Nick Connor

Los detectores de ionización gaseosa son instrumentos de detección de radiación utilizados en aplicaciones de protección contra la radiación para medir la radiación ionizante, y también en física de partículas para detectar la presencia de partículas ionizantes. Estos detectores están diseñados para medir la ionización producida cuando una partícula incidente atraviesa algún medio, se basan en el efecto ionizante de la radiación. Para que se produzca radiación ionizante, la energía cinética de las partículas ( fotones, electrones, etc. ) de la radiación ionizante es suficiente y la partícula puede ionizar (para formar iones perdiendo electrones) átomos objetivo para formar iones. La simple radiación ionizante puede eliminar electrones de un átomo.

El detector básico de ionización gaseosa consiste en una cámara que se llena con un medio adecuado (aire o un gas de llenado especial) que se puede ionizar fácilmente. Los tipos más utilizados de estos detectores se basan en los efectos producidos cuando una partícula cargada pasa a través de un gas. El medio operativo:

• debe ser químicamente estable (o inerte) para que los electrones de ionización en movimiento no sean capturados fácilmente por las moléculas de ese medio
• debe tener un valor bajo de potencial de ionización (I) para maximizar la cantidad de ionización producida por energía depositada por cualquier partícula incidente.
• no debe ser muy sensible al daño por radiación para que su respuesta a las partículas incidentes no cambie notablemente con el uso.

Los gases típicos utilizados en los detectores son argón y helio , aunque el trifluoruro de boro  (BF ₃ ) se utiliza cuando el detector se utiliza para medir neutrones. Los detectores de ionización gaseosa se usan ampliamente en plantas de energía nuclear, en su mayor parte, para medir partículas alfa y beta , neutrones y rayos gamma . Los detectores operan en las regiones de ionización, proporcionales y Geiger-Mueller con una disposición más sensible al tipo de radiación que se mide. Los detectores de neutrones utilizan cámaras de ionización o contadores proporcionales de diseño apropiado. Cámaras de iones compensados, BF ₃ Los contadores, los contadores de fisión y los contadores de retroceso de protones son ejemplos de detectores de neutrones.

Principio básico de los 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.

Regiones de funcionamiento de detectores ionizantes – Voltaje del detector

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.
• 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.
• 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.

Se utilizan diversos instrumentos y dispositivos para la detección de radiación. En general, los detectores de radiación ionizante se pueden clasificar según su finalidad. Su propósito está estrechamente relacionado con la señal generada en el detector. 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

Principios básicos de los 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, 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.

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.

Discriminado

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 utiliza 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.

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.

Principios básicos de los 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.

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.

Clasificación de detectores de radiación – Propósito

En general, los detectores de radiación ionizante pueden clasificarse según su finalidad. Su propósito está estrechamente relacionado con la señal generada en el detector. 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.

Clasificación de detectores de radiación – Tipo de radiación

Los principios y métodos para la detección de radiación ionizante dependen de muchos factores. El tipo de radiación medida y detectada es un factor clave, y se utilizan diferentes tipos de detectores en diferentes estados físicos (sólido, líquido o gaseoso) para medir tipos selectivos de radiación ionizante. Es importante distinguir entre partículas alfa o beta , rayos X o rayos γ y neutrones.. Como cada radiación interactúa de manera diferente con la materia, no podemos usar, por ejemplo, un detector de neutrones para detectar la radiación beta. A veces, los detectores pueden detectar varios tipos de radiación, por ejemplo, los detectores de neutrones también pueden detectar radiación gamma. Por lo general, esta característica no es deseable, y los detectores deben compensar el componente indeseable de la radiación.

