región de proporcionalidad limitada debido al mayor número de pares de iones producidos por la reacción inicial de la radiación incidente.

• Región de recombinación. A bajo voltaje, el campo eléctrico no es lo suficientemente grande como para acelerar electrones e iones. Los electrones e iones pueden recombinarse poco después de su producción, y solo una pequeña fracción de los electrones e iones producidos alcanza sus respectivos electrodos. Sin embargo, a medida que aumenta el voltaje del detector, una fracción cada vez mayor de los iones producidos llegará a los electrodos. Este aumento continúa hasta que se alcanza el voltaje de «saturación». El rango de voltaje operativo donde esto ocurre se denomina región de recombinación . Los detectores no funcionan en esta región, porque ni el número de recombinaciones ni el número de pares de iones producidos inicialmente se pueden determinar con precisión.
• Región de ionización . En la región de ionización, un aumento en el voltaje no causa un aumento sustancial en el número de pares de iones recogidos. El número de pares de iones recogidos por los electrodos es igual al número de pares de iones producidos por la radiación incidente, y depende del tipo y la energía de las partículas o rayos en la radiación incidente. Por lo tanto, en esta región la curva es plana. El voltaje debe ser mayor que el punto donde los pares de iones disociados pueden recombinarse. Por otro lado, el voltaje no es lo suficientemente alto como para producir amplificación de gas (ionización secundaria). Los detectores en la región de ionización funcionan a una intensidad de campo eléctrico baja, seleccionada de tal manera que no se produzca la multiplicación de gases . Su corriente es independiente del voltaje aplicado, y sonson preferibles para altas tasas de dosis de radiación porque no tienen «tiempo muerto», un fenómeno que afecta la precisión del tubo Geiger-Mueller a altas tasas de dosis.

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  Región proporcional . En la región proporcional, la carga recolectada aumenta con un aumento adicional en el voltaje del detector, mientras que el número de pares de iones primarios permanece sin cambios. Al aumentar el voltaje, los electrones primarios tienen suficiente aceleración y energía para que puedan ionizar átomos adicionales del medio. Estos iones secundarios formados también se aceleran causando un efecto conocido como avalanchas de Townsend , que crea un solo pulso eléctrico grande. Aunque hay una gran cantidad de iones secundarios (aproximadamente 10 ³ – 10 ⁵ ) para cada evento primario, la cámara siempre funciona de manera tal que la cantidad de iones secundarios es proporcionala la cantidad de eventos primarios. Es muy importante, porque la ionización primaria depende del tipo y la energía de las partículas o rayos en el campo de radiación interceptado. El número de pares de iones recogidos dividido por el número de pares de iones producidos por la ionización primaria proporciona el factor de amplificación de gas (denotado por A). La amplificación de gas que ocurre en esta región puede aumentar la cantidad total de ionización a un valor medible. El proceso de amplificación de carga mejora enormemente la relación señal / ruido del detector y reduce la subsiguiente amplificación electrónica requerida. Cuando los instrumentos se operan en la región proporcional, el voltaje debe mantenerse constante.Si un voltaje permanece constante, el factor de amplificación de gas tampoco cambia. Los instrumentos de detección de contador proporcional son muy sensibles a los bajos niveles de radiación. Además, los contadores proporcionales son capaces de identificar partículas y medir la energía (espectroscopía). Se pueden distinguir diferentes energías de radiación y diferentes tipos de radiación analizando la altura del pulso, ya que difieren significativamente en la ionización primaria.

• Región proporcional limitada . En la región proporcional limitada, el factor de amplificación de gas no continúa aumentando proporcionalmente al voltaje. Las ionizaciones adicionales y los efectos no lineales provocan que no haya proporcionalidad de la señal de salida a la energía depositada a un voltaje aplicado dado. El campo eléctrico en la cámara está distorsionado debido a la alta concentración de iones positivos. Los electrones libres son mucho más livianos que los iones positivos, por lo tanto, son atraídos hacia el electrodo central positivo mucho más rápido que los iones positivos hacia la pared de la cámara. La nube resultante de iones positivos cerca del electrodo conduce a distorsiones en la multiplicación de gases. Esta región generalmente se evita como una región de detección.

