Tubo contador

Dispositivo de detección de radiación con tubo contador

Los contratubos se utilizan para detectar y medir la radiación ionizante , por lo que pertenecen a los detectores de radiación y partículas .

El contratubo funciona según el diseño y la tensión de funcionamiento.

• como cámara de ionización ,
• como tubo contador proporcional (también contador proporcional )
• o como un tubo contador Geiger-Müller (también llamado un gatillo tubo contador , contador Geiger-Müller o indicador Geiger-Müller ).

El término contador Geiger , que se encuentra a menudo , se refiere técnicamente al tubo contador Geiger-Müller. Coloquialmente, sin embargo, también puede significar un dispositivo de medición de radiación completo, como un dispositivo de detección de contaminación o un dispositivo de medición de tasa de dosis . El detector en tales dispositivos es a menudo, pero no siempre, un tubo contador Geiger-Müller.

En principio, cada uno de los tres modos de funcionamiento mencionados es posible con un mismo contratubo. La mayoría de los tubos de conteo están optimizados para algunas de estas aplicaciones.

construcción

Esquema básico de un contratubo, aquí con una ventana de extremo delgada para radiación de partículas y de baja energía

Los contratubos más simples consisten en un tubo metálico cilíndrico cerrado por ambos lados, que representa el cátodo . El ánodo , un cable de p. Ej. B. 0,1 mm de diámetro, se ubica en el eje del cilindro y sale del contratubo por un extremo a través de un aislante (vidrio). El diámetro de la tubería es de unos centímetros.

Dichos contratubos son adecuados para la detección de radiación gamma porque penetra en el tubo metálico. Si también se van a detectar radiaciones alfa y beta , un extremo del contratubo solo puede cerrarse con una película de baja masa (por ejemplo, mica o película de PET orientada biaxialmente ) ( contratubo de ventana ). La película debe resistir la diferencia de presión con el aire exterior, pero permitir que las partículas entren en el contratubo.

El tubo se llena con un gas (gas de recuento ), como se describe con más detalle a continuación.

función

Características esquemáticas de un contratubo. La altura de pulso observada para la radiación incidente de energía de partículas uniforme se representa en forma vertical.

Se aplica un voltaje de CC entre el ánodo y el cátodo. Cuando la radiación ionizante incide, genera electrones libres en el relleno de gas, que migran al ánodo en el campo eléctrico. En el caso de la radiación de partículas cargadas, el número de electrones es proporcional a la energía emitida por la partícula incidente en el gas.

El proceso posterior depende esencialmente del voltaje entre ánodo y cátodo, como muestra la curva que se muestra ( característica ). A bajo voltaje, algunos de los electrones se recombinan con los iones en su camino hacia el ánodo. El pulso de corriente que ocurre en el circuito corresponde solo a los electrones que han alcanzado el ánodo; esta porción varía en tamaño dependiendo de la ubicación de la ionización en la tubería y por lo tanto no proporciona ninguna información sobre la energía emitida por la partícula detectada. Esta área de voltaje aplicado se llama área de recombinación.

Cámara de ionización

A voltajes más altos, alrededor de 100 voltios, todos los electrones liberados llegan al ánodo. El pulso que se puede medir en el circuito es, por tanto, proporcional a la energía que emite la radiación en el contratubo. El contratubo funciona ahora como cámara de ionización y se utiliza, por ejemplo, como dispositivo de medición de radiación dispersa .

Si se va a registrar toda la energía de una partícula de radiación, la trayectoria de la partícula debe terminar en el gas, es decir, el rango de radiación en el gas debe ser más corto que las dimensiones del contratubo en la dirección del haz. En consecuencia, para esto se utilizan contratubos relativamente grandes (hasta aproximadamente 1 m de largo) y rellenos de gas con una sobrepresión de algunos bares .

