O que é o contador Geiger – Detector Geiger-Mueller – Definição

O contador Geiger, também conhecido como contador Geiger-Mueller, é um dispositivo elétrico que detecta vários tipos de radiação ionizante. Este dispositivo recebeu o nome dos dois físicos que inventaram o contador em 1928. Dosimetria de radiação
Detector de radiação ionizante - Tubo Geiger
Detector de radiação ionizante – Tubo Geiger

contador Geiger , também conhecido como contador Geiger-Mueller , é um dispositivo elétrico que detecta vários tipos de radiação ionizante . Este dispositivo recebeu o nome dos dois físicos que inventaram o contador em 1928. Mueller era aluno de Hans Geiger.  O contador Geiger é amplamente utilizado em aplicações como dosimetria de radiação, proteção radiológica , física experimental e indústria nuclear. Um contador Geiger consiste em um tubo Geiger-Müller (o elemento sensor que detecta a radiação) e a eletrônica de processamento, que exibe o resultado.

O contador Geiger pode detectar radiação ionizante, como partículas alfa  e  beta ,  nêutrons e  raios gama,  usando o efeito de ionização produzido em um tubo Geiger-Müller, que dá nome ao instrumento. A tensão do detector é ajustada para que as condições correspondam à região de Geiger-Mueller .

Visualização da propagação de avalanches de Townsend por meio de fótons UV. Fonte: wikpedia.org Licença: CC BY-SA 3.0

Nesta região, a voltagem é alta o suficiente para fornecer aos elétrons primários aceleração e energia suficientes para que eles possam ionizar átomos adicionais do meio. Esses íons secundários (amplificação de gás) formados também são acelerados, causando um efeito conhecido como avalanches de Townsend . Essas avalanches podem ser desencadeadas e propagadas por fótons emitidos por átomos excitados na avalanche original. Como esses fótons não são afetados pelo campo elétrico, eles podem interagir longe (por exemplo, lateralmente ao eixo) da avalanche primária, todo o tubo Geiger está participando do processo.

Um sinal forte (o fator de amplificação pode atingir cerca de 10 10 ) é produzido por essas avalanches com forma e altura, independentemente da ionização primária e da energia do fóton detectado. O pulso de tensão neste caso seria um grande e facilmente detectável ± 1,6 V. A vantagem técnica de um contador Geiger é sua simplicidade de construção e sua insensibilidade a pequenas flutuações de tensão. É muito útil para medição geral de radiação nuclear, mas tem duas desvantagens importantes.

  • Detectores de ionização gasosa - Regiões
    Este diagrama mostra o número de pares de íons gerados no detector a gás, que varia de acordo com a tensão aplicada à radiação incidente constante. As tensões podem variar amplamente, dependendo da geometria do detector e do tipo e pressão do gás. Esta figura indica esquematicamente as diferentes regiões de tensão dos raios alfa, beta e gama. Existem seis principais regiões operacionais práticas, onde três (ionização, proporcional e região de Geiger-Mueller) são úteis para detectar radiação ionizante. As partículas alfa são mais ionizantes que as partículas beta e os raios gama; portanto, mais corrente é produzida na região da câmara de íons por alfa do que beta e gama, mas as partículas não podem ser diferenciadas. Mais corrente é produzida na região de contagem proporcional por partículas alfa que beta, mas, pela natureza da contagem proporcional, é possível diferenciar os pulsos alfa, beta e gama. Na região de Geiger, não há diferenciação de alfa e beta, pois qualquer evento de ionização isolado no gás resulta na mesma saída de corrente.

    Como a altura do pulso é independente do tipo e energia da radiação, a discriminação não é possível. Não há informações sobre a natureza da ionização que causou o pulso.

  • Devido à grande avalanche induzida por qualquer ionização, um contador Geiger leva muito tempo (cerca de 1 ms) para se recuperar entre pulsos sucessivos. Portanto, os contadores Geiger não conseguem medir altas taxas de radiação devido ao ” tempo morto ” do tubo.

