Contador Geiger
Un contador Geiger (también conocido como contador Geiger-Müller) es un instrumento electrónico utilizado para detectar y medir la radiación ionizante. Se utiliza ampliamente en aplicaciones como la dosimetría de radiación, la protección radiológica, la física experimental y la industria nuclear.
Detecta radiaciones ionizantes como partículas alfa, partículas beta y rayos gamma utilizando el efecto de ionización producido en un tubo Geiger-Müller, que da nombre al instrumento. Con un uso amplio y prominente como instrumento de estudio de radiación portátil, es quizás uno de los instrumentos de detección de radiación más conocidos del mundo.
El principio de detección original se realizó en 1908 en la Universidad de Manchester, pero no fue hasta el desarrollo del tubo Geiger-Müller en 1928 que el contador Geiger se pudo producir como un instrumento práctico. Desde entonces, ha sido muy popular debido a su elemento de detección robusto y su costo relativamente bajo. Sin embargo, existen limitaciones en la medición de altas tasas de radiación y la energía de la radiación incidente.
Principio de funcionamiento
Un contador Geiger consta de un tubo Geiger-Müller (el elemento sensor que detecta la radiación) y la electrónica de procesamiento, que muestra el resultado.
El tubo Geiger-Müller se llena con un gas inerte como helio, neón o argón a baja presión, al que se le aplica un alto voltaje. El tubo conduce brevemente la carga eléctrica cuando una partícula o un fotón de radiación incidente hace que el gas sea conductor por ionización. La ionización se amplifica considerablemente dentro del tubo por el efecto de descarga Townsend para producir un pulso de detección fácilmente medible, que se alimenta a la electrónica de procesamiento y visualización. Este gran pulso del tubo hace que el contador Geiger sea relativamente barato de fabricar, ya que la electrónica posterior se simplifica enormemente. La electrónica también genera el alto voltaje, generalmente de 400 a 900 voltios, que debe aplicarse al tubo Geiger-Müller para permitir su funcionamiento. Este voltaje debe seleccionarse cuidadosamente, ya que un voltaje demasiado alto permitirá una descarga continua, dañando el instrumento e invalidando los resultados. Por el contrario, un voltaje demasiado bajo dará como resultado un campo eléctrico demasiado débil para generar un pulso de corriente. El voltaje correcto generalmente lo especifica el fabricante. Para detener la descarga en el tubo Geiger-Müller, se agrega una pequeña cantidad de gas halógeno o material orgánico (alcohol) a la mezcla de gases.
Lectura
Hay dos tipos de lectura de radiación detectada: recuentos y dosis de radiación.
- La pantalla cuenta es la más simple, y muestra el número de eventos ionizantes detectados: se muestra como una tasa de conteo, como "cuentas por minuto" o "cuentas por segundo", o como un número total de conteos durante un período de tiempo establecido (un total integrado). La lectura de cuentas se utiliza normalmente cuando se detectan partículas de alfa o beta.
- Más complejo para lograr es una indicación de la tasa de dosis de radiación, mostrada en unidades como el sievert, que se utiliza normalmente para medir las tasas de dosis de gamma o rayos X. Un tubo Geiger-Müller puede detectar la presencia de radiación, pero no su energía, que influye en el efecto ionizante de la radiación. En consecuencia, los instrumentos de medición de la dosis requieren el uso de un tubo Geiger-Müller compensado por la energía, de manera que la dosis mostrada se relaciona con los conteos detectados. La electrónica aplicará factores conocidos para hacer esta conversión, que es específica para cada instrumento y está determinada por el diseño y la calibración.
La lectura puede ser analógica o digital, y los instrumentos modernos ofrecen comunicaciones en serie con una red o una computadora central.
Por lo general, hay una opción para producir clics audibles que representan la cantidad de eventos de ionización detectados. Este es el sonido distintivo asociado con los contadores Geiger de mano o portátiles. El propósito de esto es permitir que el usuario se concentre en la manipulación del instrumento mientras conserva la retroalimentación auditiva sobre la tasa de radiación.
Limitaciones
Hay dos limitaciones principales del contador Geiger:
- Debido a que el pulso de salida de un tubo Geiger-Müller es siempre de la misma magnitud (sin importar la energía de la radiación del incidente), el tubo no puede diferenciar entre los tipos de radiación.
- El tubo es menos preciso a altas tasas de radiación, ya que cada evento de ionización es seguido por un "tiempo muerto", un período insensible durante el cual cualquier otra radiación incidental no resulta en un conteo. Típicamente, el tiempo muerto reducirá las tasas de cuenta indicadas por encima de alrededor de 104 a 105 cuenta por segundo, dependiendo de la característica del tubo que se utilice. Aunque algunos contadores tienen circuitos que pueden compensar esto, para mediciones precisas los instrumentos de cámara ion son preferidos por altas tasas de radiación.
Tipos y aplicaciones
La aplicación de detección prevista de un contador Geiger dicta el diseño del tubo utilizado. En consecuencia, hay una gran cantidad de diseños, pero generalmente se pueden categorizar como "ventana final", sin ventanas "de pared delgada", "de pared gruesa", ya veces híbridos de estos tipos.
