¿Qué es el detector de ionización gaseosa? Detector lleno de gas: definición

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. Dosimetría de radiación
Detector de radiación ionizante - Tubo Geiger
Detector de radiación ionizante – Tubo Geiger

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

Detector de radiación ionizante - esquema básico
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.

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.

Detectores de ionización gaseosa - Regiones
Este diagrama muestra el número de pares de iones generados en el detector lleno de gas, que varía según el voltaje aplicado para la radiación incidente constante. Los voltajes pueden variar ampliamente dependiendo de la geometría del detector y el tipo de gas y la presión. Esta figura indica esquemáticamente las diferentes regiones de voltaje para los rayos alfa, beta y gamma. Hay seis principales regiones operativas prácticas, donde tres (ionización, proporcional y región de Geiger-Mueller) son útiles para detectar la radiación ionizante. Las partículas alfa son más ionizantes que las partículas beta y los rayos gamma, por lo que se produce más corriente en la región de la cámara de iones por alfa que beta y gamma, pero las partículas no se pueden diferenciar. Se produce más corriente en la región de conteo proporcional por partículas alfa que beta, pero por la naturaleza del conteo proporcional es posible diferenciar pulsos alfa, beta y gamma. En la región de Geiger, no hay diferenciación de alfa y beta, ya que cualquier evento de ionización en el gas produce la misma salida de corriente.
  • 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.

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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.net o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.