El contador proporcional es un tipo de dispositivo detector de ionización gaseosa que se utiliza para medir partículas de radiación ionizante . La característica principal es su capacidad para medir la energía de la radiación incidente, al producir un pulso de salida del detector que es proporcional a la energía de radiación absorbida por el detector debido a un evento ionizante; de ahí el nombre del detector. Se utiliza ampliamente cuando se deben conocer los niveles de energía de la radiación incidente, como en la discriminación entre partículas alfa y beta , o la medición precisa de la dosis de radiación de rayos X.
Un contador proporcional utiliza una combinación de los mecanismos de un tubo Geiger-Müller y una cámara de ionización , y opera en una región de voltaje intermedio entre estos. El gráfico adjunto muestra la región de voltaje de operación del contador proporcional para una disposición de cilindro coaxial.
En un contador proporcional, el gas de relleno de la cámara es un gas inerte que se ioniza por la radiación incidente y un gas de extinción para garantizar que cada descarga de pulso termine; una mezcla común es 90% argón, 10% metano, conocido como P-10. Una partícula ionizante que ingresa al gas choca con un átomo del gas inerte y lo ioniza para producir un electrón y un ion con carga positiva, comúnmente conocido como "par de iones". A medida que la partícula ionizante viaja a través de la cámara, deja un rastro de pares de iones a lo largo de su trayectoria, cuyo número es proporcional a la energía de la partícula si se detiene por completo dentro del gas. Por lo general, una partícula detenida de 1 MeV creará alrededor de 30.000 pares de iones. [1]
La geometría de la cámara y el voltaje aplicado son tales que en la mayor parte de la cámara la intensidad del campo eléctrico es baja y la cámara actúa como una cámara de iones. Sin embargo, el campo es lo suficientemente fuerte como para evitar la recombinación de los pares de iones y hace que los iones positivos se desplacen hacia el cátodo y los electrones hacia el ánodo. Esta es la región de "desplazamiento de iones". En las inmediaciones del cable del ánodo, la intensidad del campo se vuelve lo suficientemente grande como para producir avalanchas de Townsend . Esta región de avalancha se produce a solo fracciones de milímetro del cable del ánodo, que en sí mismo tiene un diámetro muy pequeño. El propósito de esto es utilizar el efecto de multiplicación de la avalancha producida por cada par de iones. Esta es la región de "avalancha".
Un objetivo clave del diseño es que cada evento ionizante original debido a la radiación incidente produzca solo una avalancha. Esto es para asegurar la proporcionalidad entre el número de eventos originales y la corriente iónica total. Por esta razón, el voltaje aplicado, la geometría de la cámara y el diámetro del alambre del ánodo son críticos para asegurar un funcionamiento proporcional. Si las avalanchas comienzan a automultiplicarse debido a los fotones UV como lo hacen en un tubo Geiger-Muller , entonces el contador entra en una región de "proporcionalidad limitada" hasta que a un voltaje aplicado más alto se produce el mecanismo de descarga Geiger con ionización completa del gas que envuelve el alambre del ánodo y la consiguiente pérdida de información energética de las partículas.
Por lo tanto, se puede decir que el contador proporcional tiene la característica clave de diseño de dos regiones de ionización distintas:
El proceso de amplificación de carga mejora enormemente la relación señal-ruido del detector y reduce la amplificación electrónica posterior requerida.
En resumen, el contador proporcional es una ingeniosa combinación de dos mecanismos de ionización en una cámara que encuentra un amplio uso práctico.
Por lo general, el detector se llena con un gas noble ; tienen los voltajes de ionización más bajos y no se degradan químicamente. Por lo general, se utilizan neón , argón , criptón o xenón. Los rayos X de baja energía se detectan mejor con núcleos más ligeros (neón), que son menos sensibles a los fotones de mayor energía. El criptón o el xenón se eligen cuando se necesitan rayos X de mayor energía o para una mayor eficiencia deseada.
A menudo, el gas principal se mezcla con un aditivo de extinción. Una mezcla popular es P10 (10 % metano , 90 % argón).
