Contador Geiger
Um contador Geiger (também conhecido como contador Geiger–Müller) é um instrumento eletrônico usado para detectar e medir radiação ionizante. É amplamente utilizado em aplicações como dosimetria de radiação, proteção radiológica, física experimental e indústria nuclear.
Ele detecta radiações ionizantes como partículas alfa, partículas beta e raios gama usando o efeito de ionização produzido em um tubo Geiger-Müller, que dá nome ao instrumento. Em uso amplo e proeminente como um instrumento portátil de levantamento de radiação, é talvez um dos instrumentos de detecção de radiação mais conhecidos do mundo.
O princípio de detecção original foi realizado em 1908 na Universidade de Manchester, mas não foi até o desenvolvimento do tubo Geiger-Müller em 1928 que o contador Geiger pôde ser produzido como um instrumento prático. Desde então, tem sido muito popular devido ao seu elemento sensor robusto e custo relativamente baixo. No entanto, existem limitações na medição de altas taxas de radiação e da energia da radiação incidente.
Princípio de operação
Um contador Geiger consiste em um tubo Geiger–Müller (o elemento sensor que detecta a radiação) e os componentes eletrônicos de processamento, que exibem o resultado.
O tubo Geiger-Müller é preenchido com um gás inerte como hélio, néon ou argônio a baixa pressão, ao qual é aplicada uma alta voltagem. O tubo conduz brevemente carga elétrica quando uma partícula ou fóton de radiação incidente torna o gás condutivo por ionização. A ionização é consideravelmente amplificada dentro do tubo pelo efeito de descarga Townsend para produzir um pulso de detecção facilmente medido, que é alimentado para o processamento e exibição eletrônica. Este grande pulso do tubo torna o contador Geiger relativamente barato de fabricar, já que os componentes eletrônicos subsequentes são bastante simplificados. A eletrônica também gera a alta tensão, normalmente de 400 a 900 volts, que deve ser aplicada ao tubo Geiger-Müller para permitir sua operação. Essa tensão deve ser selecionada com cuidado, pois uma tensão muito alta permitirá uma descarga contínua, danificando o instrumento e invalidando os resultados. Por outro lado, uma tensão muito baixa resultará em um campo elétrico muito fraco para gerar um pulso de corrente. A voltagem correta geralmente é especificada pelo fabricante. Para interromper a descarga no tubo Geiger-Müller, uma pequena quantidade de gás halogênio ou material orgânico (álcool) é adicionada à mistura de gases.
Leitura
Existem dois tipos de leitura de radiação detectada: contagens e dose de radiação.
- A exibição de contagem é a mais simples, e mostra o número de eventos ionizantes detectados: exibidos como uma taxa de contagem, como "contas por minuto" ou "contas por segundo", ou como um número total de contagens ao longo de um período de tempo definido (um total integrado). A leitura de contagem é normalmente usada quando partículas alfa ou beta estão sendo detectadas.
- Mais complexo para alcançar é uma exposição da taxa de dose de radiação, exibida em unidades como o sievert, que normalmente é usado para medir as taxas de dose de gama ou raios X. Um tubo Geiger-Müller pode detectar a presença de radiação, mas não sua energia, o que influencia o efeito ionizante da radiação. Consequentemente, a taxa de dose de instrumentos de medição requer o uso de um tubo de Geiger-Müller compensado por energia, de modo que a dose mostrada se relaciona com as contagens detectadas. A eletrônica aplicará fatores conhecidos para fazer essa conversão, que é específica para cada instrumento e é determinada pelo design e calibração.
A leitura pode ser analógica ou digital, e os instrumentos modernos oferecem comunicação serial com um computador host ou rede.
Geralmente há uma opção para produzir cliques audíveis que representam o número de eventos de ionização detectados. Este é o som característico associado aos contadores Geiger portáteis ou portáteis. O objetivo disso é permitir que o usuário se concentre na manipulação do instrumento enquanto retém o feedback auditivo sobre a taxa de radiação.
Limitações
Existem duas limitações principais do contador Geiger:
- Como o pulso de saída de um tubo Geiger-Müller é sempre da mesma magnitude (independentemente da energia da radiação incidente), o tubo não pode diferenciar entre tipos de radiação.
- O tubo é menos preciso em altas taxas de radiação, porque cada evento de ionização é seguido por um "tempo morto", um período insensível durante o qual qualquer radiação incidente adicional não resulta em uma contagem. Tipicamente, o tempo morto reduzirá as taxas de contagem indicadas acima de 104 a 105 conta por segundo, dependendo da característica do tubo que está sendo usado. Enquanto alguns contadores têm circuitos que podem compensar isso, para medições precisas de instrumentos de câmara de íons são preferidos para altas taxas de radiação.