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  Región Geiger-Mueller . En la región de Geiger-Mueller, el voltaje y, por lo tanto, el campo eléctrico es tan fuerte que pueden ocurrir avalanchas secundarias. Estas avalanchas pueden ser activadas y propagadas por fotones emitidos por átomos excitados en la avalancha original. Como estos fotones no se ven afectados por el campo eléctrico, pueden interactuar lejos (por ejemplo, lateralmente al eje) de la avalancha primaria, todo el tubo Geiger participa en el proceso. Una señal fuerte (el factor de amplificación puede alcanzar aproximadamente 10 ¹⁰) es producida por estas avalanchas con forma y altura independientemente de la ionización primaria y la energía del fotón detectado. Los detectores, que funcionan en la región de Geiger-Mueller, son capaces de detectar rayos gamma, y ​​también de todo tipo de partículas cargadas, que pueden ingresar al detector. Estos detectores se conocen como contadores Geiger . La principal ventaja de estos instrumentos es que generalmente no requieren ningún amplificador de señal. Dado que los iones positivos no se alejan de la región de avalancha, una nube de iones cargada positivamente perturba el campo eléctrico y termina el proceso de avalancha. En la práctica, la terminación de la avalancha se mejora mediante el uso de » enfriamiento ««Técnicas. A diferencia de los contadores proporcionales, los contadores Geiger no pueden distinguir la energía o incluso la partícula de radiación incidente, ya que la señal de salida es independiente de la cantidad y el tipo de ionización original.

• Región de descarga . Finalmente, a voltajes aún más altos (por encima de la región de Geiger-Mueller), el campo eléctrico genera una descarga continua del medio, y la cámara ya no es sensible a ninguna ionización incidente. Esta región no se usa para la detección o medición de radiación ionizante. Si el voltaje del tubo Geiger se incrementa por encima del final de la meseta, la tasa de conteo comienza a aumentar rápidamente nuevamente, hasta el inicio de una descarga continua donde el tubo no puede detectar radiación y puede dañarse.

Tipos de detectores de radiación ionizante

Como resultado, hay tres tipos básicos de detectores de ionización gaseosa , que se clasifican de acuerdo con el voltaje aplicado al detector:

• cámaras de ionización,
• contadores proporcionales,
• Tubos Geiger-Müller.

Al igual que con otros detectores, las cámaras de ionización pueden funcionar en modo de corriente o pulso. En contraste, los contadores proporcionales o los contadores Geiger casi siempre se usan en modo de pulso. Los detectores de radiación ionizante se pueden usar tanto para medir la actividad como para medir la dosis. Con el conocimiento sobre la energía necesaria para formar un par de iones, se puede obtener la dosis.

Principios de detectores

En sus principios básicos de funcionamiento, la mayoría de los  detectores  de radiación ionizante siguen características similares. Los detectores de radiación ionizante constan de  dos partes  que generalmente están conectadas. La primera parte consiste en un  material sensible , que consiste en un compuesto que experimenta cambios cuando se expone a la radiación. El otro componente es un dispositivo que convierte estos cambios en señales medibles. . Todos los detectores requieren que la radiación deposite parte de su energía en material sensible que forme parte del instrumento. La radiación ingresa al detector, interactúa con los átomos del material del detector y deposita algo de energía en el material sensible. Cada evento puede generar una señal, que puede ser un pulso, agujero, señal de luz, pares de iones en un gas y muchos otros. La tarea principal es generar suficiente señal, amplificarla y grabarla.

Descripción de detectores de ionización gaseosa

La camaratiene un cátodo y un ánodo que se mantienen a un voltaje relativo grande, y el dispositivo se caracteriza por una capacitancia que está determinada por la geometría de los electrodos. A medida que la radiación ionizante ingresa al gas entre los electrodos, se forma un número finito de pares de iones. El comportamiento de los pares de iones resultantes se ve afectado por el gradiente potencial del campo eléctrico dentro del gas y el tipo y la presión del gas de relleno. Bajo la influencia del campo eléctrico, los iones positivos se moverán hacia el electrodo cargado negativamente (cilindro externo), y los iones negativos (electrones) migrarán hacia el electrodo positivo (cable central). El campo eléctrico en esta región evita que los iones se recombinen con los electrones. La colección de estos iones producirá una carga en los electrodos y un pulso eléctrico a través del circuito de detección. En el aire, la energía promedio necesaria para producir un ion es de aproximadamente 34 eV, por lo tanto, una radiación de 1 MeV completamente absorbida en el detector produce aproximadamente 3 x 10⁴ pares de iones. Sin embargo, es una señal pequeña, esta señal puede amplificarse considerablemente usando electrónica estándar.