Há uma diferença sutil, mas importante, entre as câmaras de ionização e os contadores Geiger . Uma câmara de ionização produzirá uma corrente proporcional ao número de elétrons coletados a cada segundo (não ocorre amplificação). Essa corrente é calculada pela média e é usada para conduzir uma leitura de exibição em Bq ou μSv / h. Os contadores proporcionais e Geiger não funcionam dessa maneira. Em vez disso, eles amplificam cada uma das explosões individuais de ionização para que cada evento ionizante seja detectado separadamente. Eles, portanto, medem o número de eventos ionizantes (é por isso que são chamados contadores). Enquanto as câmaras de ionização podem ser operadas no modo atual ou de pulso, os contadores proporcionais ou Geiger são quase sempre usados ​​emmodo de pulso . Ao contrário dos contadores proporcionais, os contadores GM são usados ​​principalmente para instrumentação portátil devido à sua sensibilidade, circuito simples de contagem e capacidade de detectar radiação de baixo nível.

Princípio básico dos contadores Geiger

Detector de radiação ionizante - esquema básico
Os detectores de radiação ionizante consistem em duas partes que geralmente estão conectadas. A primeira parte consiste em um material sensível, constituído por um composto que sofre alterações quando exposto à radiação. O outro componente é um dispositivo que converte essas alterações em sinais mensuráveis.

O contador Geiger possui um cátodo e um ânodo que são mantidos em alta tensão, e o dispositivo é caracterizado por uma capacitância determinada pela geometria dos eletrodos. Em um contador Geiger, o gás de preenchimento da câmara é um gás inerte que é ionizado pela radiação incidente e um gás de resfriamento de 5 a 10% de um vapor orgânico ou um gás halogênio para evitar pulsações espúrias, extinguindo as avalanches de elétrons.

À medida que a radiação ionizante entra no gás entre os eletrodos, um número finito de pares de íons é formado. No ar, a energia média necessária para produzir um íon é de cerca de 34 eV; portanto, uma radiação de 1 MeV completamente absorvida no detector produz cerca de 3 x 10 4par de íons. O comportamento dos pares de íons resultantes é afetado pelo gradiente de potencial do campo elétrico dentro do gás e pelo tipo e pressão do gás de enchimento. Sob a influência do campo elétrico, os íons positivos se moverão em direção ao eletrodo carregado negativamente (cilindro externo) e os íons negativos (elétrons) migrarão em direção ao eletrodo positivo (fio central). O campo elétrico nessa região impede que os íons se recombinem com os elétrons. Nas imediações do fio do ânodo, a força do campo se torna grande o suficiente para produzir avalanches de Townsend. Essas avalanches podem ser desencadeadas e propagadas por fótons emitidos por átomos excitados na avalanche original. Como esses fótons não são afetados pelo campo elétrico, eles podem interagir longe (por exemplo, lateralmente ao eixo) da avalanche primária, todo o tubo Geiger está participando do processo. Um sinal forte (o fator de amplificação pode atingir cerca de 10 10 ) é produzido por essas avalanches com forma e altura, independentemente da ionização primária e da energia do fóton detectado. O alto fator de amplificação do contador Geiger é a principal vantagem sobre a câmara de ionização. O contador Geiger é, portanto, um dispositivo muito mais sensível do que outras câmaras. É frequentemente usado na detecção de raios gama de baixo nível e partículas beta por esse motivo.

Como os íons positivos não se afastam da região da avalanche, uma nuvem de íons carregada positivamente perturba o campo elétrico e encerra o processo da avalanche. Na prática, o término da avalanche é melhorado pelo uso de técnicas de “extinção” .

