Qué es el tubo Geiger-Müller – Cámara Geiger – Definición

Un tubo Geiger-Müller es una parte clave del contador Geiger. El tubo Geiger-Müller es el elemento sensor que detecta la radiación. Hay dos tipos principales de construcción de tubos Geiger. Dosimetría de radiación
Detector de radiación ionizante - Tubo Geiger
Detector de radiación ionizante – Tubo Geiger

Un contador Geiger consiste en un tubo Geiger-Müller (el elemento sensor que detecta la radiación) y la electrónica de procesamiento, que muestra el resultado.

El contador Geiger puede detectar radiaciones ionizantes como partículas alfa  y  beta ,  neutrones y  rayos gamma  utilizando el efecto de ionización producido en un tubo Geiger-Müller, que da nombre al instrumento. El voltaje del detector se ajusta de modo que las condiciones correspondan a la región Geiger-Mueller .

Visualización de la propagación de avalanchas de Townsend mediante fotones UV. Fuente: wikpedia.org Licencia: CC BY-SA 3.0

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 . 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.

Estas avalanchas producen una señal fuerte (el factor de amplificación puede alcanzar aproximadamente 10 10 ) con forma y altura independientemente de la ionización primaria y la energía del fotón detectado. El pulso de voltaje en este caso sería grande y fácilmente detectable ≈ 1.6 V. La ventaja técnica de un contador Geiger es su simplicidad de construcción y su insensibilidad a pequeñas fluctuaciones de voltaje. Es muy útil para la medición general de la radiación nuclear, pero tiene dos desventajas importantes.

  • 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 regiones operativas principales, 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 da como resultado la misma salida de corriente.

    Dado que la altura del pulso es independiente del tipo y la energía de la radiación, la discriminación no es posible. No hay información alguna sobre la naturaleza de la ionización que causó el pulso.

  • Debido a la gran avalancha inducida por cualquier ionización, un contador Geiger tarda mucho tiempo (aproximadamente 1 ms) en recuperarse entre pulsos sucesivos. Por lo tanto, los contadores Geiger no pueden medir altas tasas de radiación debido al » tiempo muerto » del tubo.

Hay una diferencia sutil, pero importante, entre las cámaras de ionización y los contadores Geiger . Una cámara de ionización producirá una corriente que es proporcional al número de electrones recolectados por segundo (no se produce amplificación). Esta corriente se promedia y se usa para conducir una lectura de pantalla en Bq o μSv / h. Los contadores proporcionales y Geiger 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). 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 enmodo de pulso . A diferencia de los contadores proporcionales, los contadores GM se utilizan principalmente para instrumentación portátil debido a su sensibilidad, circuito de conteo simple y capacidad para detectar radiación de bajo nivel.

Región Geiger-Mueller

Visualización de la propagación de avalanchas de Townsend mediante fotones UV. Fuente: wikpedia.org Licencia: CC BY-SA 3.0

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.

Principio básico de los contadores Geiger

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.

El contador Geiger tiene un cátodo y un ánodo que se mantienen a alto voltaje, y el dispositivo se caracteriza por una capacitancia determinada por la geometría de los electrodos. En un contador Geiger, el gas de relleno de la cámara es un gas inerte que se ioniza por radiación incidente, y un gas de enfriamiento de 5 a 10% de un vapor orgánico o un gas halógeno para evitar pulsos espurios al apagar las avalanchas de electrones.

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.. 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. Estas avalanchas producen una señal fuerte (el factor de amplificación puede alcanzar aproximadamente 10 10 ) con forma y altura independientemente de la ionización primaria y la energía del fotón detectado. El alto factor de amplificación del contador Geiger es la principal ventaja sobre la cámara de ionización. El contador Geiger es, por lo tanto, un dispositivo mucho más sensible que otras cámaras. A menudo se usa en la detección de rayos gamma de bajo nivel y partículas beta por este motivo.

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 técnicas de «enfriamiento» .

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 una interacción de rayos gamma o neutrones. La altura del pulso no es proporcional al número de electrones originales producidos. Por lo tanto, los contadores Geiger no son capaces de identificar partículas y medir la energía (espectroscopía). Dado que el proceso de amplificación de carga mejora en gran medida la relación señal / ruido del detector, la amplificación electrónica posterior generalmente no es necesaria.