Tipos de detectores de radiación ionizante

Como resultado, hay tres tipos básicos de detectores de ionización gaseosa , que se clasifican de acuerdo con el voltaje aplicado al detector:

• cámaras de ionización,
• contadores proporcionales,
• Tubos Geiger-Müller.

Al igual que con otros detectores, las cámaras de ionización pueden funcionar en modo de corriente o pulso. En contraste, los contadores proporcionales o los contadores Geiger casi siempre se usan en modo de pulso. Los detectores de radiación ionizante se pueden usar tanto para medir la actividad como para medir la dosis. Con el conocimiento sobre la energía necesaria para formar un par de iones, se puede obtener la dosis.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

Supongamos los detectores de ionización gaseosa . El detector básico de ionización gaseosa consta de una cámaraque se llena con un medio adecuado (aire o un gas de relleno especial) que se puede ionizar fácilmente. Como regla general, el cable central es el electrodo positivo (ánodo) y el cilindro externo es el electrodo negativo (cátodo), de modo que los electrones (negativos) son atraídos hacia el cable central y los iones positivos son atraídos hacia el cilindro externo. El ánodo tiene un voltaje positivo con respecto a la pared del detector. A medida que la radiación ionizante ingresa al gas entre los electrodos, se forma un número finito de pares de iones. Bajo la influencia del campo eléctrico, los iones positivos se moverán hacia el electrodo cargado negativamente (cilindro externo), y los iones negativos (electrones) migrarán hacia el electrodo positivo (cable central). La colección de estos iones producirá una carga en los electrodos y un pulso eléctrico a través del circuito de detección.amplificado , y luego grabado usando electrónica estándar.

Relación señal a ruido

La relación señal / ruido, SNR, es una medida utilizada en ciencia e ingeniería que compara la señal de salida eléctrica con el ruido eléctrico generado en el tendido del cable o en la instrumentación.

Relación señal / ruido: detectores de germanio

La absorción total de un fotón de 1 MeV produce alrededor de 3 x 10 ⁵ pares de electrones. Este valor es menor en comparación con el número total de portadores libres en un semiconductor intrínseco de 1 cm ³ .

La partícula que pasa a través del detector ioniza los átomos del semiconductor, produciendo los pares de electrones. Pero en los detectores basados ​​en germanio a temperatura ambiente, la excitación térmica es dominante. Es causada por impurezas, irregularidades en la estructura reticular o por dopante. Depende en gran medida de la _brecha E (una distancia entre la valencia y la banda de conducción), que es muy baja para el germanio (Egap = 0,67 eV). Dado que la excitación térmica produce el ruido del detector, se requiere enfriamiento activo para algunos tipos de semiconductores (por ejemplo, germanio).

Tenga en cuenta que una muestra de 1 cm ³ de germanio puro a 20 ° C contiene aproximadamente 4.2 × 10 ²² átomos, pero también contiene aproximadamente 2.5 x 10 ¹³ electrones libres y 2.5 x 10 ¹³ agujeros. . Como se puede ver, la relación señal / ruido (S / N) sería mínima. La adición de 0.001% de arsénico (una impureza) dona un extra de 10 ¹⁷electrones libres en el mismo volumen y la conductividad eléctrica se incrementa en un factor de 10,000. En material dopado, la relación señal / ruido (S / N) sería aún menor. Debido a que el germanio tiene un intervalo de banda relativamente bajo, estos detectores deben enfriarse para reducir la generación térmica de portadores de carga (por lo tanto, invertir la corriente de fuga) a un nivel aceptable. De lo contrario, el ruido inducido por la corriente de fuga destruye la resolución energética del detector.

La discriminación en los circuitos de detección de radiación se refiere al proceso de distinguir entre diferentes tipos de radiación en función de la altura del pulso. Un circuito discriminador selecciona la altura de pulso mínima o máxima que se debe contar. Por ejemplo, se usa un circuito discriminador en el detector de neutrones para distinguir los pulsos grandes de la ionización alfa (la absorción de neutrones en el detector produce partículas alfa) de las mucho más pequeñas que serían causadas por los rayos gamma.

