Un contador Geiger ( / ˈ ɡ aɪ ɡ ər / , GY -gər ; [1] también conocido como contador Geiger-Müller o contador GM ) es un instrumento electrónico utilizado para detectar y medir radiaciones ionizantes . Se utiliza ampliamente en aplicaciones como dosimetría de radiación , protección radiológica , 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. [2] Con un uso amplio y destacado como instrumento portátil de medición de la radiación , es quizás uno de los instrumentos de detección de radiación más conocidos del mundo .
El principio de detección original se desarrolló en 1908 en la Universidad de Manchester , [3] pero no fue hasta el desarrollo del tubo Geiger-Müller en 1928 que el contador Geiger pudo producirse como un instrumento práctico. Desde entonces, ha sido muy popular debido a su elemento sensor robusto y su costo relativamente bajo. Sin embargo, existen limitaciones a la hora de medir altas tasas de radiación y la energía de la radiación incidente. [4]
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 aplica un alto voltaje. El tubo conduce brevemente carga eléctrica cuando partículas de alta energía o radiación gamma hacen que el gas sea conductor por ionización. La ionización se amplifica considerablemente dentro del tubo mediante el efecto de descarga Townsend para producir un pulso de detección fácilmente medible, que se alimenta a los componentes electrónicos de procesamiento y visualización. Este gran impulso del tubo hace que la fabricación del contador Geiger sea relativamente barata, ya que la electrónica posterior se simplifica enormemente. [4] La electrónica también genera el alto voltaje, típicamente 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. [5] El voltaje correcto generalmente lo especifica el fabricante. Para detener la descarga en el tubo Geiger-Müller, se agrega a la mezcla de gases una pequeña cantidad de gas halógeno o material orgánico conocido como mezcla de extinción .
Hay dos tipos de lectura de radiación detectada: recuentos y dosis de radiación .
La lectura puede ser analógica o digital, y los instrumentos modernos ofrecen comunicaciones en serie con una computadora host o una red.
Generalmente 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 portátiles o de mano. 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.
Existen dos limitaciones principales del contador Geiger:
La aplicación de detección prevista de un contador Geiger dicta el diseño del tubo utilizado. En consecuencia, hay muchos diseños, pero generalmente se pueden clasificar como "ventana final", "paredes delgadas" sin ventanas, "paredes gruesas" y, a veces, híbridos de estos tipos.
Los primeros usos históricos del principio de Geiger fueron para detectar partículas α y β, y el instrumento todavía se utiliza para este propósito en la actualidad. Para partículas α y partículas β de baja energía, se debe utilizar el tipo de "ventana final" de un tubo Geiger-Müller, ya que estas partículas tienen un alcance limitado y un material sólido las detiene fácilmente. Por lo tanto, el tubo requiere una ventana que sea lo suficientemente delgada como 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 aproximadamente 1,5 a 2,0 mg/cm 2 . [2]
Las partículas α tienen el alcance más corto y, para detectarlas, lo ideal es que la ventana esté a 10 mm de la fuente de radiación debido a la atenuación de las partículas α . [2] 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. [4] Un operador experto puede utilizar diferentes distancias desde una fuente de radiación para diferenciar entre partículas α y partículas β de alta energía.
El tubo Geiger-Müller "panqueque" es una variante de la sonda de ventana final, pero está diseñado con un área de detección más grande para agilizar la verificación. Sin embargo, la presión de la atmósfera frente a 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 pueden detectarse mediante un tubo Geiger-Müller "sin ventanas" de paredes delgadas, que no tiene ventana final, pero permite que las partículas β de alta energía pasen a través de las paredes del tubo. Aunque las paredes del tubo tienen un mayor poder de frenado que una ventana final delgada, aún permiten que estas partículas más energéticas alcancen el gas de llenado. [2]
Los contadores Geiger de ventana final todavía se utilizan como instrumento de detección y medición de contaminación radiactiva , portátil y de uso general, debido a su costo relativamente bajo, robustez y eficiencia de detección relativamente alta; particularmente con partículas β de alta energía. [4] [6] Sin embargo, para discriminar entre partículas α y β o proporcionar información sobre la energía de las partículas, se deben utilizar contadores de centelleo o contadores proporcionales . [7] Esos tipos de instrumentos se fabrican con áreas de detector mucho más grandes, lo que significa que verificar la contaminación de la superficie es más rápido que con un contador Geiger.
