La cámara de ionización es el tipo más simple de detector de ionización gaseosa y se usa ampliamente para la detección y medición de muchos tipos de radiación ionizante , incluidos rayos X , rayos gamma , partículas alfa y partículas beta . Convencionalmente, el término "cámara de ionización" se refiere exclusivamente a aquellos detectores que recogen todas las cargas creadas por la ionización directa dentro del gas mediante la aplicación de un campo eléctrico. [1] Utiliza las cargas discretas creadas por cada interacción entre la radiación incidente y el gas para producir una salida en forma de una pequeña corriente continua . Esto significa que no se pueden medir eventos ionizantes individuales, por lo que no se puede diferenciar la energía de diferentes tipos de radiación, pero proporciona una muy buena medición del efecto ionizante general.
Tiene una buena respuesta uniforme a la radiación en una amplia gama de energías y es el medio preferido para medir altos niveles de radiación gamma, como en una celda caliente de radiación, ya que pueden tolerar períodos prolongados en campos de alta radiación sin degradación. Se utilizan ampliamente en la industria de la energía nuclear, laboratorios de investigación, detección de incendios , protección radiológica y monitoreo ambiental .
Una cámara de ionización de gas mide la carga a partir del número de pares de iones creados dentro de un gas causado por la radiación incidente. Consta de una cámara llena de gas con dos electrodos ; conocidos como ánodo y cátodo . Los electrodos pueden tener la forma de placas paralelas (cámaras de ionización de placas paralelas: PPIC) o de un cilindro con un alambre de ánodo interno ubicado coaxialmente.
Se aplica un potencial de voltaje entre los electrodos para crear un campo eléctrico en el gas de relleno. Cuando los átomos o moléculas de gas entre los electrodos se ionizan por radiación ionizante incidente , se crean pares de iones y los iones positivos resultantes y los electrones disociados se mueven hacia los electrodos de polaridad opuesta bajo la influencia del campo eléctrico. Esto genera una corriente de ionización que, según el diseño de la cámara, se mide mediante un circuito electrómetro en el rango de femtoamperios a picoamperios y es proporcional a la dosis de radiación. [1]
El campo eléctrico tiene que ser suficientemente fuerte para impedir la recombinación de pares iónicos que disminuiría la corriente iónica, y la acumulación de iones positivos se evita mediante su recombinación con los electrones cuando alcanzan el cátodo. Este modo de funcionamiento se denomina modo "corriente", lo que significa que la señal de salida es una corriente continua y no una salida de pulso como en los casos del tubo Geiger-Müller o el contador proporcional. [1]
Con referencia al gráfico de recolección de pares iónicos adjunto, se puede ver que en la región operativa de la cámara de iones la carga de un par iónico recolectado es efectivamente constante en un rango de voltaje aplicado, ya que debido a su intensidad de campo eléctrico relativamente baja, la cámara de iones no tiene ningún efecto de multiplicación. Esto se diferencia del tubo Geiger-Müller o del contador proporcional mediante el cual los electrones secundarios y, en última instancia, múltiples avalanchas amplifican en gran medida las cargas de ionización originales para producir pulsos mensurables. [1]
Se utilizan habitualmente los siguientes tipos de cámaras.
Se trata de una cámara abierta libremente a la atmósfera, donde el gas de llenado es aire ambiente. El detector de humo doméstico es un buen ejemplo de esto, donde es necesario un flujo natural de aire a través de la cámara para que las partículas de humo puedan detectarse mediante el cambio en la corriente iónica. Otros ejemplos son aplicaciones en las que los iones se crean fuera de la cámara pero son transportados mediante un flujo forzado de aire o gas.
Estas cámaras normalmente son cilíndricas y funcionan a presión atmosférica, pero para evitar la entrada de humedad se instala un filtro que contiene un desecante en la línea de ventilación. [2] Esto es para evitar que se acumule humedad en el interior de la cámara, que de otro modo sería introducida por el efecto de "bomba" del cambio de presión del aire atmosférico. Estas cámaras tienen un cuerpo cilíndrico fabricado en aluminio o plástico de unos pocos milímetros de espesor. El material se selecciona para que tenga un número atómico similar al del aire, de modo que se dice que la pared es "equivalente al aire" en un rango de energías del haz de radiación. [1] [3] [4] Esto tiene el efecto de garantizar que el gas en la cámara actúe como si fuera una porción de un volumen de gas infinitamente grande y aumenta la precisión al reducir las interacciones de gamma con el material de la pared. Cuanto mayor sea el número atómico del material de la pared, mayores serán las posibilidades de interacción. El espesor de la pared es un equilibrio entre mantener el efecto del aire con una pared más gruesa y aumentar la sensibilidad utilizando una pared más delgada. Estas cámaras suelen tener una ventana final hecha de un material lo suficientemente fino, como mylar, para que las partículas beta puedan entrar en el volumen de gas. La radiación gamma entra tanto por la ventana del extremo como por las paredes laterales. Para los instrumentos portátiles, el espesor de la pared se hace lo más uniforme posible para reducir la direccionalidad de los fotones, aunque cualquier respuesta de ventana beta es obviamente altamente direccional. Las cámaras ventiladas son susceptibles a pequeños cambios en la eficiencia con la presión del aire [2] y se pueden aplicar factores de corrección para aplicaciones de medición muy precisas.
