O que é Contador Proporcional – Detector Proporcional – Definição

O contador proporcional, também conhecido como detector proporcional, é um dispositivo elétrico que detecta vários tipos de radiação ionizante. A tensão do detector é ajustada para que as condições correspondam à região proporcional. Dosimetria de Radiação

Um  contador proporcional , também conhecido como detector proporcional , é um dispositivo elétrico que detecta vários tipos de radiação ionizante. A tensão do detector é ajustada para que as condições correspondam à região proporcional . 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 , que cria um único pulso elétrico grande. Os contadores proporcionais gasosos geralmente operam em campos elétricos altos da ordem de 10 kV / cm e atingemfatores de amplificação de cerca de 10 5 . Como o fator de amplificação depende fortemente da tensão aplicada, a carga coletada (sinal de saída) também depende da tensão aplicada e os contadores proporcionais exigem tensão constante.

Detectores de ionização gasosa - Regiões

Essa é uma diferença sutil, mas importante, entre as câmaras de ionização e os contadores proporcionais . Uma câmara de ionização produzirá uma corrente proporcional ao número de elétrons coletados a cada segundo. Essa corrente é calculada pela média e é usada para conduzir uma leitura de exibição em Bq ou μSv / h. Contadores proporcionais 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).

O processo de amplificação de carga melhora muito a relação sinal / ruído do detector e reduz a amplificação eletrônica subsequente necessária. Quando os instrumentos são operados na região proporcional, a tensão deve ser mantida constante . Se uma tensão permanecer constante, o fator de amplificação do gás também não muda. Os instrumentos proporcionais de detecção de contadores são muito sensíveis a baixos níveis de radiação. Por arranjos funcionais, modificações e polarização adequados, o contador proporcional pode ser usado para detectar radiação alfa, beta, gama ou nêutron em campos de radiação mista. Além disso, contadores proporcionais são capazes de identificar partículase medição de energia (espectroscopia). A altura do pulso reflete a energia depositada pela radiação incidente no gás do detector. Como tal, é possível distinguir os pulsos maiores produzidos por partículas alfa dos pulsos menores produzidos por partículas beta ou raios gama .

Enquanto as câmaras de ionização podem ser operadas no modo atual ou de pulso, os contadores proporcionais ou Geiger são quase sempre usados ​​no modo de pulso. Detectores de radiação ionizante podem ser usados ​​tanto para medições de atividade quanto para medições de dose. Com o conhecimento sobre a energia necessária para formar um par de íons – a dose pode ser obtida.

Argônio e hélio são os gases de enchimento mais usados ​​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. Para fins especiais, foram utilizadas outras misturas de gases, como uma mistura de gases equivalente ao tecido, que consiste em 64,4% de metano, 32,4% de dióxido de carbono e 3,2% de nitrogênio.

Veja também: Vantagens e desvantagens dos contadores proporcionais

 

Princípio básico dos contadores proporcionais

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 proporcional possui um cátodo e um ânodo que são mantidos em alguma tensão (acima de 1000 V), e o dispositivo é caracterizado por uma capacitância determinada pela geometria dos eletrodos. Num contador proporcional, o gás de enchimento da câmara é um gás inerte que é ionizado por radiação incidente e um gás de têmpera para garantir que cada descarga de pulso termine; uma mistura comum é 90% argônio, 10% metano, conhecido como P-10.

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. Esta região de avalanche ocorre apenas frações de um milímetro do fio do ânodo, que por si só tem um diâmetro muito pequeno. O objetivo disso é usar o efeito de multiplicação da avalanche produzida por cada par de íons. Esta é a região da “avalanche”. Um dos principais objetivos do projeto é que cada evento ionizante original devido à radiação incidente produza apenas uma avalanche. Os fatores de amplificação de gás podem variar de unidade na região de ionização a 10 3 ou 10 4 na região proporcional . O alto fator de amplificação do contador proporcional é a principal vantagem sobre a câmara de ionização.

A coleta de todos esses elétrons produzirá uma carga nos eletrodos e um pulso elétrico no circuito de detecção. Cada pulso corresponde a um raio gama ou interação de partículas. A altura do pulso é proporcional ao número de elétrons originais produzidos. Mas, neste caso, a altura do pulso é amplificada significativamente pelo detector. O fator de proporcionalidade, neste caso, é o fator de amplificação de gás. O número de elétrons produzidos é proporcional à energia da partícula incidente. Portanto, contadores proporcionais são capazes de identificação de partículas e medição de energia (espectroscopia). Diferentes energias de radiação e diferentes tipos de radiação podem ser distinguidos através da análise da altura do pulso, uma vez que diferem significativamente na ionização primária (baixa LET versus alta LET).

A construção da câmara de ionização difere do contador proporcional. O design da placa plana é preferido para as câmaras de ionização, ou cilindros concêntricos podem ser utilizados na construção para permitir a integração dos pulsos produzidos pela radiação incidente. Contadores proporcionais e contadores Geiger geralmente utilizam cilindro e eletrodo central. O contador proporcional exigiria um controle exato do campo elétrico entre os eletrodos, o que não seria prático.

