¿Qué es la cámara de ionización frente al detector de semiconductores? Definición

Cámara de ionización vs detector de semiconductores. Las cámaras de ionización son preferidas para altas tasas de dosis de radiación porque no tienen «tiempo muerto». Los detectores de semiconductores son ampliamente utilizados en la protección radiológica. Dosimetría de radiación

Cámaras de ionización

La cámara de ionización , también conocida como 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 ofrecer una respuesta razonablemente precisa.
Detección de neutrones . En los reactores nucleares, las cámaras de ionización en modo actual a menudo se utilizan 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 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 gas trifluoruro 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

Sin amplificación de carga . 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. La carga recolectada (señal de salida) es independiente del voltaje aplicado y para las partículas únicas 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 .

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 .

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.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

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: [email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.