Son similares en construcción a la cámara ventilada, pero están sellados y funcionan a presión atmosférica o alrededor de ella. Estas cámaras también tienen la ventaja de no requerir ventilación ni desecante. Para mejorar la eficiencia de la detección, se llenan con un gas noble porque el oxígeno altamente electronegativo del aire captura fácilmente los electrones libres y forma iones negativos. La resistencia de la ventana beta limita la presión diferencial de la presión atmosférica que puede tolerarse, y los materiales comunes son el acero inoxidable o el titanio con un espesor típico de 25 µm. [5]
La eficiencia de la cámara se puede aumentar aún más mediante el uso de un gas a alta presión. Normalmente se puede utilizar una presión de 8 a 10 atmósferas y se emplean varios gases nobles. La presión más alta da como resultado una mayor densidad del gas y, por lo tanto, una mayor probabilidad de colisión con el gas de relleno y creación de pares iónicos por radiación incidente. Debido al mayor espesor de pared necesario para soportar esta alta presión, sólo se puede detectar la radiación gamma. Estos detectores se utilizan en medidores topográficos y para monitoreo ambiental. [2]
Lo más comúnmente utilizado para mediciones de radioterapia es una cámara cilíndrica o "dedal". El volumen activo está alojado dentro de una cavidad en forma de dedal con una superficie conductora interna (cátodo) y un ánodo central. Un voltaje de polarización aplicado a través de la cavidad recolecta iones y produce una corriente que se puede medir con un electrómetro.
Las cámaras de placas paralelas (PPIC) tienen forma de disco pequeño, con electrodos colectores circulares separados por un pequeño espacio, normalmente de 2 mm o menos. El disco superior es extremadamente delgado, lo que permite mediciones de dosis cercanas a la superficie mucho más precisas que las posibles con una cámara cilíndrica. Las cámaras de monitorización suelen ser PPIC que se utilizan para medir continuamente, por ejemplo, la intensidad de un haz de radiación. Por ejemplo, dentro del encabezamiento de los aceleradores lineales utilizados para radioterapia . Las cámaras de ionización de múltiples cavidades pueden medir la intensidad del haz de radiación en varias regiones diferentes, proporcionando información sobre la simetría y la planitud del haz.
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Marie y Pierre Curie utilizaron las primeras versiones de la cámara de iones en su trabajo original para aislar materiales radiactivos. Desde entonces, la cámara de iones ha sido una herramienta ampliamente utilizada en el laboratorio con fines de investigación y calibración.
La cámara del condensador tiene una cavidad secundaria dentro del vástago que actúa como condensador . Cuando este condensador está completamente cargado, cualquier ionización dentro del dedal contrarresta esta carga y se puede medir el cambio de carga. Sólo son prácticos para haces con una energía de 2 MeV o menos, y la elevada fuga del vástago los hace inadecuados para una dosimetría precisa.
De diseño similar a una cámara de placas paralelas, la placa superior de una cámara de extrapolación se puede bajar mediante tornillos micrométricos. Las mediciones pueden tomarse con diferentes distancias entre placas y extrapolarse a una distancia entre placas igual a cero, es decir, la dosis sin cámara.
Las cámaras de iones se utilizan ampliamente en medidores de radiación portátiles para medir la radiación beta y gamma. Son particularmente preferidos para mediciones de tasas de dosis altas y para radiación gamma dan buena precisión para energías superiores a 50-100 keV. [1]
Hay dos configuraciones básicas; la unidad "integral" con la cámara y la electrónica en el mismo estuche, y el instrumento "de dos piezas" que tiene una sonda de cámara de iones separada unida al módulo electrónico mediante un cable flexible.
La cámara del instrumento integral generalmente está en la parte frontal de la carcasa mirando hacia abajo, y para los instrumentos beta/gamma hay una ventana en la parte inferior de la carcasa. Suele tener un escudo deslizante que permite discriminar entre radiación gamma y beta. El operador cierra el escudo para excluir beta y así puede calcular la tasa de cada tipo de radiación.