Tipos e aplicações
A aplicação de detecção pretendida de um contador Geiger determina o projeto do tubo usado. Consequentemente, existem muitos designs, mas eles podem ser geralmente categorizados como "janela final", sem janelas "paredes finas", "paredes grossas", e às vezes híbridos desses tipos.
Detecção de partículas
Os primeiros usos históricos do princípio Geiger foram para detectar partículas α e β, e o instrumento ainda é usado para esse fim hoje. Para partículas α e partículas β de baixa energia, a "janela final" tipo de tubo Geiger-Müller deve ser usado, pois essas partículas têm um alcance limitado e são facilmente paradas por um material sólido. Portanto, o tubo requer uma janela que seja fina o suficiente para permitir que o maior número possível dessas partículas passe para o gás de enchimento. A janela geralmente é feita de mica com uma densidade de cerca de 1,5–2,0 mg/cm2.
As partículas α têm o alcance mais curto e, para detectá-las, a janela deve estar idealmente dentro de 10 mm da fonte de radiação devido à atenuação das partículas α. No entanto, o tubo Geiger-Müller produz uma saída de pulso que é a mesma magnitude para toda a radiação detectada, portanto, um contador Geiger com um tubo de janela final não pode distinguir entre partículas α e β. Um operador qualificado pode usar distância variável de uma fonte de radiação para diferenciar entre partículas α e β de alta energia.
A "panqueca" O tubo Geiger–Müller é uma variante da sonda de janela final, mas projetada com uma área de detecção maior para tornar a verificação mais rápida. No entanto, a pressão da atmosfera contra a baixa pressão do gás de enchimento limita o tamanho da janela devido à resistência limitada da membrana da janela.
Algumas partículas β também podem ser detectadas por um filtro "sem janela" Tubo Geiger-Müller, que não tem janela final, mas permite que partículas β de alta energia passem pelas paredes do tubo. Embora as paredes do tubo tenham um poder de parada maior do que uma janela final fina, elas ainda permitem que essas partículas mais energéticas alcancem o gás de enchimento.
Os contadores Geiger de janela final ainda são usados como um instrumento de medição e detecção de contaminação radioativa, portátil e de uso geral, devido ao seu custo relativamente baixo, robustez e eficiência de detecção relativamente alta; particularmente com partículas β de alta energia. No entanto, para discriminação entre partículas α e β ou fornecimento de informações de energia de partícula, contadores de cintilação ou contadores proporcionais devem ser usados. Esses tipos de instrumentos são fabricados com áreas de detecção muito maiores, o que significa que a verificação da contaminação da superfície é mais rápida do que com um contador Geiger.
Detecção de gama e raios-X
Os contadores Geiger são amplamente utilizados para detectar radiação gama e raios-X conhecidos coletivamente como fótons, e para isso é usado o tubo sem janelas. No entanto, a eficiência de detecção é baixa em comparação com as partículas alfa e beta. O artigo sobre o tubo Geiger-Müller traz um relato mais detalhado das técnicas usadas para detectar radiação de fótons. Para fótons de alta energia, o tubo depende da interação da radiação com a parede do tubo, geralmente um material de alto Z, como aço cromado de 1 a 2 mm de espessura, para produzir elétrons dentro da parede do tubo. Estes entram e ionizam o gás de enchimento.
Isso é necessário porque o gás de baixa pressão no tubo tem pouca interação com fótons de energia mais alta. No entanto, à medida que as energias dos fótons diminuem para níveis baixos, há maior interação do gás e a interação direta do gás aumenta. Em energias muito baixas (menos de 25 keV), a ionização direta do gás domina e um tubo de aço atenua os fótons incidentes. Conseqüentemente, nessas energias, um projeto de tubo típico é um tubo longo com uma parede fina que possui um volume de gás maior, para aumentar a chance de interação direta de uma partícula com o gás de enchimento.
Acima desses baixos níveis de energia, há uma variação considerável em resposta a diferentes energias de fótons da mesma intensidade, e um tubo com paredes de aço emprega o que é conhecido como "compensação de energia" na forma de anéis de filtro ao redor do tubo nu, que tenta compensar essas variações em uma grande faixa de energia. Um tubo Geiger-Müller de aço cromado tem cerca de 1% de eficiência em uma ampla gama de energias.
Detecção de nêutrons
Uma variação do tubo Geiger é usada para medir nêutrons, onde o gás usado é trifluoreto de boro ou hélio-3 e um moderador de plástico é usado para desacelerar os nêutrons. Isso cria uma partícula alfa dentro do detector e, portanto, os nêutrons podem ser contados.
Medição gama - proteção pessoal e controle de processo
Enquanto "contador Geiger" é praticamente sinônimo de variedade portátil, o princípio Geiger é amplamente utilizado em instalações de "área gama" alarmes para proteção pessoal, bem como em medições de processo e aplicações de intertravamento. A eletrônica de processamento dessas instalações tem um grau de sofisticação e confiabilidade maior do que a dos medidores portáteis.