Para describir la clasificación de los detectores de radiación por tipo de radiación, debemos comprender las interacciones de la radiación con la materia . Cada tipo de partícula interactúa de manera diferente , por lo tanto, debemos describir la interacción de las partículas (la radiación como un flujo de estas partículas) por separado. Por ejemplo, las partículas cargadas con altas energías pueden ionizar átomos directamente. Por otro lado, las partículas eléctricamente neutras interactúan solo indirectamente, pero también pueden transferir parte o la totalidad de sus energías a la materia. Esta es la característica clave de la categorización de los detectores de radiación. Simplemente, no podemos usar un detector de rayos gamma para detectar la radiación alfa. Los detectores se pueden clasificar en dos tipos generales de la siguiente manera:

• Detección de radiación ionizante directa
  • Radiación alfa
  • Radiación beta
• Detección de radiación ionizante indirecta
  • Radiación gamma
  • Radiación de neutrones
  • Neutrinos

El ciclo de vida de neutrones cuantifica los procesos físicos de neutrones más importantes que ocurren en el  reactor nuclear . En el reactor, los neutrones se producen como neutrones rápidos y la mayoría de ellos se absorben después de la termalización. Hay seis procesos (factores)  que describen la capacidad de multiplicación inherente del sistema. Cuatro de ellos son completamente independientes del tamaño y la forma del reactor y estos son:

• La fisión rápida . El proceso de fisión rápida está en el factor de multiplicación caracterizado por el factor de fisión rápida , ε , que aumenta la población de neutrones rápidos en una generación de neutrones. El factor de fisión rápida se define como la relación entre los neutrones rápidos producidos por las fisión a todas las energías y el número de neutrones rápidos producidos en la fisión térmica.
• Escape de resonancia . La probabilidad de escape de resonancia , simbolizada por p, es la probabilidad de que un neutrón se desacelere a energía térmica y escape de la captura de resonancia . Esta probabilidad se define como la relación entre el número de neutrones que alcanzan las energías térmicas y el número de neutrones rápidos que comienzan a disminuir.
• Utilización térmica . El factor de utilización térmica , f , es la fracción de los neutrones térmicos que se absorben en el combustible nuclear , en todos los isótopos del combustible nuclear. Describe cuán efectivamente (qué tan bien se utilizan) son los neutrones térmicos absorbidos en el combustible. El valor del factor de utilización térmica viene dado por la relación entre el número de neutrones térmicos absorbidos en el combustible (todos los nucleidos) y el número de neutrones térmicos absorbidos en todo el material que forma el núcleo .
• Reproducción . El número de neutrones creados en la nueva generación está determinado por el factor de reproducción de neutrones . El factor de reproducción, η , se define como la relación entre el número de neutrones rápidos producidos por la fisión térmica y el número de neutrones térmicos absorbidos en el combustible.

Estos procesos del ciclo de vida de los neutrones, cuantificados por sus factores, constituyen el factor de multiplicación infinito (k _∞ ), que puede expresarse matemáticamente en términos de estos factores siguiendo la ecuación, generalmente conocida como la fórmula de cuatro factores :

k _∞  = η.ε.pf

El factor de multiplicación efectivo ( k _eff ) puede expresarse matemáticamente en términos del factor de multiplicación infinito (k _∞ ) y dos factores adicionales que explican la fuga de neutrones durante la termización de neutrones ( probabilidad rápida de no fuga ) y la fuga de neutrones durante la difusión de neutrones ( térmica probabilidad de no fuga ) siguiendo la ecuación, generalmente conocida como la fórmula de seis factores :

k _eff = k _∞ . P _f . P _t

• Probabilidad rápida sin fugas . Durante el proceso de desaceleración, algunos de los neutrones se escapan de los límites del núcleo del reactor antes de que se calienten . Este proceso y su impacto en el factor multiplicador efectivo se caracteriza por el factor rápido sin fugas , P _f , que se define como la relación del número de neutrones rápidos que no se escapan del núcleo del reactor durante el proceso de desaceleración al Número de neutrones rápidos producidos por fisión en todas las energías.
• Probabilidad térmica sin fugas . Durante la difusión de neutrones , algunos de los neutrones se escapan de los límites del núcleo del reactor antes de ser absorbidos. Este proceso y su impacto en el factor de multiplicación efectivo se caracteriza por el factor térmico sin fugas , P _t , que se define como la relación entre el número de neutrones térmicos que no se escapan del núcleo del reactor durante el proceso de difusión de neutrones al Número de neutrones que alcanzan las energías térmicas.