Detección de partículas
Los primeros usos históricos del principio de Geiger fueron para detectar partículas α y β, y el instrumento todavía se usa para este propósito en la actualidad. Para partículas α y partículas β de baja energía, la "ventana final" Se debe usar un tipo de tubo Geiger-Müller, ya que estas partículas tienen un rango limitado y un material sólido las detiene fácilmente. Por lo tanto, el tubo requiere una ventana que sea lo suficientemente delgada para permitir que la mayor cantidad posible de estas partículas pasen al gas de llenado. La ventana suele estar hecha de mica con una densidad de entre 1,5 y 2,0 mg/cm2.
Las partículas alfa tienen el rango más corto y, para detectarlas, la ventana idealmente debería estar dentro de los 10 mm de la fuente de radiación debido a la atenuación de las partículas alfa. Sin embargo, el tubo Geiger-Müller produce una salida de pulso que es de la misma magnitud para toda la radiación detectada, por lo que un contador Geiger con un tubo de ventana en el extremo no puede distinguir entre partículas α y β. Un operador experto puede usar la distancia variable desde una fuente de radiación para diferenciar entre partículas α y β de alta energía.
El "panqueque" El tubo Geiger-Müller es una variante de la sonda de ventana final, pero está diseñado con un área de detección más grande para que la verificación sea más rápida. Sin embargo, la presión de la atmósfera contra la baja presión del gas de relleno limita el tamaño de la ventana debido a la resistencia limitada de la membrana de la ventana.
Algunas partículas β también se pueden detectar mediante un detector de paredes delgadas "sin ventanas" Tubo de Geiger-Müller, que no tiene ventana en el extremo, pero permite que las partículas β de alta energía atraviesen las paredes del tubo. Aunque las paredes del tubo tienen un mayor poder de frenado que una ventana final delgada, todavía permiten que estas partículas más energéticas alcancen el gas de llenado.
Los contadores Geiger de ventana final todavía se utilizan como un instrumento de detección y medición de contaminación radiactiva, portátil y de propósito general, debido a su costo relativamente bajo, robustez y eficiencia de detección relativamente alta; particularmente con partículas β de alta energía. Sin embargo, para diferenciar entre partículas α y β o proporcionar información sobre la energía de las partículas, deben utilizarse contadores de centelleo o contadores proporcionales. Esos tipos de instrumentos se fabrican con áreas de detección mucho más grandes, lo que significa que la verificación de la contaminación de la superficie es más rápida que con un contador Geiger.
Detección de rayos gamma y rayos X
Los contadores Geiger se utilizan mucho para detectar la radiación gamma y los rayos X, conocidos colectivamente como fotones, y para ello se utiliza el tubo sin ventanas. Sin embargo, la eficiencia de detección es baja en comparación con las partículas alfa y beta. El artículo sobre el tubo Geiger-Müller contiene una descripción más detallada de las técnicas utilizadas para detectar la radiación de fotones. Para los fotones de alta energía, el tubo se basa en la interacción de la radiación con la pared del tubo, generalmente un material de alta Z como el acero cromado de 1 a 2 mm de espesor para producir electrones dentro de la pared del tubo. Estos entran e ionizan el gas de llenado.
Esto es necesario ya que el gas a baja presión en el tubo tiene poca interacción con los fotones de mayor energía. Sin embargo, a medida que las energías de los fotones disminuyen a niveles bajos, hay una mayor interacción del gas y aumenta la interacción directa del gas. A muy bajas energías (menos de 25 keV) domina la ionización directa del gas y un tubo de acero atenúa los fotones incidentes. En consecuencia, a estas energías, un diseño de tubo típico es un tubo largo con una pared delgada que tiene un mayor volumen de gas, para dar una mayor posibilidad de interacción directa de una partícula con el gas de relleno.
Por encima de estos bajos niveles de energía, existe una variación considerable en respuesta a diferentes energías de fotones de la misma intensidad, y un tubo con paredes de acero emplea lo que se conoce como "compensación de energía" en forma de anillos filtrantes alrededor del tubo desnudo, que intenta compensar estas variaciones en un amplio rango de energía. Un tubo Geiger-Müller de acero cromado tiene una eficiencia de alrededor del 1% en una amplia gama de energías.
Detección de neutrones
Se usa una variación del tubo Geiger para medir los neutrones, donde el gas usado es trifluoruro de boro o helio-3 y se usa un moderador de plástico para desacelerar los neutrones. Esto crea una partícula alfa dentro del detector y, por lo tanto, se pueden contar los neutrones.
Medición gamma: protección del personal y control de procesos
El término "contador Geiger" se usa comúnmente para referirse a un medidor de tipo topográfico portátil, sin embargo, el principio Geiger se usa ampliamente en el "área gamma" alarmas para la protección del personal y en aplicaciones de enclavamiento y medición de procesos. Un tubo Geiger sigue siendo el dispositivo de detección, pero la electrónica de procesamiento tendrá un mayor grado de sofisticación y confiabilidad que la que se usa en un medidor de medición portátil.