Algunos instrumentos portátiles generan clics audibles similares a los producidos por un contador GM para ayudar a los operadores, quienes utilizan la retroalimentación de audio en estudios de radiación y controles de contaminación. Como la cámara de iones funciona en modo corriente, no en modo pulso, esto se sintetiza a partir de la tasa de radiación.
Para mediciones de procesos industriales y enclavamientos con altos niveles de radiación sostenidos, la cámara de iones es el detector preferido. En estas aplicaciones sólo la cámara está situada en el área de medición y la electrónica está situada remotamente para protegerla de la radiación y conectada mediante un cable. Los instrumentos instalados se pueden utilizar para medir la gamma ambiental para la protección del personal y normalmente hacen sonar una alarma por encima de una velocidad preestablecida, aunque generalmente se prefiere el instrumento de tubo Geiger-Müller cuando no se requieren altos niveles de precisión.
La humedad es el principal problema que afecta la precisión de las cámaras de iones. El volumen interno de la cámara debe mantenerse completamente seco y el tipo ventilado utiliza un desecante para ayudar con esto. [2] Debido a las corrientes muy bajas generadas, cualquier corriente de fuga parásita debe mantenerse al mínimo para preservar la precisión. La humedad higroscópica invisible en la superficie de los dieléctricos y conectores de los cables puede ser suficiente para provocar una corriente de fuga que inundará cualquier corriente iónica inducida por radiación. Esto requiere una limpieza escrupulosa de la cámara, sus terminaciones y cables, y posterior secado en horno. Los "anillos de protección" se utilizan generalmente como característica de diseño en tubos de mayor voltaje para reducir las fugas a través o a lo largo de la superficie de los aisladores de conexión de tubos, que pueden requerir una resistencia del orden de 10 13 Ω. [6]
Para aplicaciones industriales con electrónica remota, la cámara de iones está alojada en un recinto separado que proporciona protección mecánica y contiene un desecante para eliminar la humedad que podría afectar la resistencia de la terminación.
En instalaciones donde la cámara está a gran distancia de la electrónica de medición, las lecturas pueden verse afectadas por la radiación electromagnética externa que actúa sobre el cable. Para superar esto, a menudo se utiliza un módulo convertidor local para traducir las corrientes muy bajas de la cámara de iones a un tren de impulsos o una señal de datos relacionada con la radiación incidente. Estos son inmunes a los efectos electromagnéticos.
Las cámaras de ionización se utilizan ampliamente en la industria nuclear ya que proporcionan una salida proporcional a la dosis de radiación . Encuentran un amplio uso en situaciones en las que se mide una tasa de dosis alta constante, ya que tienen una vida útil mayor que los tubos Geiger-Müller estándar, que sufren descomposición de gas y generalmente están limitados a una vida útil de aproximadamente 10-11 eventos . [1] Además, el tubo Geiger-Müller no puede funcionar por encima de aproximadamente 10 4 cuentas por segundo, debido a efectos de tiempo muerto, mientras que no existe una limitación similar en la cámara de iones.
La cámara de ionización ha encontrado un uso amplio y beneficioso en los detectores de humo . En un detector de humo de tipo ionización, se permite que el aire ambiente entre libremente en la cámara de ionización. La cámara contiene una pequeña cantidad de americio-241 , que es un emisor de partículas alfa que producen una corriente iónica constante. Si entra humo en el detector, se interrumpe esta corriente porque los iones chocan contra las partículas de humo y se neutralizan. Esta caída de corriente activa la alarma. El detector también tiene una cámara de referencia que está sellada pero ionizada de la misma manera. La comparación de las corrientes de iones en las dos cámaras permite compensar los cambios debidos a la presión del aire, la temperatura o el envejecimiento de la fuente. [7]
En física médica y radioterapia , las cámaras de ionización se utilizan para garantizar que la dosis administrada desde una unidad de terapia [8] o radiofármaco sea la prevista. Los dispositivos utilizados para la radioterapia se denominan "dosímetros de referencia", mientras que los utilizados para los radiofármacos se denominan calibradores de dosis de radioisótopos, un nombre inexacto para los calibradores de radioactividad de radionúclidos , que se utilizan para medir la radiactividad pero no la dosis absorbida. [9] Una cámara tendrá un factor de calibración establecido por un laboratorio de estándares nacionales como ARPANSA en Australia o el NPL en el Reino Unido, o tendrá un factor determinado por comparación con una cámara estándar de transferencia trazable a estándares nacionales en el sitio del usuario. [4] [10]
En el Reino Unido, el HSE ha publicado una guía del usuario sobre cómo seleccionar el instrumento de medición de radiación correcto para la aplicación particular en cuestión. [11] Esto cubre todas las tecnologías de instrumentos de radiación y es una guía comparativa útil para el uso de instrumentos de cámara de iones.
