Detectores de ionización gaseosa
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. Las cámaras de iones compensados, loscontadoresBF 3 , los contadores de fisión y los contadores de retroceso de protones son ejemplos de detectores de neutrones.
Ventajas y desventajas dependiendo del 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 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 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 avalanchas, 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.
Detectores de semiconductores
Un detector de semiconductores es un detector de radiación que se basa en un semiconductor , como el silicio o el germanio, para medir el efecto de partículas cargadas o fotones incidentes. Los detectores de semiconductores se utilizan ampliamente en la protección contra la radiación , el ensayo de materiales radiactivos y la investigación física porque tienen algunas características únicas, se pueden fabricar de forma económica pero con buena eficiencia, y pueden medir tanto la intensidad como la energía de la radiación incidente. Estos detectores se emplean para medir la energía de la radiación y para la identificación de partículas. De los materiales semiconductores disponibles, el silicio se utiliza principalmente para detectores de partículas cargadas (especialmente para rastrear partículas cargadas) y detectores de rayos X blandos, mientras que el germanio se usa ampliamente para la espectroscopía de rayos gamma . Un semiconductor grande, limpio y casi perfecto es ideal como contador de radiactividad . Sin embargo, es difícil hacer cristales grandes con suficiente pureza. Los detectores de semiconductores tienen, por lo tanto, baja eficiencia, pero dan una medida muy precisa de la energía. Los detectores de semiconductores, especialmente los detectores basados en germanio , se usan más comúnmente cuando se requiere una muy buena resolución de energía. Para lograr la máxima eficiencia, los detectores deben funcionar a temperaturas muy bajas de nitrógeno líquido (-196 ° C). Por lo tanto, el inconveniente es que los detectores de semiconductores son mucho más caros que otros detectores y requieren un enfriamiento sofisticado para reducir las corrientes de fuga (ruido).
Ventajas de los detectores HPGe
- Mayor número atómico. Se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción de rayos gamma.
- El germanio tiene una energía promedio más baja necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio.
- Muy buena resolución energética . El FWHM para detectores de germanio es una función de la energía. Para un fotón de 1.3 MeV, el FWHM es 2.1 keV, que es muy bajo.
- Los cristales grandes . Si bien los detectores a base de silicio no pueden ser más gruesos que unos pocos milímetros, el germanio puede tener un espesor de centímetros agotado y sensible y, por lo tanto, puede usarse como un detector de absorción total para rayos gamma de hasta pocos MeV.
Desventajas de los detectores HPGe
- Enfriamiento . El principal inconveniente de los detectores HPGe es que deben enfriarse a temperaturas de nitrógeno líquido. Debido a que el germanio tiene un intervalo de banda relativamente bajo , estos detectores deben enfriarse para reducir la generación térmica de portadores de carga a un nivel aceptable. De lo contrario, el ruido inducido por la corriente de fuga destruye la resolución energética del detector. Recuerde, la brecha de banda (una distancia entre la valencia y la banda de conducción ) es muy baja para germanio (Egap = 0.67 eV). El enfriamiento a la temperatura del nitrógeno líquido (-195.8 ° C; -320 ° F) reduce las excitaciones térmicas de los electrones de valencia, de modo que solo una interacción de rayos gamma puede dar a un electrón la energía necesaria para cruzar la brecha de banda y alcanzar la banda de conducción.
- Precio . La desventaja es que los detectores de germanio son mucho más caros que las cámaras de ionización o los contadores de centelleo .
Ventajas de los detectores de silicio
- En comparación con los detectores de ionización gaseosa, la densidad de un detector de semiconductores es muy alta, y las partículas cargadas de alta energía pueden emitir su energía en un semiconductor de dimensiones relativamente pequeñas.
- El silicio tiene una alta densidad de 2.329 g / cm 3 y, por lo tanto, la pérdida de energía promedio por unidad de longitud permite construir detectores delgados (por ejemplo, 300 µm) que aún producen señales medibles. Por ejemplo, en caso de mínima partícula ionizante (MIP) la pérdida de energía es de 390 eV / µm. Los detectores de silicio son mecánicamente rígidos y, por lo tanto, no se necesitan estructuras de soporte especiales.
- Los detectores basados en silicio son muy buenos para rastrear partículas cargadas, constituyen una parte sustancial del sistema de detección en el LHC en el CERN.
- Los detectores de silicio se pueden usar en campos magnéticos fuertes.
Desventajas de los detectores de silicio
- Precio . La desventaja es que los detectores de silicio son mucho más caros que las cámaras de nube o las cámaras de cables.
- La degradación . También sufren degradación con el tiempo por la radiación, sin embargo, esto se puede reducir en gran medida gracias al efecto Lázaro.
- Alto FWHM . En la espectroscopía gamma, se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción con los rayos gamma. Además, el germanio tiene una energía promedio menor necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio. Esto también proporciona a este último una mejor resolución en energía.
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