Referencia especial: Departamento de Energía, Instrumentación y Control de EE. UU. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 de 2. Junio ​​de 1992.

Principios básicos de los detectores

Hay tres tipos principales de detectores, que registran diferentes tipos de señales.

• Contador . La actividad o intensidad de la radiación se mide en conteos por segundo (cps). El contador más conocido es el contador Geiger-Müller. En los contadores de radiación, la señal generada a partir de la radiación incidente se crea contando el número de interacciones que ocurren en el volumen sensible del detector.
• Espectrómetro de radiación . Los espectrómetros son dispositivos diseñados para medir la distribución de potencia espectral de una fuente. La radiación incidente genera una señal que permite determinar la energía de la partícula incidente.
• Dosímetro . Un dosímetro de radiación es un dispositivo que mide la exposición a la radiación ionizante. Los dosímetros generalmente registran una dosis, que es la energía de radiación absorbida medida en grises (Gy) de la dosis equivalente medida en sieverts (Sv). Un dosímetro personal es un dosímetro, que la persona que está monitoreando usa en la superficie del cuerpo, y registra la dosis de radiación recibida.

Todos estos tipos de equipos requieren que las radiaciones den como resultado cambios observables en un compuesto (ya sea gas, líquido o sólido). En sus principios básicos de funcionamiento, la mayoría de los detectores de radiación ionizante siguen características similares. Los detectores de radiación ionizante  constan de dos partes que generalmente están conectadas. La primera parte consiste en un  material sensible., que consiste en un compuesto que experimenta cambios cuando se expone a la radiación. El otro componente es un dispositivo que convierte estos cambios en señales medibles. Todos los detectores requieren que la radiación deposite parte de su energía en material sensible que forme parte del instrumento. La radiación ingresa al detector, interactúa con los átomos del material del detector y deposita algo de energía en el material sensible. Cada evento puede generar una señal, que puede ser un pulso, agujero, señal de luz, pares de iones en un gas y muchos otros. La tarea principal es generar suficiente señal, amplificarla y grabarla.

En esta sección describimos varios tipos diferentes de instrumentos de medición de radiación. Nos centramos en la primera parte, que consiste en un material sensible. Los detectores pueden clasificarse de acuerdo con materiales y métodos sensibles que pueden utilizarse para realizar una medición:

• Detectores de ionización gaseosa
• Detectores de centelleo
• Detectores de semiconductores
• Insignias de cine
• TLD

Supongamos los detectores de ionización gaseosa . El detector básico de ionización gaseosa consta de una cámaraque se llena con un medio adecuado (aire o un gas de relleno especial) que se puede ionizar fácilmente. Como regla general, el cable central es el electrodo positivo (ánodo) y el cilindro externo es el electrodo negativo (cátodo), de modo que los electrones (negativos) son atraídos hacia el cable central y los iones positivos son atraídos hacia el cilindro externo. El ánodo tiene un voltaje positivo con respecto a la pared del detector. A medida que la radiación ionizante ingresa al gas entre los electrodos, se forma un número finito de pares de iones. Bajo la influencia del campo eléctrico, los iones positivos se moverán hacia el electrodo cargado negativamente (cilindro externo), y los iones negativos (electrones) migrarán hacia el electrodo positivo (cable central). La recolección de estos iones producirá una carga en los electrodos y un pulso eléctrico a través del circuito de detección.amplificado , y luego grabado usando electrónica estándar.

¿Qué es la ionización?

La ionización es el proceso en el que un átomo o una molécula gana o pierde electrones para formar iones cargados. La ionización puede ser el resultado de la pérdida de un electrón después de colisiones con partículas subatómicas energéticas, colisiones con otros átomos, moléculas e iones, o mediante la interacción con radiación electromagnética. En general, la radiación ionizante es cualquier radiación (partículas u ondas electromagnéticas) que transporta suficiente energía para eliminar electrones de átomos o moléculas, ionizándolos. Para la radiación ionizante, la energía cinética de las partículas ( fotones, electrones, etc. ) es suficiente y la partícula puede ionizar (para formar iones perdiendo electrones) átomos objetivo para formar iones.

El límite entre las radiaciones ionizantes y no ionizantes no está claramente definido, ya que diferentes moléculas y átomos se ionizan a diferentes energías. Los rayos gamma , los rayos X y la parte ultravioleta superior del espectro son ionizantes, mientras que la luz ultravioleta inferior, la luz visible (incluida la luz láser), el infrarrojo, las microondas y las ondas de radio se consideran radiaciones no ionizantes.