En física del reactor , k _eff  es el parámetro más significativo con respecto al control del reactor. En cualquier nivel o condición de potencia específica del reactor, k _eff  se mantiene tan cerca del valor de 1.0 como sea posible. En este punto de operación, el equilibrio de neutrones se mantiene exactamente en un neutrón completando el ciclo de vida de cada neutrón original absorbido en el combustible.

Ciclo de vida de neutrones en reactores rápidos

El método de cálculo de los factores de multiplicación se ha desarrollado en los primeros años de la energía nuclear y solo es aplicable a los reactores térmicos , donde la mayor parte de las reacciones de fisión se producen a energías térmicas. Este método pone bien en contexto todos los procesos, que están asociados con los reactores térmicos (por ejemplo, la termalización de neutrones, la difusión de neutrones o la fisión rápida), porque los procesos físicos de neutrones más importantes ocurren en regiones de energía que pueden estar claramente separadas el uno del otro . En resumen, el cálculo del factor de multiplicación da una buena idea de los procesos que ocurren en cada sistema de multiplicación térmica.

Para los reactores rápidos , en los que la fisión es causada por neutrones con una distribución de energía muy amplia, dicho análisis es inapropiado. El flujo de neutrones en los reactores rápidos debe dividirse en muchos grupos de energía . Además, en reactores rápidos, la termalización de neutrones es un proceso indeseable y, por lo tanto, la fórmula de cuatro factores realmente no tiene ningún sentido. La probabilidad de escape de resonancia no es significativa porque existen muy pocos neutrones en energías donde la absorción de resonancia es significativa. La probabilidad de no fuga térmica no existe porque el reactor está diseñado para evitar la termalización de neutrones.

Según la ICRP (Publicación 103), el Sistema de Protección Radiológica se basa en los siguientes tres principios:

1. Justificación . «Cualquier decisión que altere la situación de exposición a la radiación debería ser más beneficiosa que perjudicial».
2. Optimización de la protección . «Todas las dosis deben mantenerse tan bajas como sea razonablemente posible, teniendo en cuenta los factores económicos y sociales». (conocido como ALARA o ALARP)
3. Limitación de dosis . «La dosis total para cualquier individuo … no debe exceder los límites apropiados».

Uno de estos principios es la optimización de la protección, que requiere que:

«Todas las dosis deben mantenerse tan bajas como sea razonablemente posible» .

El término ALARP surge de la legislación del Reino Unido, particularmente la Ley de Salud y Seguridad en el Trabajo, etc., de 1974, que requiere «Provisión y mantenimiento de plantas y sistemas de trabajo que, en la medida de lo razonablemente posible, sean seguros y sin riesgos para la salud». La frase So Far As is Reasonably Practicable ( SFARP ) en esta y otras cláusulas similares se interpreta como un requisito de que los riesgos deben reducirse a un nivel tan bajo como sea razonablemente practicable (ALARP). ALARP, utilizado especialmente en el Reino Unido, es un término mucho más amplio que ALARA, ya que es aplicable en varios campos de la regulación y gestión de sistemas críticos y de seguridad involucrados.

El término «tan bajo como sea razonablemente posible» (ALARA) utilizado en el principio de optimización es sinónimo de ALARP, y es el término utilizado para describir el proceso de reducción de riesgos fuera del Reino Unido. El término ALARA o «tan bajo como sea razonablemente posible» se usa indistintamente en los Estados Unidos de América, casi exclusivamente en el campo de la protección radiológica. ALARA y ALARP se consideran equivalentes en significado y propósito.

Un  contador proporcional , también conocido como detector proporcional , 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 proporcional . 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 , que crea un solo pulso eléctrico grande. Los contadores proporcionales gaseosos generalmente operan en campos eléctricos altos del orden de 10 kV / cm y alcanzan los valores típicosfactores de amplificación de aproximadamente 10 ⁵ . Dado que el factor de amplificación depende en gran medida del voltaje aplicado, la carga recogida (señal de salida) también depende del voltaje aplicado y los contadores proporcionales requieren un voltaje constante.