A coleta de todos esses elétrons produzirá uma carga nos eletrodos e um pulso elétrico no circuito de detecção. Cada pulso corresponde a uma interação de raios gama ou nêutrons. A altura do pulso não é proporcional ao número de elétrons originais produzidos. Portanto, os contadores Geiger não são capazes de identificar partículas e medir energia (espectroscopia). Como o processo de amplificação de carga melhora muito a relação sinal / ruído do detector, a amplificação eletrônica subsequente geralmente não é necessária.

Têmpera – tempo morto – contadores Geiger

Dead Time - Detector - Paralisável - Não paralisávelEm um contador Geiger, o gás de preenchimento da câmara é um gás inerte que é ionizado pela radiação incidente e um gás de resfriamento de 5 a 10% de um vapor orgânico ou de um gás halogênio para evitar pulsações espúrias, extinguindo as avalanches de elétrons. O contador Geiger não deve fornecer pulsos espúrios e deve se recuperar rapidamente para o estado passivo, pronto para o próximo evento de radiação. Argônio e hélio são os gases de enchimento mais frequentemente utilizados e permitem a detecção de radiação alfa, beta e gama. Para a detecção de nêutrons, He-3 e BF 3 (trifluoreto de boro) são os gases mais empregados.

No entanto, para cada elétron coletado na câmara, resta um íon de gás com carga positiva. Esses íons gasosos são pesados ​​em comparação com um elétron e se movem muito mais lentamente. Os elétrons livres são muito mais leves que os íons positivos; portanto, eles são atraídos para o eletrodo central positivo muito mais rapidamente do que os íons positivos são atraídos para a parede da câmara. A nuvem resultante de íons positivos próximos ao eletrodo leva a distorções na multiplicação de gases. Eventualmente, os íons positivos se afastam do fio central com carga positiva para a parede com carga negativa e são neutralizados com o ganho de um elétron. Esses átomos retornam ao seu estado fundamental emitindo fótons que, por sua vez, produzem mais ionização e, portanto, descargas secundárias espúrias. Os elétrons produzidos por essa ionização se movem em direção ao fio central e são multiplicados no caminho. Esse pulso de carga não está relacionado à radiação a ser detectada e pode disparar uma série de pulsos. Na prática, o término da avalanche é melhorado pelo uso de Técnicas de “extinção” .

As moléculas de gás de têmpera têm uma afinidade mais fraca pelos elétrons do que o gás da câmara; portanto, os átomos ionizados do gás da câmara retiram prontamente elétrons das moléculas de gás de extinção. Assim, as moléculas ionizadas do gás de têmpera atingem a parede da câmara em vez do gás da câmara. As moléculas ionizadas do gás de têmpera são neutralizadas pelo ganho de um elétron, e a energia liberada não causa mais ionização, mas causa a dissociação da molécula. Esse tipo de resfriamento é conhecido como  resfriamento automático  ou  interno , pois os tubos interrompem a descarga sem assistência externa.

Para os contadores Geiger, a têmpera externa, às vezes chamada de “ têmpera ativa ” ou “ têmpera eletrônica ”, também é uma possibilidade. A têmpera eletrônica usa eletrônica simplista de controle de alta velocidade para remover e reaplicar rapidamente a alta tensão entre os eletrodos por um tempo fixo após cada pico de descarga, a fim de aumentar a taxa máxima de contagem e a vida útil do tubo.

Referência Especial: Departamento de Energia, Instrumantação e Controle dos EUA. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2, de 2 de junho de 1992.

Detecção de radiação alfa, beta e gama usando o contador Geiger-Mueller

Os contadores Geiger são usados ​​principalmente para instrumentação portátil devido à sua sensibilidade, circuito simples de contagem e capacidade de detectar radiação de baixo nível. Embora o uso principal dos contadores Geiger seja provavelmente na detecção individual de partículas, eles também são encontrados em medidores gama. Eles são capazes de detectar quase todos os tipos de radiação, mas há pequenas diferenças no tubo Geiger-Mueller. No entanto, o tubo Geiger-Müller produz uma saída de pulso que é da mesma magnitude para toda a radiação detectada; portanto, um contador Geiger com um tubo na janela final não consegue distinguir entre partículas alfa e beta.