La presión de trabajo típica es de 1 atmósfera (aproximadamente 100 kPa). [2]
En el caso de un contador proporcional cilíndrico, la multiplicación, M , de la señal provocada por una avalancha se puede modelar de la siguiente manera:
Donde a es el radio del alambre del ánodo, b es el radio del contador, p es la presión del gas y V es el voltaje de operación. K es una propiedad del gas utilizado y relaciona la energía necesaria para provocar una avalancha con la presión del gas. El término final da el cambio de voltaje causado por una avalancha.
La proporcionalidad entre la energía de la partícula cargada que viaja a través de la cámara y la carga total creada hace que los contadores proporcionales sean útiles para la espectroscopia de partículas cargadas . Al medir la carga total ( integral temporal de la corriente eléctrica ) entre los electrodos, podemos determinar la energía cinética de la partícula porque el número de pares de iones creados por la partícula cargada ionizante incidente es proporcional a su energía. Sin embargo, la resolución energética de un contador proporcional es limitada porque tanto el evento de ionización inicial como el evento de "multiplicación" posterior están sujetos a fluctuaciones estadísticas caracterizadas por una desviación estándar igual a la raíz cuadrada del número promedio formado. Sin embargo, en la práctica, estas no son tan grandes como se podría predecir debido al efecto del factor Fano empírico que reduce estas fluctuaciones. [1] En el caso del argón, esto es experimentalmente alrededor de 0,2.
Los contadores proporcionales también son útiles para la detección de fotones de alta energía , como los rayos gamma , siempre que puedan atravesar la ventana de entrada. También se utilizan para la detección de rayos X con niveles de energía inferiores a 1 keV, utilizando tubos de paredes delgadas que funcionan a presión atmosférica o cerca de ella.
Los contadores proporcionales en forma de detectores planos de área grande se utilizan ampliamente para verificar la contaminación radiactiva en el personal, superficies planas, herramientas y prendas de vestir. Esto normalmente se hace en forma de instrumentación instalada debido a las dificultades de proporcionar suministros de gas portátiles para dispositivos manuales. Están construidos con una ventana de detección de área grande hecha de, por ejemplo, mylar metalizado que forma una pared de la cámara de detección y es parte del cátodo. El cable del ánodo se enruta de manera enrevesada dentro de la cámara del detector para optimizar la eficiencia de detección. Normalmente se utilizan para detectar partículas alfa y beta , y pueden permitir la discriminación entre ellas proporcionando una salida de pulso proporcional a la energía depositada en la cámara por cada partícula. Tienen una alta eficiencia para beta, pero menor para alfa. La reducción de la eficiencia para alfa se debe al efecto de atenuación de la ventana de entrada, aunque la distancia desde la superficie que se está verificando también tiene un efecto significativo, e idealmente una fuente de radiación alfa debe estar a menos de 10 mm del detector debido a la atenuación en el aire.
Estas cámaras funcionan a una presión positiva muy leve por encima de la presión atmosférica ambiental. El gas puede estar sellado en la cámara o puede cambiarse continuamente, en cuyo caso se conocen como "contadores proporcionales de flujo de gas". Los tipos de flujo de gas tienen la ventaja de que toleran pequeños orificios en la pantalla de mylar que pueden producirse durante el uso, pero requieren un suministro de gas continuo.
En el Reino Unido, la Dirección de Salud y Seguridad (HSE) ha publicado una nota de orientación para el usuario sobre cómo seleccionar el instrumento de medición de radiación correcto para la aplicación en cuestión. [3] Esta nota abarca todas las tecnologías de instrumentos de radiación y es una guía comparativa útil para el uso de contadores proporcionales.
![{\displaystyle \ln M={\frac {V}{\ln(b/a)}}{\frac {\ln 2}{\Delta V_{\lambda }}}[\ln \left({\frac {V}{pa\ln(b/a)}})-\ln K]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d2f043c75c180974be4a1c0524b4309263e3b27b)