Tubo contador proporcional

Si el voltaje aumenta aún más, los electrones liberados por la radiación se aceleran tan fuertemente debido a la alta intensidad del campo eléctrico cerca del cable del ánodo que pueden disparar más electrones a través de colisiones con los átomos de gas. Hay avalanchas de electrones con n electrones cada una ( n puede ser hasta 1 millón); esto también se llama amplificación de gas . Dado que las avalanchas solo ocurren en un área muy pequeña cerca del ánodo, el tamaño del pulso de corriente medido es independiente de la ubicación de la ionización original y sigue siendo proporcional a la energía de la radiación incidente. Es por eso que este rango de voltaje operativo se llama rango proporcional . En comparación con el funcionamiento de la cámara de ionización, el impulso es n veces mayor y, por lo tanto, más fácil de medir.

Lo mismo se aplica a las dimensiones y la presión del gas que a las cámaras de ionización. Dado que el rango proporcional se encuentra en una parte pronunciada de la característica, la tensión de funcionamiento debe ser constante con mucha precisión. Mientras que una cámara de ionización z. B. también puede tener electrodos de placa paralelos, la geometría del campo con el alambre del ánodo delgado es esencial para el contratubo proporcional. La forma cilíndrica del cátodo, por otro lado, no es decisiva; Los contadores proporcionales también pueden tener otras formas, dependiendo de los requisitos geométricos, y también pueden contener varios alambres de ánodo paralelos.

Los contratubos proporcionales no solo ofrecen la posibilidad de medir energías de partículas, sino que también se utilizan para. B. utilizado en protección radiológica debido a la capacidad de diferenciar entre radiación alfa y beta. Los monitores de manos y pies para controles de rutina al salir de las áreas de control también contienen contadores proporcionales.

De la investigación física z. Un ejemplo es el experimento de neutrinos de Homestake , en el que se utilizaron contadores proporcionales para diferenciar de forma fiable desintegraciones beta muy raras de una muestra gaseosa de otra radiación. En una forma más desarrollada, el contador proporcional se utiliza como cámara proporcional de múltiples cables y como detector de pajitas, también en física de alta energía .

Tubos contadores proporcionales para neutrones

Detección de neutrones en el tubo contador BF ₃

Además, la radiación de neutrones se puede medir con contadores proporcionales. Para medir la energía de los neutrones rápidos (aprox. 0,1 a 6  MeV ), se utiliza hidrógeno o metano a una presión de unos pocos bares como gas de recuento . El espectro de neutrones se puede inferir del espectro de energía de los protones de retroceso a partir de la dispersión elástica medida con él .

El gas trifluoruro de boro (BF ₃ ) es adecuado para neutrones lentos, especialmente para neutrones térmicos . Los dos iones producidos al mismo tiempo en la reacción nuclear exotérmica ¹⁰ B (n, ) ⁷ Li, la partícula alfa y el núcleo atómico de litio, conducen a la ionización. El BF ₃ con boro enriquecido en B-10 se usa a menudo con el propósito de una mayor probabilidad de detección . ${\ Displaystyle \ alpha}$

En lugar del relleno de gas BF ₃ , también se puede utilizar una capa que contenga boro en el interior del contratubo. Esto tiene la ventaja de que, al contar el gas z. B. se puede usar argón , lo que da pulsos más cortos. Por otro lado, es desventajoso que la reacción nuclear deje menos energía de ionización en el gas, porque por razones cinemáticas sólo uno de los dos iones se emite al interior de la tubería; esto hace que sea más difícil distinguir entre pulsos gamma.

El raro isótopo de helio helio-3 también puede servir como gas de recuento de neutrones. La reacción exotérmica aquí también es ³ He (n, p) ³ H. El helio-3 es más caro que el trifluoruro de boro, pero da como resultado una mayor probabilidad de detección porque no contiene ningún otro núcleo atómico, la sección transversal de la reacción es mayor y se puede utilizar una mayor presión de llenado. Los contratubos de He-3 se pueden operar a temperaturas más altas a las que se descompondría el trifluoruro de boro.

Los contratubos de boro y helio-3 también se operan en el rango proporcional y no en el rango Geiger-Müller (ver más abajo) para poder diferenciar entre radiación gamma y radiación de neutrones, por ejemplo. Una aplicación importante (principalmente con un tubo contador BF ₃ ) es el contador largo .