Enfriamiento – Tiempo muerto – Contadores Geiger

Tiempo muerto - Detector - Paralizable - No paralizableEn un contador Geiger, el gas de relleno de la cámara es un gas inerte que se ioniza por radiación incidente, y un gas de enfriamiento de 5 a 10% de un vapor orgánico o un gas halógeno para evitar pulsos espurios al apagar las avalanchas de electrones. El contador Geiger no debe dar pulsos espurios, y debe recuperarse rápidamente al estado pasivo, listo para el próximo evento de radiación. 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.

Sin embargo, 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. Estos átomos luego regresan a su estado fundamental mediante la emisión de fotones que a su vez producen más ionización y, por lo tanto, descargas secundarias espurias. 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. Este tipo de enfriamiento se conoce como  autoenfriamiento  o  enfriamiento interno , ya que los tubos detienen la descarga sin ayuda externa.

Para los contadores Geiger, el enfriamiento externo, a veces llamado » enfriamiento activo » o » enfriamiento electrónico «, también es una posibilidad. El enfriamiento electrónico utiliza una electrónica de control de alta velocidad simplista para eliminar y volver a aplicar rápidamente el alto voltaje entre los electrodos durante un tiempo fijo después de cada pico de descarga para aumentar la velocidad máxima de conteo y la vida útil del tubo.

Referencia especial: Departamento de Energía, Instrumentación y Control de EE. UU. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 de 2. Junio ​​de 1992.

Tipos de tubos Geiger-Mueller

Los contadores Geiger se utilizan principalmente para instrumentación portátil debido a su sensibilidad, circuito de conteo simple y capacidad para detectar radiación de bajo nivel. Aunque el uso principal de los contadores Geiger es probablemente en la detección de partículas individuales, también se encuentran en medidores de gamma. Son capaces de detectar casi todos los tipos de radiación, pero hay ligeras diferencias en el tubo Geiger-Mueller. Sin embargo, el tubo Geiger-Müller produce una salida de pulso que es de la misma magnitud para toda la radiación detectada, por lo que un contador Geiger con un tubo de ventana final no puede distinguir entre partículas alfa y beta.

Hay dos tipos principales de construcción de tubos Geiger :

  • Tipo de ventana final . Para que las partículas alfa y beta sean detectadas por los contadores Geiger, deben contar con 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 2para permitir que las partículas beta de baja energía (p. ej., del carbono 14) ingresen 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.
  • Tipo sin ventanas . Los rayos gamma tienen muy pocos problemas para penetrar las paredes metálicas de la cámara. Por lo tanto, los contadores Geiger pueden usarse para detectar radiación gamma y rayos X (tubos de pared delgada) conocidos colectivamente como fotones, y para esto se usa el tubo sin ventanas.
    • Se utiliza un tubo de pared gruesa para la detección de radiación gamma por encima de las energías de aproximadamente 25 KeV, este tipo generalmente tiene un espesor de pared total de aproximadamente 1-2 mm de acero al cromo.
    • Se usa un tubo de pared delgada para fotones de baja energía (rayos X o rayos gamma) y partículas beta de alta energía. La transición del diseño de pared delgada al diseño de pared gruesa tiene lugar en los niveles de energía de 300–400 keV. Por encima de estos niveles se utilizan diseños de paredes gruesas, y por debajo de estos niveles predomina el efecto de ionización de gas directo.

A veces, se prefiere un diseño de «panqueque» del tubo Geiger-Mueller. Este detector es un tubo Geiger plano con una delgada ventana de mica de área más grande. Los tubos Geiger planos como este se conocen como tubos «panqueque». Dichos tubos están equipados con una pantalla de alambre para protegerlos. Este diseño proporciona un área de detección más grande y, por lo tanto, una mayor eficiencia para agilizar la verificación. Sin embargo, la presión de la atmósfera contra la baja presión del gas de relleno limita el tamaño de la ventana debido a la resistencia limitada de la membrana de la ventana.

Detección de neutrones usando el contador Geiger

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.).

No es común, pero los contadores Geiger también pueden usarse para la detección de neutrones. En este caso, el tubo Geiger-Mueller debe tener el interior del tubo recubierto con boro, o el tubo debe contener trifluoruro de boro (BF 3 ) o helio-3 como gas de relleno.

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