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 ofrece una descripción más detallada de las técnicas utilizadas para detectar la radiación de fotones. Para fotones de alta energía, el tubo depende de la interacción de la radiación con la pared del tubo, generalmente un material con alto Z [ se necesita aclaración ] , como acero al cromo de 1 a 2 mm de espesor, para producir electrones dentro de la pared del tubo. Éstos entran e ionizan el gas de llenado. [4]
Esto es necesario ya que el gas de baja presión en el tubo tiene poca interacción con 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 energías muy bajas (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 volumen de gas mayor, para brindar una mayor probabilidad de interacción directa de una partícula con el gas de relleno. [2]
Por encima de estos bajos niveles de energía, hay 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 de filtro alrededor del tubo desnudo, que intenta para compensar estas variaciones en un amplio rango de energía. [2] Un tubo Geiger-Müller de acero cromado tiene una eficiencia de aproximadamente el 1% en una amplia gama de energías. [2]
Se puede utilizar una variación del tubo Geiger conocida como esfera de Bonner para medir exclusivamente la dosis de radiación de neutrones en lugar de gamma mediante captura de neutrones. El tubo, que puede contener trifluoruro de boro o helio-3 , está rodeado por un moderador de plástico que reduce las energías de los neutrones antes de la captura. Al capturar el gas objetivo, la energía liberada durante la captura se observa en el tubo y se registra un recuento en el detector.
Si bien el "contador Geiger" es prácticamente sinónimo de la variedad portátil, el principio Geiger se utiliza ampliamente en alarmas de "área gamma" instaladas para protección del personal, así como en aplicaciones de interbloqueo y medición de procesos. La electrónica de procesamiento de tales instalaciones tiene un mayor grado de sofisticación y confiabilidad que la de los medidores portátiles.
Para las unidades portátiles existen dos configuraciones físicas fundamentales: la unidad "integral" con el detector y la electrónica en la misma unidad, y el diseño de "dos piezas" que tiene una sonda detectora separada y un módulo electrónico conectado mediante un cable corto. .
En la década de 1930 se añadió una ventana de mica al diseño cilíndrico que permitía el paso de la radiación de baja penetración con facilidad. [8]
La unidad integral permite la operación con una sola mano, por lo que el operador puede usar la otra mano para 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 el monitoreo de contaminación de superficies alfa y beta donde se requiere cuidado. Se requiere manipulación de la sonda o el peso del módulo electrónico haría que la operación fuera difícil de manejar. 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 gamma y de rayos X generalmente utilizan un diseño "integral" para que el tubo Geiger-Müller quede convenientemente dentro de la caja electrónica. Esto se puede lograr fácilmente porque la carcasa suele tener poca atenuación y se emplea en mediciones de gamma ambiental donde la distancia desde la fuente de radiación no es un factor significativo. Sin embargo, para facilitar mediciones más localizadas, como la "dosis superficial", la posición del tubo en el recinto a veces se indica mediante objetivos en el recinto, de modo que se pueda realizar una medición precisa con el tubo en la orientación correcta y a una distancia conocida del superficie.
Existe un tipo particular de instrumento gamma conocido como detector de "punto caliente" que tiene el tubo detector en el extremo de un poste largo o conducto flexible. Se utilizan para medir ubicaciones de alta radiación gamma mientras protegen al operador mediante un blindaje de distancia.
La detección de partículas alfa y beta se puede utilizar tanto en diseños integrales como de dos piezas. Generalmente se utiliza una sonda tipo panqueque (para alfa/beta) para aumentar el área de detección en instrumentos de dos piezas y al mismo tiempo es relativamente liviana. En los instrumentos integrales que utilizan un tubo con ventana final hay una ventana en el cuerpo de la carcasa para evitar el blindaje 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. El operador puede conmutar los detectores dependiendo del tipo de radiación que se esté midiendo.
En el Reino Unido, la Junta Nacional de Protección Radiológica publicó una nota de orientación para el usuario sobre cómo seleccionar el mejor tipo de instrumento portátil para la aplicación de medición de radiación en cuestión. [7] Esto cubre todas las tecnologías de instrumentos de protección radiológica e incluye una guía para el uso de detectores GM.
.jpg/1280px-Early_Geiger_counter,_made_by_Hans_Geiger,_1932._(9663806938).jpg)
En 1908, Hans Geiger , bajo la supervisión de Ernest Rutherford en la Universidad Victoria de Manchester (ahora Universidad de Manchester ), desarrolló una técnica experimental para detectar partículas alfa que luego se utilizaría para desarrollar el tubo Geiger-Müller en 1928. [9 ] Este primer contador 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, [10] y se conoce como descarga de Townsend , que es la ionización de moléculas por impacto de iones.
No fue hasta 1928 que Geiger y Walther Müller (un estudiante de doctorado de Geiger) desarrollaron el tubo sellado Geiger-Müller que utilizaba principios básicos de ionización previamente utilizados experimentalmente. Pequeño y robusto, no sólo podía detectar la radiación alfa y beta como lo habían hecho los modelos anteriores, sino también la radiación gamma. [8] [11] Ahora se podía producir un instrumento de radiación práctico 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 número mínimo de válvulas y al bajo consumo de energía, el instrumento alcanzó gran popularidad como detector de radiación portátil.
Las versiones modernas del contador Geiger utilizan gases de extinción halógenos, una técnica inventada en 1947 por Sidney H. Liebson . [12] Los compuestos halógenos han reemplazado a los gases de enfriamiento orgánicos debido a su vida útil mucho más larga y voltajes de operación más bajos; normalmente entre 400 y 900 voltios. [13]
Medios relacionados con los contadores Geiger en Wikimedia Commons