Energía de ionización

La energía de ionización , también llamada  potencial de ionización , es la energía necesaria para  eliminar un electrón  del átomo neutro.

X + energía → X ⁺  + e ^–

donde X es cualquier átomo o molécula capaz de ionizarse, X ⁺  es ese átomo o molécula con un electrón eliminado (ion positivo), y e ^–  es el electrón eliminado.

Un átomo de nitrógeno, por ejemplo, requiere la siguiente energía de ionización para eliminar el electrón más externo.

N + IE → N ⁺  + e ^–         IE = 14.5 eV

La energía de ionización asociada con la eliminación del primer electrón se usa con mayor frecuencia. El  n energía º ionización se refiere a la cantidad de energía requerida para quitar un electrón de la especie con una carga de ( n -1).

1ra energía de ionización

X → X ⁺  + e ^–

2da energía de ionización

X ⁺  → X ²⁺  + e ^–

3ra energía de ionización

X ²⁺  → X ³⁺  + e ^–

Energía de ionización para diferentes elementos

Hay una energía de ionización por cada electrón sucesivo eliminado. Los electrones que rodean el núcleo se mueven en órbitas bastante bien definidas. Algunos de estos electrones están más unidos en el átomo que otros. Por ejemplo, solo se requieren 7.38 eV para eliminar el electrón más externo de un átomo de plomo, mientras que se requieren 88,000 eV para eliminar el electrón más interno. Ayuda a comprender la reactividad de los elementos (especialmente metales, que pierden electrones).

En general, la energía de ionización aumenta al subir un grupo y moverse de izquierda a derecha durante un período. Además:

• La energía de ionización  es más baja para los metales alcalinos que tienen un solo electrón fuera de una capa cerrada.
• La energía de ionización  aumenta en una fila en el máximo periódico para los gases nobles que tienen conchas cerradas

Por ejemplo, el sodio requiere solo 496 kJ / mol o 5.14 eV / átomo para ionizarlo. Por otro lado, el neón, el gas noble, que lo precede inmediatamente en la tabla periódica, requiere 2081 kJ / mol o 21.56 eV / átomo.

El peligro de la radiación ionizante radica en el hecho de que la radiación es invisible y no es directamente detectable por los sentidos humanos. La gente no puede ver ni sentir radiación, pero deposita energía en las moléculas de material. La energía se transfiere en pequeñas cantidades para cada interacción entre la radiación y una molécula y generalmente hay muchos tipos de interacciones . Por lo tanto, la única forma en que puede detectar y medir la radiación es usar instrumentos ( detectores de radiación ionizante ).

El conocimiento detallado sobre la detección de radiación es muy importante en muchas ramas de la ingeniería, incluida la protección radiológica. La mayoría de los experimentos nucleares o de partículas modernos utilizan una variedad de detectores sofisticados para medir y detectar partículas subatómicas . Para ser detectada, una partícula debe dejar algún rastro de su presencia en un detector. Las partículas en su mayoría depositan energía a lo largo de su camino. El conocimiento de esta interacción, cómo las diferentes partículas depositan energía en la materia y cuánta energía depositan las partículas, es fundamental para nuestra comprensión de muchos problemas. Este capítulo le dará una comprensión básica de cómo funcionan estos detectores y algunas de sus limitaciones.

¿Qué es la ionización?

La ionización es el proceso en el que un átomo o una molécula gana o pierde electrones para formar iones cargados. La ionización puede ser el resultado de la pérdida de un electrón después de colisiones con partículas subatómicas energéticas, colisiones con otros átomos, moléculas e iones, o mediante la interacción con radiación electromagnética. En general, la radiación ionizante es cualquier radiación (partículas u ondas electromagnéticas) que transporta suficiente energía para eliminar electrones de átomos o moléculas, ionizándolos. Para la radiación ionizante, la energía cinética de las partículas ( fotones, electrones, etc. ) es suficiente y la partícula puede ionizar (para formar iones perdiendo electrones) átomos objetivo para formar iones.

