Nick Connor

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.

Ventajas de los contadores proporcionales

• La amplificación . Los contadores proporcionales gaseosos generalmente operan en campos eléctricos altos del orden de 10 kV / cm y alcanzan factores de amplificación típicos 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. El alto factor de amplificación del contador proporcional es la principal ventaja sobre la cámara de ionización.
• Sensibilidad . El proceso de amplificación de carga mejora enormemente la relación señal / ruido del detector y reduce la subsiguiente amplificación electrónica requerida. Dado que el proceso de amplificación de carga mejora en gran medida la relación señal / ruido del detector, generalmente no se requiere la amplificación electrónica posterior. Los instrumentos de detección de contador proporcional son muy sensibles a los bajos niveles de radiación. Además, al medir la salida de corriente, un detector proporcional es útil para las tasas de dosis
  ya que la señal de salida es proporcional a la energía depositada por la ionización y,
  por lo tanto, proporcional a la tasa de dosis.

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  Espectroscopía . Mediante arreglos funcionales adecuados, modificaciones y polarización, el contador proporcional se puede usar para detectar radiación alfa, beta, gamma o de neutrones en campos de radiación mixtos. Además, los contadores proporcionales son capaces de identificar partículas y medir la 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 .

Desventajas de los contadores proporcionales

• Tensión constante . 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. 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.
• Temple. Por cada electrón recogido en la cámara, queda un ion de gas cargado positivamente. Estos iones de gas son pesados ​​en comparación con un electrón y se mueven mucho más lentamente. 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. Finalmente, los iones positivos se alejan del cable central cargado positivamente hacia la pared cargada negativamente y se neutralizan obteniendo un electrón. En el proceso, se emite algo de energía, lo que provoca una ionización adicional de los átomos de gas. Los electrones producidos por esta ionización se mueven hacia el cable central y se multiplican en el camino. Este pulso de carga no está relacionado con la radiación que se detectará y puede activar una serie de pulsos. En la práctica, la terminación de la avalancha se mejora mediante el uso de «técnicas de enfriamiento .

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.

El argón y el helio son los gases de relleno más utilizados y permiten la detección de radiación alfa, beta y gamma. Para la detección de neutrones, He-3 y BF ₃ (trifluoruro de boro) son los gases más comúnmente empleados. Para fines especiales, se han utilizado otras mezclas de gases, como una mezcla de gases equivalente a los tejidos que consiste en 64.4% de metano, 32.4% de dióxido de carbono y 3.2% de nitrógeno.

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Enfriamiento – Contadores proporcionales

En un contador proporcional, el gas de llenado de la cámara es un gas inerte que se ioniza por radiación incidente, y un gas de enfriamiento para asegurar que cada descarga de pulso termine; Una mezcla común es 90% de argón, 10% de metano, conocida como P-10.

Por cada electrón recogido en la cámara, queda un ion de gas cargado positivamente. Estos iones de gas son pesados ​​en comparación con un electrón y se mueven mucho más lentamente. 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. Finalmente, los iones positivos se alejan del cable central cargado positivamente hacia la pared cargada negativamente y se neutralizan obteniendo un electrón. En el proceso, se emite algo de energía, lo que provoca una ionización adicional de los átomos de gas. Los electrones producidos por esta ionización se mueven hacia el cable central y se multiplican en el camino. Este pulso de carga no está relacionado con la radiación que se detectará y puede activar una serie de pulsos. En la práctica, la terminación de la avalancha se mejora mediante el uso de «técnicas de enfriamiento .

Las moléculas de gas de enfriamiento tienen una afinidad más débil por los electrones que el gas de la cámara; por lo tanto, los átomos ionizados del gas de la cámara toman fácilmente electrones de las moléculas de gas de enfriamiento. Por lo tanto, las moléculas ionizadas de gas de enfriamiento alcanzan la pared de la cámara en lugar del gas de la cámara. Las moléculas ionizadas del gas de enfriamiento se neutralizan al obtener un electrón, y la energía liberada no causa más ionización, sino que provoca la disociación de la molécula.

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

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 se utilizan a menudo 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 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.

En un contador proporcional, el gas de llenado de la cámara es un gas inerte que se ioniza por radiación incidente, y un gas de enfriamiento para asegurar que cada descarga de pulso termine; Una mezcla común es 90% de argón, 10% de metano, conocida como P-10.