Têmpera – Contadores Proporcionais

Num contador proporcional, o gás de enchimento da câmara é um gás inerte que é ionizado por radiação incidente e um gás de têmpera para garantir que cada descarga de pulso termine; uma mistura comum é 90% argônio, 10% metano, conhecido como P-10.

Para cada elétron coletado na câmara, resta um íon de gás carregado positivamente. 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. No processo, parte da energia é liberada, o que causa ionização adicional dos átomos de gás. 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 aprimorado pelo uso 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.

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 contador proporcional

Contadores proporcionais na forma de detectores planos de grandes áreas são amplamente utilizados para verificar a contaminação radioativaem pessoal, superfícies planas, ferramentas e roupas. Os contadores proporcionais são normalmente usados ​​para detectar partículas alfa e beta e podem permitir a discriminação entre eles, fornecendo uma saída de pulso proporcional à energia depositada na câmara por cada partícula. Eles têm uma alta eficiência para beta, mas menor para alfa. Para que partículas alfa e beta sejam detectadas por contadores proporcionais, 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 2 para permitir partículas beta de baixa energia (por exemplo, de carbono-14) para entrar 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.

Os raios gama têm muito pouco problema em penetrar nas paredes metálicas da câmara. Portanto, contadores proporcionais podem ser usados ​​para detectar radiação gama e raios X (tubos de paredes finas) coletivamente conhecidos como fótons, e para isso o tubo sem janelas é usado.

A principal desvantagem do uso de contadores proporcionais em instrumentos portáteis é que eles requerem uma fonte de alimentação e um amplificador muito estáveis ​​para garantir condições operacionais constantes (no meio da região proporcional). Isso é difícil de fornecer em um instrumento portátil, e é por isso que os contadores proporcionais tendem a ser mais utilizados em instrumentos fixos ou de laboratório.

Contador proporcional – espectroscopia

Em geral, os espectroscópios são dispositivos projetados para medir a distribuição de energia espectral de uma fonte. A radiação incidente gera um sinal que permite determinar a energia da partícula incidente.

Fonte: wikipedia.org Licença: Public Domain

Nos contadores proporcionais , o número de elétrons produzidos é proporcional à energia e ao tipo da partícula incidente. Portanto, contadores proporcionais são capazes de identificação de partículas e medição de energia (espectroscopia). Diferentes energias de radiação e diferentes tipos de radiação podem ser distinguidos através da análise da altura do pulso, uma vez que diferem significativamente na ionização primária (baixa LET versus alta LET). Contadores proporcionais podem ser usados, por exemplo, para analisar um espectro de radiações alfa ou um espectro de partículas beta. A resolução de energia de um contador proporcional, no entanto, é limitada porque o evento inicial de ionização e o evento subsequente de ‘multiplicação’ estão sujeitos a flutuações estatísticas caracterizadas por um desvio padrão igual à raiz quadrada do número médio formado.

Um contador proporcional esférico de grande volume pode ser usado para medições de nêutrons. O gás N 2 puro é estudado para detecção térmica e rápida de nêutrons , fornecendo uma nova maneira para a espectroscopia de nêutrons. Os nêutrons são detectados pelas reações 14 N (n, p) 14 C e 14 N (n, α) 11 B.

Deve-se observar que, para espectrometria gama, os detectores mais comuns incluem contadores de cintilação de iodeto de sódio (NaI) e detectores de germânio de alta pureza.

Câmara Proporcional Multi-wire – MWPC

Uma câmara proporcional de múltiplos fios é um tipo de contador proporcional usado especialmente na física de partículas de alta energia para detectar partículas carregadas e fótons e pode fornecer informações posicionais sobre sua trajetória. Este dispositivo foi desenvolvido por Georges Charpak e seus colaboradores. Esta invenção o levou a ganhar o Prêmio Nobel de Física em 1992. A câmara de múltiplos fios utiliza uma série de fios em alta tensão (ânodo), que passam por uma câmara com paredes condutoras mantidas no potencial de aterramento (cátodo). O princípio é ter um plano de fios de ânodo posicionado com precisão, com espaçamentos típicos de cerca de 2 mm. Ao calcular pulsos de todos os fios, a trajetória das partículas pode ser encontrada.

Detecção de nêutrons usando o contador proporcional

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.).

Contadores proporcionais são frequentemente usados ​​como o dispositivo de detecção de partículas carregadas. Em usinas nucleares, os contadores proporcionais a gás (BF 3 ) são normalmente usados ​​como detectores de faixa de fonte. Esses detectores usam o trifluoreto de boro a gás (BF 3 ) em vez de ar na câmara. 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.

A saída proporcional do contador está na forma de um pulso para cada evento ionizante; portanto, há uma série de pulsos aleatórios variando em magnitude, representando eventos ionizadores de nêutrons e gama. A altura do pulso pode ser de apenas alguns milivolts, o que é muito baixo para ser usado diretamente sem amplificação. O discriminador exclui a passagem de pulsos inferiores a um nível predeterminado. A função do discriminador é excluir pulsos de ruído e gama com magnitude menor que os pulsos de nêutrons.

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