El límite entre las radiaciones ionizantes y no ionizantes no está claramente definido, ya que diferentes moléculas y átomos se ionizan a diferentes energías. Los rayos gamma , los rayos X y la parte ultravioleta superior del espectro son ionizantes, mientras que la luz ultravioleta inferior, la luz visible (incluida la luz láser), el infrarrojo, las microondas y las ondas de radio se consideran radiaciones no ionizantes.

Principios básicos de los detectores

Hay tres tipos principales de detectores, que registran diferentes tipos de señales.

• Contador . La actividad o intensidad de la radiación se mide en conteos por segundo (cps). El contador más conocido es el contador Geiger-Müller. En los contadores de radiación, la señal generada a partir de la radiación incidente se crea contando el número de interacciones que se producen en el volumen sensible del detector.
• Espectrómetro de radiación . Los espectrómetros son dispositivos diseñados para medir la distribución de potencia espectral de una fuente. La radiación incidente genera una señal que permite determinar la energía de la partícula incidente.
• Dosímetro . Un dosímetro de radiación es un dispositivo que mide la exposición a la radiación ionizante. Los dosímetros generalmente registran una dosis, que es la energía de radiación absorbida medida en grises (Gy) de la dosis equivalente medida en sieverts (Sv). Un dosímetro personal es dosímetro, que la persona que se está monitoreando usa en la superficie del cuerpo, y registra la dosis de radiación recibida.

Todos estos tipos de equipos requieren que las radiaciones den como resultado cambios observables en un compuesto (ya sea gas, líquido o sólido). En sus principios básicos de funcionamiento, la mayoría de los detectores de radiación ionizante siguen características similares. Los detectores de radiación ionizante  constan de dos partes que generalmente están conectadas. La primera parte consiste en un  material sensible., que consiste en un compuesto que experimenta cambios cuando se expone a la radiación. El otro componente es un dispositivo que convierte estos cambios en señales medibles. Todos los detectores requieren que la radiación deposite parte de su energía en material sensible que forme parte del instrumento. La radiación ingresa al detector, interactúa con los átomos del material del detector y deposita algo de energía en el material sensible. Cada evento puede generar una señal, que puede ser un pulso, un agujero, una señal de luz, pares de iones en un gas y muchos otros. La tarea principal es generar suficiente señal, amplificarla y grabarla.

Supongamos los detectores de ionización gaseosa . El detector básico de ionización gaseosa consta de una cámaraque se llena con un medio adecuado (aire o un gas de relleno especial) que se puede ionizar fácilmente. Como regla general, el cable central es el electrodo positivo (ánodo) y el cilindro externo es el electrodo negativo (cátodo), de modo que los electrones (negativos) son atraídos hacia el cable central y los iones positivos son atraídos hacia el cilindro externo. El ánodo tiene un voltaje positivo con respecto a la pared del detector. A medida que la radiación ionizante ingresa al gas entre los electrodos, se forma un número finito de pares de iones. Bajo la influencia del campo eléctrico, los iones positivos se moverán hacia el electrodo cargado negativamente (cilindro externo), y los iones negativos (electrones) migrarán hacia el electrodo positivo (cable central). La recolección de estos iones producirá una carga en los electrodos y un pulso eléctrico a través del circuito de detección.amplificado , y luego grabado usando electrónica estándar.

La cámara de ionización , también conocida como la cámara de iones , es un dispositivo eléctrico que detecta varios tipos de radiación ionizante . El voltaje del detector se ajusta de modo que las condiciones correspondan a la región de ionización . El voltaje no es lo suficientemente alto como para producir amplificación de gas (ionización secundaria). Los detectores en la región de ionización funcionan con una intensidad de campo eléctrico baja, seleccionada de tal manera que no se produzca la multiplicación de gases. La carga recolectada (señal de salida) es independiente del voltaje aplicado y, para partículas individuales de ionización mínima, tiende a ser bastante pequeña y generalmente requiere amplificadores especiales de bajo ruido para lograr un rendimiento operativo eficiente. Se prefieren las cámaras de ionización.para altas tasas de dosis de radiación porque no tienen «tiempo muerto», un fenómeno que afecta la precisión del tubo Geiger-Mueller a altas tasas de dosis. Esto se debe al hecho de que no hay una amplificación inherente de la señal en el medio operativo y, por lo tanto, este tipo de contadores no requieren mucho tiempo para recuperarse de las grandes corrientes. Además, debido a que no hay amplificación, proporcionan una excelente resolución energética, que está limitada principalmente por el ruido electrónico.