Por cada electrón recogido en la cámara, queda un ion de gas cargado positivamente. Estos iones de gas son pesados ​​en comparación con un electrón y se mueven mucho más lentamente. 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. Finalmente, los iones positivos se alejan del cable central cargado positivamente hacia la pared cargada negativamente y se neutralizan obteniendo un electrón. En el proceso, se emite algo de energía, lo que provoca una ionización adicional de los átomos de gas. Los electrones producidos por esta ionización se mueven hacia el cable central y se multiplican en el camino. Este pulso de carga no está relacionado con la radiación que se detectará y puede activar una serie de pulsos. En la práctica, la terminación de la avalancha se mejora mediante el uso de «técnicas de enfriamiento .

Las moléculas de gas de enfriamiento tienen una afinidad más débil por los electrones que el gas de la cámara; por lo tanto, los átomos ionizados del gas de la cámara toman fácilmente electrones de las moléculas de gas de enfriamiento. Por lo tanto, las moléculas ionizadas de gas de enfriamiento alcanzan la pared de la cámara en lugar del gas de la cámara. Las moléculas ionizadas del gas de enfriamiento se neutralizan al obtener un electrón, y la energía liberada no causa más ionización, sino que provoca la disociación de la molécula.

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

El contador proporcional tiene un cátodo y un ánodo que se mantienen a cierto voltaje (por encima de 1000 V), y el dispositivo se caracteriza por una capacitancia determinada por la geometría de los electrodos. En un contador proporcional, el gas de llenado de la cámara es un gas inerte que se ioniza por radiación incidente, y un gas de enfriamiento para asegurar que cada descarga de pulso termine; Una mezcla común es 90% de argón, 10% de metano, conocida como P-10.

A medida que la radiación ionizante ingresa al gas entre los electrodos, se forma un número finito de pares de iones. 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 ⁴par 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. En las inmediaciones del cable del ánodo, la intensidad del campo se vuelve lo suficientemente grande como para producir avalanchas de Townsend.. Esta región de avalancha ocurre solo fracciones de un milímetro del alambre del ánodo, que en sí mismo es de un diámetro muy pequeño. El propósito de esto es usar el efecto de multiplicación de la avalancha producida por cada par de iones. Esta es la región de «avalancha». Un objetivo de diseño clave es que cada evento ionizante original debido a la radiación incidente produce solo una avalancha. Los factores de amplificación de gas pueden variar desde la unidad en la región de ionización hasta 10 ³ o 10 ⁴ en la región proporcional . El alto factor de amplificación del contador proporcional es la principal ventaja sobre la cámara de ionización.

La recolección de todos estos electrones producirá una carga en los electrodos y un pulso eléctrico a través del circuito de detección. Cada pulso corresponde a un rayo gamma o interacción de partículas. La altura del pulso es proporcional al número de electrones originales producidos. Pero en este caso, la altura del pulso se amplifica significativamente por el detector. El factor de proporcionalidad en este caso es el factor de amplificación de gas. El número de electrones producidos es proporcional a la energía de la 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).

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.

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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.

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 cambia 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 utilizando 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 la radiación gamma y los rayos X conocidos colectivamente 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 usar en entornos no controlados, ya que se ha demostrado que la respuesta de un 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 mayor espesor de 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.

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).

Ventajas de las cámaras de ionización

• Modo actual. Las cámaras de ionización se prefieren 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. 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.
• Simplicidad . La corriente de salida es independiente del voltaje de funcionamiento del detector. Observe la región plana de la curva en la región de la cámara de iones. Como resultado, se pueden usar fuentes de alimentación menos reguladas y, por lo tanto, menos costosas y más portátiles con instrumentos de cámara de iones, y aún así ofrecen una respuesta razonablemente precisa.
• Detección de neutrones . En los reactores nucleares, las cámaras de ionización en modo actual a menudo se usan para detectar neutrones y pertenecen al Sistema de Instrumentación de Neutrones (NIS). 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 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 gastrifluoruro de boro (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.

Desventajas de las cámaras de ionización

• Amplificación sin carga . 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. 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.
• Baja Densidad . 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.
• 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 .

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.

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.