Cámara proporcional de cables múltiples – MWPC

Una cámara proporcional de varios cables es un tipo de contador proporcional utilizado especialmente en física de partículas de alta energía para detectar partículas cargadas y fotones y puede proporcionar información posicional sobre su trayectoria. Este dispositivo fue desarrollado por Georges Charpak y sus colaboradores. Esta invención lo llevó a ganar el Premio Nobel de Física en 1992. La cámara de cables múltiples utiliza una serie de cables a alto voltaje (ánodo), que atraviesan una cámara con paredes conductoras mantenidas a potencial de tierra (cátodo). El principio es tener un plano de alambres anódicos posicionados con precisión, con separaciones de alambres típicos de aproximadamente 2 mm. Al calcular los pulsos de todos los cables, se puede encontrar la trayectoria de las partículas.

En general, los espectroscopios 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.

En contadores proporcionales , el número de electrones producidos es proporcional a la energía y al tipo de partícula incidente. Por lo tanto, los contadores proporcionales son capaces de identificar partículas y medir la energía (espectroscopía). Las diferentes energías de radiación y los diferentes tipos de radiación se pueden distinguir analizando la altura del pulso, ya que difieren significativamente en la ionización primaria (baja-LET versus alta-LET). Los contadores proporcionales pueden usarse, por ejemplo, para analizar un espectro de radiaciones alfa o un espectro de partículas beta. Sin embargo, la resolución energética de un contador proporcional es limitada porque tanto el evento de ionización inicial como el evento de ‘multiplicación’ posterior están sujetos a fluctuaciones estadísticas caracterizadas por una desviación estándar igual a la raíz cuadrada del número promedio formado.

Se puede usar un contador proporcional esférico de gran volumen para mediciones de neutrones. El gas puro N ₂ se estudia para la detección térmica y rápida de neutrones , lo que proporciona una nueva forma de espectroscopía de neutrones. Los neutrones se detectan a través de las reacciones ¹⁴ N (n, p) ¹⁴ C y ¹⁴ N (n, α) ¹¹ B.

Debe tenerse en cuenta que, para la espectrometría gamma, los detectores más comunes incluyen contadores de centelleo de yoduro de sodio (NaI) y detectores de germanio de alta pureza.

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Un  contador proporcional , también conocido como detector proporcional , 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 proporcional . 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 , que crea un solo pulso eléctrico grande. Los contadores proporcionales gaseosos generalmente operan en campos eléctricos altos del orden de 10 kV / cm y alcanzan los valores típicosfactores de amplificación de aproximadamente 10 ⁵ . Dado que el factor de amplificación depende en gran medida del voltaje aplicado, la carga recogida (señal de salida) también depende del voltaje aplicado y los contadores proporcionales requieren un voltaje constante.

Esta es una diferencia sutil pero importante entre las cámaras de ionización y los contadores proporcionales . Una cámara de ionización producirá una corriente que es proporcional al número de electrones recolectados por segundo. Esta corriente se promedia y se usa para conducir una lectura de pantalla en Bq o μSv / h. Los contadores proporcionales no funcionan de esta manera. En cambio, amplifican cada una de las explosiones individuales de ionización para que cada evento ionizante se detecte por separado. Por lo tanto, miden el número de eventos ionizantes (por eso se les llama contadores).

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. Mediante arreglos funcionales adecuados, modificaciones y polarización, el contador proporcional se puede utilizar para detectar radiación alfa, beta, gamma o de neutrones en campos de radiación mixtos. Además, los contadores proporcionales son capaces de identificar partículasy medición de energía (espectroscopía). La altura del pulso refleja la energía depositada por la radiación incidente en el gas detector. Como tal, es posible distinguir los pulsos más grandes producidos por partículas alfa de los pulsos más pequeños producidos por partículas beta o rayos gamma .

Si bien las cámaras de ionización pueden funcionar en modo de corriente o pulso, 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.