Las cámaras de ionización pueden funcionar en modo actual o de pulso . En contraste, los contadores proporcionales o los contadores Geiger casi siempre se usan en modo de pulso. Los detectores de radiación ionizante se pueden usar tanto para medir la actividad como para medir la dosis. Con el conocimiento sobre la energía necesaria para formar un par de iones, se puede obtener la dosis.

Principio básico de las cámaras de ionización

La cámara tiene un cátodo y un ánodo que se mantienen a algún voltaje (quizás 100-200 V), y el dispositivo se caracteriza por una capacitancia que está determinada por la geometría de los electrodos. Se pueden utilizar placas planas o cilindros concéntricos en la construcción de una cámara de ionización. Se prefiere el diseño de placa plana porque tiene un volumen activo bien definido y garantiza que los iones no se acumulen en los aisladores y causen una distorsión del campo eléctrico. A medida que la radiación ionizante ingresa al gas entre los electrodos, un número finito de pares de ionesestán formados. El comportamiento de los pares de iones resultantes se ve afectado por el gradiente potencial del campo eléctrico dentro del gas y el tipo y la presión del gas de relleno. Bajo la influencia del campo eléctrico, los iones positivos se moverán hacia el electrodo cargado negativamente (cilindro externo o placa), y los iones negativos (electrones) migrarán hacia el electrodo positivo (cable central o placa). El campo eléctrico en esta región evita que los iones se recombinen con los electrones. La colección de estos iones producirá una carga en los electrodos y un pulso eléctrico a través del circuito de detección. En el aire, la energía promedio necesaria para producir un ion es de aproximadamente 34 eV, por lo tanto, una radiación de 1 MeV completamente absorbida en el detector produce aproximadamente 3 x 10 ⁴ pares de iones. Sin embargo, es una señal pequeña, esta señal puede amplificarse considerablemente usando electrónica estándar. Una corriente de 1 microamperio consta de aproximadamente 10 ¹² electrones por segundo.

La construcción de la cámara de ionización difiere del contador proporcional. Se prefiere el diseño de placa plana para las cámaras de ionización, o se pueden utilizar cilindros concéntricos en la construcción para permitir la integración de los pulsos producidos por la radiación incidente. Los contadores proporcionales y los contadores Geiger generalmente utilizan cilindro y electrodo central. El contador proporcional requeriría un control tan exacto del campo eléctrico entre los electrodos que no sería práctico.

Detección de radiación alfa usando la cámara de ionización

Para que las partículas alfa y beta sean detectadas por las cámaras de ionización, deben estar provistas de una ventana delgada . Esta «ventana final» debe ser lo suficientemente delgada para que las partículas alfa y beta puedan penetrar. Sin embargo, una ventana de casi cualquier espesor evitará que una partícula alfa ingrese a la cámara. La ventana generalmente está hecha de mica con una densidad de aproximadamente 1.5 – 2.0 mg / cm ² . Pero eso no significa que la radiación alfa no puede ser detectada por una cámara de ionización.

Por ejemplo, en algún tipo de detectores de humo, puede encontrar radionucleidos artificiales como el americio-241, que es una fuente de partículas alfa. El detector de humo tiene dos cámaras de ionización, una abierta al aire y una cámara de referencia que no permite la entrada de partículas. La fuente radiactiva emite partículas alfa en ambas cámaras, lo que ioniza algunas moléculas de aire. La cámara de aire libre permite la entrada de partículas de humo al volumen sensible y para cambiar la atenuación de las partículas alfa. Si alguna partícula de humo ingresa a la cámara de aire libre, algunos de los iones se unirán a las partículas y no estarán disponibles para transportar la corriente en esa cámara. Un circuito electrónico detecta que se ha desarrollado una diferencia de corriente entre las cámaras abiertas y selladas, y hace sonar la alarma.

Detección de radiación beta usando cámara de ionización

Para que las partículas alfa y beta sean detectadas por las cámaras de ionización, deben estar provistas de una ventana delgada. Esta «ventana final» debe ser lo suficientemente delgada para que las partículas alfa y beta puedan penetrar. Sin embargo, una ventana de casi cualquier espesor evitará que una partícula alfa ingrese a la cámara. La ventana generalmente está hecha de mica con una densidad de aproximadamente 1.5 – 2.0 mg / cm ² .

