La cámara de ionización , también conocida como la 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). Los detectores en la región de ionización funcionan con 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 partículas individuales de ionización mínima, tiende a ser bastante pequeña y generalmente requiere amplificadores especiales de bajo ruido para lograr un rendimiento operativo eficiente. Se prefieren las cámaras de ionización.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.
Principio básico de las cámaras de ionización
La cámara tiene un cátodo y un ánodo que se mantienen a algún voltaje (quizás 100-200 V), y el dispositivo se caracteriza por una capacitancia que está determinada por la geometría de los electrodos. Se pueden utilizar placas planas o cilindros concéntricos en la construcción de una cámara de ionización. 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. A medida que la radiación ionizante ingresa al gas entre los electrodos, un número finito de pares de ionesestán formados. 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 o placa), y los iones negativos (electrones) migrarán hacia el electrodo positivo (cable central o placa). El campo eléctrico en esta región evita que los iones se recombinen con los electrones. La colección de estos iones producirá una carga en los electrodos y un pulso eléctrico a través del circuito de detección. 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.
La construcción de la cámara de ionización difiere del contador proporcional. Se prefiere el diseño de placa plana para las 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.
Detección de radiación alfa usando la cámara de ionización
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 . Pero eso no significa que la radiación alfa no puede ser detectada por una cámara de ionización.
Por ejemplo, en algún tipo de detectores de humo, puede encontrar radionucleidos artificiales como el americio-241, que es una fuente de partículas alfa. El detector de humo tiene dos cámaras de ionización, una abierta al aire y una cámara de referencia que no permite la entrada de partículas. La fuente radiactiva emite partículas alfa en ambas cámaras, lo que ioniza algunas moléculas de aire. La cámara de aire libre permite la entrada de partículas de humo al volumen sensible y para cambiar la atenuación de las partículas alfa. Si alguna partícula de humo ingresa a la cámara de aire libre, algunos de los iones se unirán a las partículas y no estarán disponibles para transportar la corriente en esa cámara. Un circuito electrónico detecta que se ha desarrollado una diferencia de corriente entre las cámaras abiertas y selladas, y hace sonar la alarma.
Detección de radiación beta usando cámara de ionización
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 .
La cámara de ionización puede usarse, por ejemplo, para medir el tritio en el aire. Estos dispositivos se conocen como monitores de tritio en el aire. El tritio es un isótopo radiactivo, pero emite una forma muy débil de radiación, una partícula beta de baja energía que es similar a un electrón. Es un emisor beta puro (es decir, un emisor beta sin una radiación gamma que lo acompañe ). La energía cinética del electrón varía, con un promedio de 5,7 keV, mientras que el antineutrino electrónico casi indetectable se lleva la energía restante.. Una energía de electrones tan baja causa que el electrón no pueda penetrar en la piel o incluso no viajar muy lejos en el aire. Las partículas beta del tritio pueden penetrar solo alrededor de 6.0 mm de aire. Es prácticamente imposible diseñar un detector cuyas paredes puedan penetrar estas partículas beta. En cambio, el monitor de tritio en el aire bombea el aire contaminado con tritio a través de una cámara de ionización, de modo que toda la energía de las partículas beta se puede convertir útilmente para producir pares de iones dentro de la cámara.
Detección de radiación gamma utilizando la cámara de ionización
Los rayos gamma tienen muy pocos problemas para penetrar las paredes metálicas de la cámara. Por lo tanto, las cámaras de ionización pueden usarse para detectar radiación gamma y rayos X colectivamente conocidos como fotones, y para esto se usa el tubo sin ventanas. Las cámaras de ionización tienen una buena respuesta uniforme a la radiación en una amplia gama de energías y son los medios preferidos para medir altos niveles de radiación gamma. Algunos problemas son causados por el hecho de que las partículas alfa son más ionizantes que las partículas beta y que los rayos gamma, por lo que se produce más corriente en la región de la cámara de ionización por alfa que beta y gamma. 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. Típicamente, se puede usar una presión de 8-10 atmósferas, y se emplean varios gases nobles. Por ejemplo, las cámaras de ionización de xenón de alta presión (HPXe) son ideales para su uso en entornos no controlados, ya que se ha demostrado que la respuesta del detector es uniforme en grandes rangos de temperatura (20-170 ° C). La mayor presión da como resultado una mayor densidad de gas y, por lo tanto, una mayor posibilidad de colisión con el gas de relleno y la creación de pares de iones por la radiación gamma incidente. Debido al aumento del grosor de la pared requerido para soportar esta alta presión, solo se puede detectar la radiación gamma. Estos detectores se utilizan en medidores topográficos y para monitoreo ambiental.
Detección de neutrones usando la cámara de ionización
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.).
Las cámaras de ionización se utilizan a menudo como dispositivo de detección de partículas cargadas. 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 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. Cualquiera de los dos métodos puede usarse para detectar neutrones en un reactor nuclear. Cabe señalar que los contadores BF 3 generalmente se operan en la región proporcional.
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