Aplicación de contadores proporcionales

Detección de radiación alfa, beta y gamma utilizando contador proporcional

Los contadores proporcionales en forma de detectores planos de área grande se utilizan ampliamente para verificar la contaminación radiactivaen personal, superficies planas, herramientas y prendas de vestir. Los contadores proporcionales se usan normalmente para detectar partículas alfa y beta, y pueden permitir la discriminación entre ellos al proporcionar una salida de pulso proporcional a la energía depositada en la cámara por cada partícula. Tienen una alta eficiencia para beta, pero más baja para alfa. Para que las partículas alfa y beta sean detectadas por contadores proporcionales, 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 para permitir partículas beta de baja energía (por ejemplo, de carbono-14) para ingresar al detector. La reducción de la eficiencia para alfa se debe al efecto de atenuación de la ventana final, aunque la distancia desde la superficie que se verifica también tiene un efecto significativo, e idealmente una fuente de radiación alfa debería estar a menos de 10 mm del detector debido a la atenuación en el aire.

Los rayos gamma tienen muy pocos problemas para penetrar las paredes metálicas de la cámara. Por lo tanto, se pueden usar contadores proporcionales para detectar radiación gamma y rayos X (tubos de pared delgada) conocidos colectivamente como fotones, y para esto se usa el tubo sin ventanas.

El principal inconveniente de usar contadores proporcionales en instrumentos portátiles es que requieren una fuente de alimentación y un amplificador muy estables para garantizar condiciones de operación constantes (en el medio de la región proporcional). Esto es difícil de proporcionar en un instrumento portátil, y es por eso que los contadores proporcionales tienden a usarse más en instrumentos fijos o de laboratorio.

Contador proporcional – Espectroscopía

En general, los espectroscopios 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.

En contadores proporcionales , el número de electrones producidos es proporcional a la energía y al tipo de partícula incidente. Por lo tanto, 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 (baja-LET versus alta-LET). Los contadores proporcionales pueden usarse, por ejemplo, para analizar un espectro de radiaciones alfa o un espectro de partículas beta. Sin embargo, la resolución energética de un contador proporcional es limitada porque tanto el evento de ionización inicial como el evento de ‘multiplicación’ posterior están sujetos a fluctuaciones estadísticas caracterizadas por una desviación estándar igual a la raíz cuadrada del número promedio formado.

Se puede usar un contador proporcional esférico de gran volumen para las mediciones de neutrones. El gas puro N ₂ se estudia para la detección térmica y rápida de neutrones , proporcionando una nueva forma de espectroscopía de neutrones. Los neutrones se detectan a través de las reacciones ¹⁴ N (n, p) ¹⁴ C y ¹⁴ N (n, α) ¹¹ B.

Debe tenerse en cuenta que, para la espectrometría gamma, los detectores más comunes incluyen contadores de centelleo de yoduro de sodio (NaI) y detectores de germanio de alta pureza.

Cámara proporcional de cables múltiples – MWPC

Una cámara proporcional de varios cables es un tipo de contador proporcional utilizado especialmente en física de partículas de alta energía para detectar partículas cargadas y fotones y puede proporcionar información posicional sobre su trayectoria. Este dispositivo fue desarrollado por Georges Charpak y sus colaboradores. Esta invención lo llevó a ganar el Premio Nobel de Física en 1992. La cámara de cables múltiples utiliza una serie de cables de alto voltaje (ánodo), que atraviesan una cámara con paredes conductoras mantenidas a potencial de tierra (cátodo). El principio es tener un plano de alambres anódicos posicionados con precisión, con separaciones de alambres típicos de aproximadamente 2 mm. Al calcular los pulsos de todos los cables, se puede encontrar la trayectoria de las partículas.

Detección de neutrones usando el contador proporcional

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.).

Los contadores proporcionales a menudo se usan como dispositivo de detección de partículas cargadas. En las centrales nucleares, los contadores proporcionales llenos de gas (BF ₃ ) se utilizan normalmente como detectores de rango de fuente. Estos detectores utilizan 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. 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.

La salida del contador proporcional tiene la forma de un pulso por cada evento ionizante; por lo tanto, hay una serie de pulsos aleatorios que varían en magnitud y representan eventos de ionización de neutrones y gamma. La altura del pulso puede ser solo de unos pocos milivoltios, que es demasiado baja para usarse directamente sin amplificación. El discriminador excluye el paso de pulsos que son inferiores a un nivel predeterminado. La función del discriminador es excluir el ruido y los pulsos gamma que son de menor magnitud que los pulsos de neutrones.