Tubo contador Geiger-Müller

Tubo contador Geiger-Müller desmontado para radiación gamma. Debajo del contratubo real hecho de vidrio con alambre de ánodo en el medio y alambre helicoidal como cátodo; placas de blindaje en el medio , que se unen entre el contratubo y la carcasa para cambiar la sensibilidad a la radiación de diferentes energías; por encima de la carcasa exterior de aluminio, longitud 30 cm.

Por encima de cierto voltaje, incluso más alto, en el "área de meseta" de la característica que se muestra arriba, cada partícula ionizante entrante causa una descarga de gas independiente , es decir , cada segundo electrón liberado libera al menos un nuevo electrón antes de llegar al ánodo. Además, se genera radiación ultravioleta que se ioniza en lugares remotos, de modo que la descarga se esparce por todo el contratubo. El tipo de contratubo que funciona de esta manera se denomina contratubo Geiger-Müller. Una vez iniciada ( encendida ), la descarga de gas se "quema" independientemente del tipo y la energía de la radiación desencadenante (de ahí la designación alternativa de "tubo contador del disparador") y solo se apaga cuando la intensidad del campo ha disminuido lo suficiente debido a que la nube de iones se mueve radialmente exterior. Se evita una nueva ignición de la descarga de gas cuando los iones golpean la pared de la tubería agregando un gas extintor al gas de llenado (ver bajo llenado de gas).

Los impulsos de corriente son, por tanto, de un tamaño uniforme y tan grandes que, en determinadas circunstancias, pueden hacerse audibles como ruidos de rotura directamente en un altavoz sin amplificación. Un solo electrón liberado es suficiente para disparar, por lo que el detector tiene la mejor sensibilidad posible. El área de meseta de la tensión de trabajo también se denomina área de Geiger-Müller .

En comparación con otros detectores, el tubo contador Geiger-Müller tiene un tiempo muerto relativamente largo del orden de 100 microsegundos debido al proceso de descarga de gas . A esto le sigue un tiempo de recuperación igualmente largo, durante el cual un nuevo impulso no alcanza su altura máxima.
El tiempo muerto surge del hecho de que la descarga de gas está limitada en corriente por una alta resistencia, por ejemplo 100 kiloohmios, en la línea de alimentación de alto voltaje; el reencendido después del impulso es impedido por una caída de voltaje. La vida útil de los iones se puede reducir añadiendo un gas extintor, de modo que se reduce el tiempo muerto.

Los tubos contadores Geiger-Müller se utilizan, por ejemplo, para comprobar si hay contaminación y para fines generales de protección radiológica. La información sobre el tipo y la energía de la radiación solo puede obtenerse de forma aproximada con ellos haciendo mediciones comparativas con varios escudos colocados entre la fuente de radiación y el contratubo .

Llenado de gas

Se pueden utilizar muchos gases diferentes, incluso aire, como llenado del contratubo. Gases nobles como B. El argón es ventajoso para lograr los pulsos más cortos posibles porque no forman iones negativos, que viajan mucho más lentamente que los electrones hacia el ánodo. Para la detección de radiación gamma se utiliza argón con sobrepresión de varias barras o, por su elevado número atómico , xenón . En cámaras de ionización y contadores proporcionales, a menudo se agrega una porción de un compuesto gaseoso, como metano o dióxido de carbono . Esta adición reduce la temperatura de los electrones a través de colisiones inelásticas y, por lo tanto, provoca un acortamiento adicional del pulso de corriente, haciendo que el detector sea "más rápido". También suprime la radiación ultravioleta , que podría dar lugar a pulsos redundantes.

Para la planta de Geiger-Müller, se agrega vapor de etanol o un gas halógeno ( cloro o bromo ) al gas . Este gas de extinción asegura que una vez extinguida la descarga de gas, no se produzca una nueva ignición por iones que golpean la pared, ya que sus moléculas consumen energía por disociación en lugar de ionización.