El argón y el helio son los gases de relleno más utilizados y permiten la detección de radiación alfa, beta y gamma. Para la detección de neutrones, He-3 y BF ₃ (trifluoruro de boro) son los gases más comúnmente empleados. Para fines especiales, se han utilizado otras mezclas de gases, como una mezcla de gases equivalente a los tejidos que consiste en 64.4% de metano, 32.4% de dióxido de carbono y 3.2% de nitrógeno.

Ver también: Ventajas y desventajas de los contadores proporcionales

Principio básico de contadores proporcionales

El contador proporcional tiene un cátodo y un ánodo que se mantienen a cierto voltaje (por encima de 1000 V), y el dispositivo se caracteriza por una capacitancia determinada por la geometría de los electrodos. En un contador proporcional, el gas de llenado de la cámara es un gas inerte que se ioniza por radiación incidente, y un gas de enfriamiento para asegurar que termina cada descarga de pulso; Una mezcla común es 90% de argón, 10% de metano, conocida como P-10.

A medida que la radiación ionizante ingresa al gas entre los electrodos, se forma un número finito de pares de iones. 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 ⁴par 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. En las inmediaciones del cable del ánodo, la intensidad del campo se vuelve lo suficientemente grande como para producir avalanchas de Townsend.. Esta región de avalancha ocurre solo fracciones de un milímetro del cable del ánodo, que en sí mismo es de un diámetro muy pequeño. El propósito de esto es usar el efecto de multiplicación de la avalancha producida por cada par de iones. Esta es la región de «avalancha». Un objetivo de diseño clave es que cada evento ionizante original debido a la radiación incidente produce solo una avalancha. Los factores de amplificación de gas pueden variar desde la unidad en la región de ionización hasta 10 ³ o 10 ⁴ en la región proporcional . El alto factor de amplificación del contador proporcional es la principal ventaja sobre la cámara de ionización.

La recolección de todos estos electrones producirá una carga en los electrodos y un pulso eléctrico a través del circuito de detección. Cada pulso corresponde a un rayo gamma o interacción de partículas. La altura del pulso es proporcional al número de electrones originales producidos. Pero en este caso, la altura del pulso se amplifica significativamente por el detector. El factor de proporcionalidad en este caso es el factor de amplificación de gas. El número de electrones producidos es proporcional a la energía de la 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).

La construcción de la cámara de ionización difiere del contador proporcional. Se prefiere el diseño de placa plana para 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.

Enfriamiento – Contadores proporcionales

En un contador proporcional, el gas de llenado de la cámara es un gas inerte que se ioniza por radiación incidente, y un gas de enfriamiento para asegurar que termina cada descarga de pulso; Una mezcla común es 90% de argón, 10% de metano, conocida como P-10.

Por cada electrón recogido en la cámara, queda un ion de gas cargado positivamente. Estos iones de gas son pesados ​​en comparación con un electrón y se mueven mucho más lentamente. 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. Finalmente, los iones positivos se alejan del cable central cargado positivamente hacia la pared cargada negativamente y se neutralizan al obtener un electrón. En el proceso, se emite algo de energía, lo que provoca una ionización adicional de los átomos de gas. Los electrones producidos por esta ionización se mueven hacia el cable central y se multiplican en el camino. Este pulso de carga no está relacionado con la radiación que se detectará y puede activar una serie de pulsos. En la práctica, la terminación de la avalancha se mejora mediante el uso de «técnicas de enfriamiento .

Las moléculas de gas de enfriamiento tienen una afinidad más débil por los electrones que el gas de la cámara; por lo tanto, los átomos ionizados del gas de la cámara toman fácilmente electrones de las moléculas de gas de enfriamiento. Por lo tanto, las moléculas ionizadas de gas de enfriamiento alcanzan la pared de la cámara en lugar del gas de la cámara. Las moléculas ionizadas del gas de enfriamiento se neutralizan al obtener un electrón, y la energía liberada no causa más ionización, sino que provoca la disociación de la molécula.

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

Detección de radiación alfa, beta y gamma mediante contador proporcional

Los contadores proporcionales en forma de detectores planos de área grande se usan ampliamente para verificar la contaminación radiactivaen personal, superficies planas, herramientas y prendas de vestir. Los contadores proporcionales se utilizan 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 está comprobando 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 la radiación gamma y los 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.