Qué es el contador proporcional – Detector proporcional – Definición

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.