Los tubos de medición estacionarios en algunos casos no están sellados herméticamente, sino que funcionan como medidores de flujo con gas que fluye lentamente. Esto evita problemas de contaminación, reacciones químicas del gas o pequeñas fugas. Con los contadores Geiger-Müller, la adición de etanol, que de otro modo se consumiría en la operación del contratubo, se puede mantener constante.

historia

Contador Geiger, 1932. Museo de Ciencias de Londres .

Un precursor de los contratubos fue descrito por primera vez por Hans Geiger en 1913 . El tubo contador Geiger-Müller se remonta al trabajo de desarrollo de Geiger junto con su colega Walther Müller en la Universidad de Kiel , cuyos resultados se publicaron en 1928. Fue el primer tipo de detector conocido y de uso común que respondió a partículas o cuantos de radiación con un impulso eléctrico. El uso práctico del rango proporcional es más exigente en términos electrónicos - amplificación de los impulsos, estabilidad de la alta tensión - y solo se convirtió en un método rutinario a partir de mediados del siglo XX.

Dado que los impulsos del tubo contador Geiger-Müller son los mismos para todas las partículas, es especialmente adecuado para contar las partículas / cuantos incidentes. Por tanto, la designación "contador Geiger" o "tubo contador Geiger" parece natural. Esta designación se trasladó a los detectores desarrollados posteriormente, como “contador proporcional”, “ contador de centelleo ”, etc., aunque estos no solo se utilizan para contar sino también para medir la energía y para diferenciar los tipos de radiación.

literatura

• Glenn F. Knoll: Detección y medición de radiación. 2da edición, Wiley, Nueva York 1989, ISBN 0-471-81504-7 .
• Konrad Kleinknecht: Detectores de radiación de partículas . 4a edición, Teubner 2005, ISBN 978-3-8351-0058-9
• Sebastian Korff: El tubo contador Geiger-Müller. Un análisis de la historia de la ciencia mediante el método de replicación. En: Revista NTM para la Historia de la Ciencia, Tecnología y Medicina , Volumen 20, Número 4, 2012, págs. 271–308, ( doi: 10.1007 / s00048-012-0080-y ).

enlaces web

Wikcionario: contador Geiger  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones

• Instrumentos Rapp: Instrucciones para el tubo contador Geiger-Müller
• Mineral Atlas: estructura del contador Geiger-Müller , modo de funcionamiento, aplicación (enlace del 18 de noviembre de 2016)

Evidencia individual

1. ↑ Knoll (ver lista de literatura) p. 166 f.
2. ↑ BT Cleveland et al: Medición del flujo de neutrinos de electrones solares con el detector de cloro Homestake . En: Revista astrofísica . 496, 1998, págs. 505-526. doi : 10.1086 / 305343 .
3. ↑ C. Gerthsen: Physik , sexta edición, Springer, 1960.
4. ^ EB Paul: Física nuclear y de partículas , Holanda Septentrional, 1969, p. 124.
5. ↑ Knoll (ver lista de literatura) p. 168.
6. ↑ Paul (ver arriba) p. 127.
7. ↑ Datos de monitores de radiación comerciales como ejemplo ( Memento del 24 de marzo de 2009 en Internet Archive ).
8. ↑ H. Geiger, W. Müller: Tubo contador de electrones para medir las actividades más débiles. En: Die Naturwissenschaften , 16/31, págs. 617–618. (Conferencia y demostración en la reunión de Kiel de la Baja Sajonia Gauverein de la Sociedad Alemana de Física el 7 de julio de 1928).
9. ↑ H. Geiger, W. Müller: El contador de electrones. En: Physikalische Zeitschrift 29, págs. 839-841, (1928).
10. ↑ H. Geiger, W. Müller: Observaciones técnicas sobre el contador de electrones. En: Physikalische Zeitschrift. 30, págs. 489-493. (1929).
11. ↑ H. Geiger, W. Müller: Demostración del contador de electrones. En: Physikalische Zeitschrift 30, p. 523 y siguientes (1929).
12. ^ Bernard L. Cohen: Conceptos de física nuclear . Nueva York, etc.: McGraw-Hill, 1971, p. 217.