Diseño físico
Para las unidades portátiles hay dos configuraciones físicas fundamentales: la "integral" unidad con detector y electrónica en la misma unidad, y la unidad de "dos piezas" diseño que tiene una sonda detectora separada y un módulo electrónico conectado por un cable corto.
En la década de 1930, se agregó una ventana de mica al diseño cilíndrico que permitía el paso fácil de la radiación de baja penetración.
La unidad integral permite la operación con una sola mano, por lo que el operador puede usar la otra mano para su seguridad personal en posiciones de monitoreo desafiantes, pero el diseño de dos piezas permite una manipulación más fácil del detector y se usa comúnmente para la contaminación de superficies alfa y beta. monitoreo donde se requiere una manipulación cuidadosa de la sonda o el peso del módulo electrónico dificultaría la operación. Hay disponibles varios detectores de diferentes tamaños para adaptarse a situaciones particulares, como colocar la sonda en aberturas pequeñas o espacios confinados.
Los detectores de rayos X y gamma generalmente usan un detector "integral" diseño para que el tubo Geiger-Müller quede convenientemente dentro del recinto de la electrónica. Esto se puede lograr fácilmente porque la carcasa generalmente tiene poca atenuación y se emplea en mediciones gamma ambientales donde la distancia desde la fuente de radiación no es un factor significativo. Sin embargo, para facilitar mediciones más localizadas, como la "dosis de superficie", la posición del tubo en el recinto a veces se indica mediante objetivos en el recinto para que se pueda realizar una medición precisa con el tubo en la orientación correcta y una distancia conocida de la superficie.
Hay un tipo particular de instrumento gamma conocido como "punto caliente" detector que tiene el tubo detector en el extremo de un poste largo o conducto flexible. Estos se utilizan para medir ubicaciones de alta radiación gamma mientras protegen al operador por medio de blindaje de distancia.
La detección de partículas alfa y beta se puede utilizar tanto en diseños integrales como de dos piezas. Una sonda de panqueque (para alfa/beta) se usa generalmente para aumentar el área de detección en instrumentos de dos piezas mientras es relativamente liviana. En los instrumentos integrales que utilizan un tubo de ventana final, hay una ventana en el cuerpo de la carcasa para evitar la protección de partículas. También hay instrumentos híbridos que tienen una sonda separada para la detección de partículas y un tubo de detección gamma dentro del módulo electrónico. Los detectores son conmutables por el operador, dependiendo del tipo de radiación que se esté midiendo.
Orientación sobre el uso de la aplicación
En el Reino Unido, la Junta Nacional de Protección Radiológica emitió una nota de orientación para el usuario sobre la selección del mejor tipo de instrumento portátil para la aplicación de medición de radiación en cuestión. Cubre todas las tecnologías de instrumentos de protección radiológica e incluye una guía para el uso de detectores G-M.
Historia
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En 1908, Hans Geiger, bajo la supervisión de Ernest Rutherford en la Universidad Victoria de Manchester (ahora la Universidad de Manchester), desarrolló una técnica experimental para detectar partículas alfa que luego se usaría para desarrollar el tubo Geiger-Müller en 1928 Este contador inicial solo era capaz de detectar partículas alfa y era parte de un aparato experimental más grande. El mecanismo de ionización fundamental utilizado fue descubierto por John Sealy Townsend entre 1897 y 1901, y se conoce como descarga de Townsend, que es la ionización de moléculas por impacto iónico.
No fue hasta 1928 que Geiger y Walther Müller (estudiante de doctorado de Geiger) desarrollaron el tubo sellado de Geiger-Müller que utilizaba los principios básicos de ionización utilizados anteriormente de forma experimental. Pequeño y resistente, no solo podía detectar la radiación alfa y beta como lo habían hecho los modelos anteriores, sino también la radiación gamma. Ahora se podía producir un instrumento práctico de radiación a un precio relativamente bajo, y así nació el contador Geiger. Como la salida del tubo requería poco procesamiento electrónico, una clara ventaja en la era de las válvulas termoiónicas debido al recuento mínimo de válvulas y al bajo consumo de energía, el instrumento logró una gran popularidad como detector de radiación portátil.
Las versiones modernas del contador Geiger utilizan el tubo halógeno inventado en 1947 por Sidney H. Liebson. Reemplazó al tubo Geiger-Müller anterior debido a su vida útil mucho más larga y su voltaje de funcionamiento más bajo, generalmente de 400 a 900 voltios.
Galería
Uso de un detector de "punto caliente" en un poste largo para inspeccionar las barricas de desechos.
Detector de tortitas G-M (derecha) alimentando un microcontrolador registrador de datos (izquierda) enviando datos a un PC a través de bluetooth. Una roca radiactiva fue colocada en el detector causando que el gráfico (en segundo plano) aumentara.
Los contadores G-M se utilizan como monitores de encuestas gamma, en este ejemplo buscando desechos radiactivos por satélite
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