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 los eventos ionizantes individuales no se pueden medir, por lo que no se puede diferenciar la energía de los diferentes tipos de radiación, pero proporciona una muy buena medición del efecto ionizante general.
Tiene una buena respuesta uniforme a la radiación en un amplio rango de energías y es el medio preferido para medir altos niveles de radiación gamma, como en una celda de radiación caliente , ya que pueden tolerar períodos prolongados en campos de alta radiación sin degradarse. Se utilizan ampliamente en la industria de energía nuclear, laboratorios de investigación, detección de incendios , protección radiológica y monitoreo ambiental .
Una cámara de ionización de gas mide la carga a partir de la cantidad de pares de iones creados dentro de un gas causados por la radiación incidente. Consiste en una cámara llena de gas con dos electrodos , conocidos como ánodo y cátodo . Los electrodos pueden tener forma de placas paralelas (cámaras de ionización de placas paralelas: PPIC) o un cilindro con un cable 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 la 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 se mide mediante un circuito electrómetro en la región de femtoamperios a picoamperios , según el diseño de la cámara, y es proporcional a la dosis de radiación. [1]
El campo eléctrico debe ser lo suficientemente fuerte como para evitar la recombinación de pares de iones, lo que disminuiría la corriente de iones, y la acumulación de iones positivos se evita mediante su recombinación con electrones cuando llegan al 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 pulsos como en los casos del tubo Geiger-Müller o el contador proporcional. [1]
Si nos remitimos al gráfico de recolección de pares iónicos adjunto, se puede ver que en la región de funcionamiento 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 distingue del tubo Geiger-Müller o del contador proporcional, en el que los electrones secundarios y, en última instancia, las avalanchas múltiples, amplifican en gran medida las cargas de ionización originales para producir pulsos mensurables. [1]
Los siguientes tipos de cámaras se utilizan comúnmente:
Se trata de una cámara abierta libremente a la atmósfera, donde el gas de relleno es el 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 de iones. Otros ejemplos son aplicaciones en las que los iones se crean fuera de la cámara, pero son transportados por un flujo forzado de aire o gas.
Estas cámaras son normalmente 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 la acumulación de humedad en el interior de la cámara, que de otro modo se introduciría por el efecto de "bombeo" del cambio de presión del aire atmosférico. Estas cámaras tienen un cuerpo cilíndrico hecho de 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 parte 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, mayor será la probabilidad 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 en el extremo hecha de un material lo suficientemente fino, como el 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. En el caso de 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 la ventana beta es obviamente muy 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.
Estas cámaras son similares en construcción a las ventiladas, pero están selladas y funcionan a presión atmosférica o cerca de ella. Estas cámaras también tienen la ventaja de no requerir ventilación ni desecante. Para mejorar la eficiencia de detección, se llenan con un gas noble porque el oxígeno altamente electronegativo del aire captura fácilmente los electrones libres, formando iones negativos. La resistencia de la ventana beta limita la presión diferencial con respecto a la presión atmosférica que se puede tolerar, y los materiales comunes son acero inoxidable o 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 la creación de pares de iones por radiación incidente. Debido al mayor espesor de pared necesario para soportar esta alta presión, solo se puede detectar la radiación gamma. Estos detectores se utilizan en medidores de prospección y para monitoreo ambiental. [2]
La cámara cilíndrica o "dedal" es la que se utiliza con más frecuencia para las mediciones de radioterapia . El volumen activo se aloja dentro de una cavidad con forma de dedal con una superficie conductora interna (cátodo) y un ánodo central. Se aplica un voltaje de polarización a través de la cavidad que recoge 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 que se pueden realizar con una cámara cilíndrica. Las cámaras de monitorización son normalmente PPIC que se utilizan para medir de forma continua, por ejemplo, la intensidad de un haz de radiación. Por ejemplo, dentro del cabezal 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, lo que proporciona 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 de aislamiento de 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 un condensador . Cuando este condensador está completamente cargado, cualquier ionización dentro del dedal contrarresta esta carga y se puede medir el cambio de carga. Solo son prácticos para haces con energía de 2 MeV o menos, y la alta fuga del vástago los hace inadecuados para una dosimetría precisa.