Existem dois tipos principais de construção de tubos Geiger :

  • Tipo de janela final . Para que partículas alfa e beta sejam detectadas pelos contadores Geiger, elas devem ser fornecidas com uma janela fina . Essa ” janela final ” deve ser fina o suficiente para que as partículas alfa e beta penetrem. No entanto, uma janela de quase qualquer espessura impedirá que uma partícula alfa entre na câmara. A janela é geralmente feita de mica com uma densidade de cerca de 1,5 – 2,0 mg / cm 2para permitir que partículas beta de baixa energia (por exemplo, do carbono 14) entrem no detector. A redução de eficiência para alfa é devida ao efeito de atenuação da janela final, embora a distância da superfície verificada também tenha um efeito significativo, e idealmente uma fonte de radiação alfa deve estar a menos de 10 mm do detector devido à atenuação no ar.
  • Tipo sem janelas . Os raios gama têm muito pouco problema em penetrar nas paredes metálicas da câmara. Portanto, os contadores Geiger podem ser usados ​​para detectar radiação gama e raios-X (tubos de paredes finas) conhecidos coletivamente como fótons, e para isso o tubo sem janelas é usado.
    • Um tubo de parede espessa é usado para detecção de radiação gama acima de energias de cerca de 25 KeV, esse tipo geralmente tem uma espessura total de parede de cerca de 1-2 mm de aço cromado.
    • Um tubo de paredes finas é usado para fótons de baixa energia (raios X ou raios gama) e partículas beta de alta energia. A transição do projeto de paredes finas para paredes espessas ocorre nos níveis de energia de 300 a 400 keV. Acima desses níveis, são utilizados projetos de paredes espessas e, abaixo desses níveis, o efeito de ionização direta de gás é predominante.

Às vezes, um design de “panqueca” do tubo Geiger-Mueller é preferido. Este detector é um tubo Geiger plano com uma fina janela de mica de uma área maior. Tubos Geiger planos como esse são conhecidos como tubos de “panqueca”. Tais tubos são equipados com uma tela de arame para protegê-los. Esse projeto fornece maior área de detecção e, portanto, maior eficiência para tornar a verificação mais rápida. No entanto, a pressão da atmosfera contra a baixa pressão do gás de enchimento limita o tamanho da janela devido à resistência limitada da membrana da janela.

Detecção de nêutrons usando o contador Geiger

Como os nêutrons são partículas eletricamente neutras, elas estão sujeitas principalmente a fortes forças nucleares, mas não a forças elétricas. Portanto, os nêutrons não são diretamente ionizantes e geralmente precisam ser convertidos em partículas carregadas antes que possam ser detectados. Geralmente, todo tipo de detector de nêutrons deve estar equipado com conversor (para converter a radiação de nêutrons em radiação detectável comum) e um dos detectores de radiação convencionais (detector de cintilação, detector de gases, detector de semicondutores, etc.).

Não é comum, mas os contadores Geiger também podem ser usados ​​para a detecção de nêutrons. Nesse caso, o tubo Geiger-Mueller deve ter o interior do tubo revestido com boro ou o tubo deve conter trifluoreto de boro (BF 3 ) ou hélio-3 como gás de enchimento.

Os nêutrons recebidos produzem partículas alfa quando reagem com os átomos de boro no gás detector. A maioria das reações (n, alfa) dos nêutrons térmicos são reações 10B (n, alfa) 7Li acompanhadas por emissão gama de 0,48 MeV .

(n, alfa) reações de 10B

Além disso, o isótopo boro-10 possui uma alta seção transversal da reação (n, alfa) ao longo de todo o espectro de energia de nêutrons . A partícula alfa causa ionização dentro da câmara e elétrons ejetados causam ionizações secundárias adicionais.

 

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