La cámara de ionización puede usarse, por ejemplo, para medir el tritio en el aire. Estos dispositivos se conocen como monitores de tritio en el aire. El tritio es un isótopo radiactivo, pero emite una forma muy débil de radiación, una partícula beta de baja energía que es similar a un electrón. Es un emisor beta puro (es decir, un emisor beta sin una radiación gamma que lo acompañe ). La energía cinética del electrón varía, con un promedio de 5,7 keV, mientras que el antineutrino electrónico casi indetectable se lleva la energía restante.. Una energía de electrones tan baja causa que el electrón no pueda penetrar en la piel o incluso no viajar muy lejos en el aire. Las partículas beta del tritio pueden penetrar solo alrededor de 6.0 mm de aire. Es prácticamente imposible diseñar un detector cuyas paredes puedan penetrar estas partículas beta. En cambio, el monitor de tritio en el aire bombea el aire contaminado con tritio a través de una cámara de ionización, de modo que toda la energía de las partículas beta se puede convertir útilmente para producir pares de iones dentro de la cámara.

Detección de radiación gamma utilizando la cámara de ionización

Los rayos gamma tienen muy pocos problemas para penetrar las paredes metálicas de la cámara. Por lo tanto, las cámaras de ionización pueden usarse para detectar radiación gamma y rayos X colectivamente conocidos como fotones, y para esto se usa el tubo sin ventanas. Las cámaras de ionización tienen una buena respuesta uniforme a la radiación en una amplia gama de energías y son los medios preferidos para medir altos niveles de radiación gamma. Algunos problemas son causados ​​por el hecho de que las partículas alfa son más ionizantes que las partículas beta y que los rayos gamma, por lo que se produce más corriente en la región de la cámara de ionización por alfa que beta y gamma. Los rayos gamma depositan una cantidad de energía significativamente menor en el detector que otras partículas.

La eficiencia de la cámara se puede aumentar aún más mediante el uso de un gas a alta presión. Típicamente, se puede usar una presión de 8-10 atmósferas, y se emplean varios gases nobles. Por ejemplo, las cámaras de ionización de xenón de alta presión (HPXe) son ideales para su uso en entornos no controlados, ya que se ha demostrado que la respuesta del detector es uniforme en grandes rangos de temperatura (20-170 ° C). La mayor presión da como resultado una mayor densidad de gas y, por lo tanto, una mayor posibilidad de colisión con el gas de relleno y la creación de pares de iones por la radiación gamma incidente. Debido al aumento del grosor de la pared requerido para soportar esta alta presión, solo se puede detectar la radiación gamma. Estos detectores se utilizan en medidores topográficos y para monitoreo ambiental.

Detección de neutrones usando la cámara de ionización

Como los neutrones son partículas eléctricamente neutras, están sujetos principalmente a fuertes fuerzas nucleares pero no a fuerzas eléctricas. Por lo tanto, los neutrones no son directamente ionizantes y generalmente tienen que convertirse en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. En general, cada tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor (para convertir la radiación de neutrones en radiación detectable común) y uno de los detectores de radiación convencionales (detector de centelleo, detector gaseoso, detector de semiconductores, etc.).

Las cámaras de ionización se utilizan a menudo como dispositivo de detección de partículas cargadas. Por ejemplo, si la superficie interna de la cámara de ionización está recubierta con una capa delgada de boro, la reacción (n, alfa) puede tener lugar. La mayoría de las reacciones (n, alfa) de los neutrones térmicos son reacciones 10B (n, alfa) 7Li acompañadas de una emisión gamma de 0.48 MeV .

Además, el isótopo boro-10 tiene una sección transversal de reacción alta (n, alfa) a lo largo de todo el espectro de energía de neutrones . La partícula alfa causa ionización dentro de la cámara, y los electrones expulsados ​​causan más ionizaciones secundarias.

Otro método para detectar neutrones usando una cámara de ionización es usar el trifluoruro de boro gaseoso (BF ₃ ) en lugar de aire en la cámara. Los neutrones entrantes producen partículas alfa cuando reaccionan con los átomos de boro en el gas detector. Cualquiera de los dos métodos puede usarse para detectar neutrones en un reactor nuclear. Cabe señalar que los contadores BF ₃ generalmente se operan en la región proporcional.