De diseño similar al de una cámara de placas paralelas, la placa superior de una cámara de extrapolación se puede bajar utilizando tornillos micrométricos. Se pueden tomar mediciones con diferentes distancias entre placas y extrapolarlas a una distancia entre placas de cero, es decir, la dosis sin la cámara.
Las cámaras de iones se utilizan ampliamente en los medidores de radiación portátiles para medir la radiación beta y gamma. Son especialmente preferidas para mediciones de tasas de dosis altas y para la radiación gamma, ya que brindan una buena precisión para energías superiores a 50-100 keV. [1]
Hay dos configuraciones básicas: la unidad "integral" con la cámara y la electrónica en la misma carcasa, y el instrumento "de dos piezas" que tiene una sonda de cámara de iones separada conectada al módulo electrónico mediante un cable flexible.
La cámara del instrumento integral se encuentra generalmente en la parte delantera de la carcasa, mirando hacia abajo, y en el caso de los instrumentos beta/gamma, hay una ventana en la parte inferior de la carcasa. Esta suele tener una pantalla deslizante que permite discriminar entre la radiación gamma y beta. El operador cierra la pantalla para excluir la beta y, de este modo, puede calcular la tasa de cada tipo de radiación.
Algunos instrumentos portátiles generan clics audibles similares a los que produce un contador GM para ayudar a los operadores, que utilizan la retroalimentación de audio en los estudios de radiación y los controles de contaminación. Como la cámara de ionización funciona en modo de corriente, no en modo de pulso, esto se sintetiza a partir de la tasa de radiación.
Para las mediciones de procesos industriales y los enclavamientos con niveles elevados de radiación constante, la cámara de iones es el detector preferido. En estas aplicaciones, solo la cámara está situada en el área de medición y los componentes electrónicos están ubicados de forma remota para protegerlos de la radiación y conectados mediante un cable. Se pueden utilizar instrumentos instalados para medir la radiación gamma ambiental para la protección del personal y normalmente hacen sonar una alarma por encima de una frecuencia preestablecida, aunque el instrumento de tubo Geiger-Müller generalmente se prefiere 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 cables puede ser suficiente para causar una corriente de fuga que inundará cualquier corriente de iones inducida por radiación. Esto requiere una limpieza escrupulosa de la cámara, sus terminaciones y cables, y un posterior secado en un horno. Los "anillos de protección" se utilizan generalmente como una característica de diseño en tubos de mayor voltaje para reducir la fuga 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 terminación.
En instalaciones en las que la cámara se encuentra a gran distancia de los componentes electrónicos de medición, las lecturas pueden verse afectadas por la radiación electromagnética externa que actúa sobre el cable. Para solucionar este problema, se suele utilizar un módulo convertidor local que traduce las corrientes muy bajas de la cámara de iones a un tren de pulsos 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 . Se utilizan ampliamente 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 gases y generalmente están limitados a una vida útil de aproximadamente 10 11 eventos de conteo. [1] Además, el tubo Geiger-Müller no puede funcionar por encima de aproximadamente 10 4 conteos por segundo, debido a los efectos de tiempo muerto, mientras que no existe una limitación similar en la cámara de ionización.
La cámara de ionización ha encontrado un uso amplio y beneficioso en los detectores de humo . En un detector de humo de tipo ionizador, se permite que el aire ambiente ingrese libremente a la cámara de ionización. La cámara contiene una pequeña cantidad de americio-241 , que es un emisor de partículas alfa que producen una corriente de iones constante. Si el humo ingresa al detector, interrumpe esta corriente porque los iones golpean las partículas de humo y se neutralizan. Esta caída en la corriente activa la alarma. El detector también tiene una cámara de referencia que está sellada pero está 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 suministrada por una unidad de terapia [8] o radiofármaco sea la prevista. Los dispositivos utilizados para radioterapia se denominan "dosímetros de referencia", mientras que los utilizados para radiofármacos se denominan calibradores de dosis de radioisótopos, un nombre inexacto para los calibradores de radiactividad 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 de patrón de transferencia trazable a los estándares nacionales en el sitio del usuario. [4] [10]
En el Reino Unido, la HSE ha publicado una guía del usuario sobre cómo seleccionar el instrumento de medición de radiación correcto para la aplicación particular en cuestión. [11] Esta guía abarca todas las tecnologías de instrumentos de radiación y es una guía comparativa útil para el uso de instrumentos de cámara de iones.
