DETECTORES GASEOSOS
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DETECTORES GASEOSOS |
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Los detectores gaseosos (La Cámara de Ionización, el Contador Proporcional y el detector Geiger-Müller) se basan en la recolección directa de la ionización producida por una partícula al atravesar un gas encerrado entre dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial.
Veámos las características de cada uno de ellos:
El detector más sencillo de este tipo es la cámara de ionización, que se puede considerar como un condensador plano-paralelo en la que la región entre los planos está rellena de un gas, usualmente aire. El campo eléctrico en esta región evita que los iones se recombinen con los electrones y se puede interpretar que en esta situación los electrones se dirigen al electrodo positivo, mientras que los iones cargados positivamente lo hacen al negativo.
Gas
W (eV/par)
H2
37
He
41
N2
35
O2
31
Aire
35
Ne
36
Ar
26
Energía media necesaria para formar un par electrón-ión
La energía media necesaria para producir un ión en aire es de unos 35 eV , por tanto una radiación de 1 MeV, produce un máximo de 3 x 104 iones y electrones. Para una cámara de ionización de tamaño medio, de unos 10x10 cm con una separación de 1 cm entre las placas, la capacidad es de 8.9 x 10-12 F y el voltaje del pulso recogido es de unos:
Este voltaje es bastante pequeño, por lo que debe ser amplificado (hasta un valor 10000) antes de que se pueda analizada normalmente.
La amplitud de la señal es proporcional al número de iones creados (y por tanto, a la energía depositada por la radiación), y es independiente del voltaje entre las placas.
El voltaje aplicado determina la velocidad de deriva de los electrones e iones hacia los electrodos de la cámara. Para un valor típico del voltaje de unos 100 V, los iones se mueven a velocidades de 1 m/s. Esto hace que tarden hasta 0.01 s en atravesar una cámara de 1 cm de grosor (Los electrones son más móviles y viajarán unas 1000 veces más rápido). Estos tiempos son excesivamente largos para los tiempos con los que normalmente se trabaja en la detección de radiaciones nucleares. Por ejemplo, una fuente débil de 1 mCi da un promedio de una desintegración cada 30 ms. Por tanto, la cámara de ionización no sirve como contador de señales individuales.
Normalmente se usa la cámara de ionización como monitor de radiación. La intensidad de la radiación se recogida como una corriente que representa la interacción de muchas radiaciones durante el tiempo de respuesta de la cámara. La corriente de salida es proporcional tanto a la actividad de la fuente y a la energía de las radiaciones (radiaciones de mayor energía dan una mayor ionización y por tanto, una mayor respuesta).
Para lograr observar pulsos individuales, debemos aumentar el voltaje aplicado (superando los 1000V). De este modo el mayor campo eléctrico es capaz de acelerar los electrones lo suficiente como para que éstos puedan generar ionizaciones secundarias. Los electrones secundarios acelerados producen nuevas ionizaciones, con lo que finalmente se genera una avalancha o cascada de ionizaciones.
Aunque hay un gran número de ionizaciones secundarias (~1000-100000), la cámara siempre trabaja de modo que este número es proporcional al número de sucesos primarios (de ahí el nombre de contador proporcional).
La geometría del contador proporcional suele ser cilíndrica, tal como se muestra en la figura:
En este caso, el campo eléctrico es:
donde r es la distancia radial, b el radio interno del cátodo y a el radio externo del ánodo.
La avalancha ocurrirá obviamente en la región donde el campo es mayor cerca del cable de ánodo. Esta región, sin embargo, representa solamente una pequeña fracción del volumen de la cámara. La gran mayoría de los iones originales son creados lejos de esta región central, y la deriva de los electrones es lenta hasta que inician el proceso de avalancha. (Los sucesos primarios que ocurren dentro de la región de campo intenso, son poco amplificados, dado que no tienen la oportunidad de crear tantas colisiones).
Debido a que la señal de salida de un contador proporcional proviene principalmente del proceso de avalancha, el cual ocurre muy rápidamente, el tiempo viene determinado por el tiempo de deriva de los electrones primarios desde el punto de formación del ión original hasta la vecindad del ánodo donde ocurre la avalancha. Este tiempo es del orde de los microsegundos, y por tanto, el contador puede trabajar en modo pulsado hasta ritmos de conteo del orden de 10^6 por segundo.
Se emplea para detectar rayos X de baja energía y electrones de baja energía. También con gases como BF3 o ³He se detectan neutrones con energías en el rango (0.1 eV – 100keV).
Si el campo eléctrico es aumentado aún más, se alcanza la región Geiger-Müller. En este caso, se pueden generar avalanchas secundarias en cualquier parte del tubo producidas por fotones emitidos por átomos excitados en la avalancha original.
Estos fotones pueden viajar relativamente lejos de la región de la avalancha original y en poco tiempo el tubo entero participa en el proceso. El factor de amplificación puede llegar a ser de hasta 10^10. Los contadores basados en este principio se conocen como contadores de Geiger-Müller.
Debido a que el tubo entero participa en cada suceso incidente, no hay información de la energía de la radiación original (todas las radiaciones incidentes producen idénticos pulsos de salida ~1V). Sirve, por tanto, como contador de pulsos.
La señal de salida de un contador Geiger consiste en los electrones recogidos de los muchos precesos de avalancha. La señal, como se ha dicho, es del orden de 1 V, por lo que no se requiere en general una amplificación adicional. El tiempo de recogida es del orden de 10^(-6), tiempo durante el cual los iones positivos no se mueven lejos de la región de la avalancha. Por tanto, alrededor del ánodo queda una nube de iones cargados positivamente que reduce la intensidad del campo eléctrico que finalmente finaliza el proceso de avalancha.
El ciclo será completado después de que los iones positivos hayan alcanzado el ánodo y hayan sido neutralizados [lo que lleva 10^(-4) - 10^(-3) s].
Existe un problema: durante su viaje los iones pueden ser acelerados y alcanzar el ánodo con la suficiente energía para liberar electrones y empezar el proceso de nuevo (debido a la naturaleza del proceso de avalancha múltiple en el tubo Geiger basta con un electrón para crear un pulso de salida). Para evitar que esto ocurra, se añade un segundo tipo de gas,denominado "quenching gas" (gas de extinción) compuesto por moléculas orgánicas complejas como el Etanol (mientras que el gas primario está generalmente formado por moléculas simples, como el Argón). Una mezcla típica será: 90% Argón y 10% Etanol. La naturaleza molecular de este gas añadido evita la aparición de estos electrones finales.
Detectores gaseosos de radiación
(Distintas regiones según el voltaje aplicado).
Las varias regiones de operación de los detectores gaseosos aparecen en la figura anterior. Para voltajes pequeños, los electrones y los iones primarios pueden recombinarse. Según el voltaje aumenta, se alcanza la región de la cámara de ionización, donde el pulso de salida el proporcional a la ionización primaria producida por la radiación y por tanto a su energía, pero independiente de V. En la región proporcional, la amplitud del pulso aumenta con V para hacer más sencillo el análisis, pero el pulso de salida es aún proporcional a la energía de la radiación a través de la ionización producida. Finalmente se alcanza la zona Geiger, donde todas las radiaciones dan la misma salida, independientemente de la ionización inicial o la energía de la radiación.