Design físico
Para unidades portáteis, existem duas configurações físicas fundamentais: a configuração "integral" unidade com detector e eletrônica na mesma unidade, e o "duas peças" design que possui uma sonda de detecção separada e um módulo eletrônico conectado por um cabo curto.
Na década de 1930, uma janela de mica foi adicionada ao design cilíndrico, permitindo que a radiação de baixa penetração passasse com facilidade.
A unidade integral permite a operação com uma mão, para que o operador possa usar a outra mão para segurança pessoal em posições de monitoramento desafiadoras, mas o design de duas peças permite uma manipulação mais fácil do detector e é comumente usado para contaminação de superfície alfa e beta monitoramento onde a manipulação cuidadosa da sonda é necessária ou o peso do módulo eletrônico tornaria a operação difícil de manejar. Vários detectores de tamanhos diferentes estão disponíveis para atender a situações específicas, como colocar a sonda em pequenas aberturas ou espaços confinados.
Os detectores de raios-X e gama geralmente usam um detector "integral" projeto para que o tubo Geiger-Müller esteja convenientemente dentro do invólucro eletrônico. Isso pode ser facilmente alcançado porque o invólucro geralmente tem pouca atenuação e é empregado em medições de gama ambiente onde a distância da fonte de radiação não é um fator significativo. No entanto, para facilitar medições mais localizadas, como "dose de superfície", a posição do tubo no invólucro às vezes é indicada por alvos no invólucro para que uma medição precisa possa ser feita com o tubo na orientação correta e uma distância conhecida da superfície.
Existe um tipo particular de instrumento gama conhecido como "hot spot" detector que tem o tubo detector na extremidade de um poste longo ou conduíte flexível. Estes são usados para medir locais de alta radiação gama enquanto protegem o operador por meio de blindagem de distância.
A detecção de partículas de alfa e beta pode ser usada em projetos integrais e de duas peças. Uma sonda em forma de panqueca (para alfa/beta) é geralmente usada para aumentar a área de detecção em instrumentos de duas peças enquanto é relativamente leve. Em instrumentos integrais que utilizam um tubo de janela final, há uma janela no corpo do invólucro para evitar a blindagem de partículas. Existem também instrumentos híbridos que possuem uma sonda separada para detecção de partículas e um tubo de detecção gama dentro do módulo eletrônico. Os detectores são comutáveis pelo operador, dependendo do tipo de radiação que está sendo medido.
Orientação sobre o uso do aplicativo
No Reino Unido, o Conselho Nacional de Proteção Radiológica emitiu uma nota de orientação ao usuário sobre a seleção do melhor tipo de instrumento portátil para a aplicação de medição de radiação em questão. Isso abrange todas as tecnologias de instrumentos de proteção contra radiação e inclui um guia para o uso de detectores G-M.
História
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Em 1908, Hans Geiger, sob a supervisão de Ernest Rutherford na Victoria University of Manchester (agora University of Manchester), desenvolveu uma técnica experimental para detectar partículas alfa que mais tarde seria usada para desenvolver o tubo Geiger-Müller em 1928 Esse contador inicial só era capaz de detectar partículas alfa e fazia parte de um aparato experimental maior. O mecanismo fundamental de ionização utilizado foi descoberto por John Sealy Townsend entre 1897 e 1901, e é conhecido como descarga de Townsend, que é a ionização de moléculas por impacto de íons.
Não foi até 1928 que Geiger e Walther Müller (um estudante de doutorado de Geiger) desenvolveram o tubo Geiger-Müller selado que usava princípios básicos de ionização previamente usados experimentalmente. Pequeno e robusto, ele não apenas detectava radiação alfa e beta como os modelos anteriores, mas também radiação gama. Agora, um instrumento de radiação prático poderia ser produzido de forma relativamente barata, e assim nasceu o contador Geiger. Como a saída do tubo exigia pouco processamento eletrônico, uma vantagem distinta na era das válvulas termiônicas devido ao número mínimo de válvulas e ao baixo consumo de energia, o instrumento alcançou grande popularidade como detector portátil de radiação.
Versões modernas do contador Geiger usam o tubo de halogênio inventado em 1947 por Sidney H. Liebson. Ele substituiu o tubo Geiger-Müller anterior por causa de sua vida muito mais longa e menor tensão operacional, normalmente 400-900 volts.
Galeria
Uso de um detector "ponto quente" em um pólo longo para pesquisar caixas de resíduos.
Detector de panqueca G-M (direita) alimentando um microcontrolador de dados (esquerda) enviando dados para um PC via bluetooth. Uma rocha radioativa foi colocada no detector fazendo com que o grafo (em fundo) aumentasse.
balcões G-M sendo usados na busca por detritos de satélite Kosmos 954
