El tubo Geiger-Müller o tubo G-M es el elemento sensor del instrumento contador Geiger utilizado para la detección de radiaciones ionizantes . Lleva el nombre de Hans Geiger , quien inventó el principio en 1908, [1] y Walther Müller , quien colaboró con Geiger en el desarrollo de la técnica en 1928 para producir un tubo práctico que podía detectar varios tipos de radiación diferentes. [2] [3]
Es un detector de ionización gaseosa y utiliza el fenómeno de avalancha de Townsend para producir un pulso electrónico fácilmente detectable a partir de tan solo un evento ionizante debido a una partícula de radiación. Se utiliza para la detección de radiación gamma , rayos X y partículas alfa y beta . También se puede adaptar para detectar neutrones . El tubo opera en la región "Geiger" de generación de pares iónicos. Esto se muestra en el gráfico adjunto para detectores gaseosos que muestra la corriente iónica frente al voltaje aplicado.
Si bien es un detector robusto y económico, el G–M no puede medir altas tasas de radiación de manera eficiente, tiene una vida finita en áreas de alta radiación y no puede medir la energía de radiación incidente , por lo que no se puede generar información espectral y no hay discriminación entre tipos de radiación; como por ejemplo entre partículas alfa y beta.
Un tubo GM consta de una cámara llena de una mezcla de gases a una presión baja de aproximadamente 0,1 atmósfera . La cámara contiene dos electrodos, entre los cuales existe una diferencia de potencial de varios cientos de voltios . Las paredes del tubo son metálicas o tienen su superficie interior recubierta con un material conductor o un alambre en espiral para formar el cátodo , mientras que el ánodo es un alambre montado axialmente en el centro de la cámara.
Cuando la radiación ionizante incide en el tubo, algunas moléculas del gas de relleno son ionizadas directamente por la radiación incidente, y si el cátodo del tubo es un conductor eléctrico, como el acero inoxidable, indirectamente por medio de electrones secundarios producidos en las paredes del tubo, que migran al gas. Esto crea iones cargados positivamente y electrones libres , conocidos como pares iónicos , en el gas. El fuerte campo eléctrico creado por el voltaje a través de los electrodos del tubo acelera los iones positivos hacia el cátodo y los electrones hacia el ánodo. Cerca del ánodo en la "región de avalancha", donde la intensidad del campo eléctrico aumenta inversamente proporcional a la distancia radial a medida que se acerca al ánodo, los electrones libres obtienen suficiente energía para ionizar moléculas de gas adicionales por colisión y crear una gran cantidad de avalanchas de electrones . Estos se propagaron a lo largo del ánodo y efectivamente por toda la región de la avalancha. Este es el efecto de "multiplicación de gas" que le da al tubo su característica clave de poder producir un pulso de salida significativo a partir de un único evento ionizante original. [5]
Si hubiera sólo una avalancha por evento ionizante original, entonces el número de moléculas excitadas sería del orden de 10 6 a 10 8 . Sin embargo, la producción de múltiples avalanchas da como resultado un factor de multiplicación aumentado que puede producir de 10 9 a 10 10 pares de iones. [5] La creación de múltiples avalanchas se debe a la producción de fotones UV en la avalancha original, que no se ven afectados por el campo eléctrico y se mueven lateralmente al eje del ánodo para provocar más eventos ionizantes por colisión con moléculas de gas. Estas colisiones producen más avalanchas, que a su vez producen más fotones y, por tanto, más avalanchas en una reacción en cadena que se propaga lateralmente a través del gas de relleno y envuelve el alambre del ánodo. El diagrama adjunto muestra esto gráficamente. La velocidad de propagación de las avalanchas suele ser de 2 a 4 cm por microsegundo, de modo que, en tubos de tamaño común, la ionización completa del gas alrededor del ánodo tarda sólo unos pocos microsegundos. [5] Este breve e intenso pulso de corriente se puede medir como un evento de conteo en forma de un pulso de voltaje desarrollado a través de una resistencia eléctrica externa. Esto puede ser del orden de voltios, lo que simplifica el procesamiento electrónico adicional.
La descarga finaliza por el efecto colectivo de los iones positivos creados por las avalanchas. Estos iones tienen menor movilidad que los electrones libres debido a su mayor masa y se mueven lentamente desde las proximidades del cable del ánodo. Esto crea una "carga espacial" que contrarresta el campo eléctrico necesario para la generación continua de avalanchas. Para una geometría de tubo y voltaje de funcionamiento particulares, esta terminación siempre ocurre cuando se ha creado un cierto número de avalanchas, por lo tanto, los pulsos del tubo son siempre de la misma magnitud independientemente de la energía de la partícula iniciadora. En consecuencia, no hay información sobre la energía de la radiación en los pulsos [5] , lo que significa que el tubo Geiger-Müller no se puede utilizar para generar información espectral sobre la radiación incidente. En la práctica, la terminación de la avalancha se mejora mediante el uso de técnicas de "extinción" (ver más adelante).
La presión del gas de relleno es importante en la generación de avalanchas. Una presión demasiado baja y se reduce la eficiencia de la interacción con la radiación incidente. Una presión demasiado alta hará que el “camino libre medio” para las colisiones entre los electrones acelerados y el gas de relleno sea demasiado pequeño y los electrones no puedan reunir suficiente energía entre cada colisión para provocar la ionización del gas. La energía ganada por los electrones es proporcional a la relación "e/p", donde "e" es la intensidad del campo eléctrico en ese punto del gas y "p" es la presión del gas. [5]
En términos generales, existen dos tipos importantes de construcción de tubos Geiger.
Para las partículas alfa, las partículas beta de baja energía y los rayos X de baja energía, la forma habitual es un tubo cilíndrico con ventana final . Este tipo tiene una ventana en un extremo cubierta con un material fino a través del cual puede pasar fácilmente la radiación de baja penetración. La mica es un material de uso común debido a su baja masa por unidad de área. El otro extremo alberga la conexión eléctrica al ánodo.
El tubo pancake es una variante del tubo de ventana final, pero está diseñado para su uso en el monitoreo de contaminación beta y gamma. Tiene aproximadamente la misma sensibilidad a las partículas que el tipo de ventana final, pero tiene una forma anular plana, por lo que se puede utilizar el área de ventana más grande con un mínimo de espacio para gas. Al igual que el tubo de ventana cilíndrico, la mica es un material de ventana de uso común debido a su baja masa por unidad de área. El ánodo normalmente tiene varios cables en círculos concéntricos, de modo que se extiende completamente por todo el espacio de gas.
Este tipo general es distinto del tipo de ventana final dedicada, pero tiene dos subtipos principales, que utilizan diferentes mecanismos de interacción de radiación para obtener un recuento.
Utilizado para la detección de radiación gamma por encima de energías de aproximadamente 25 KeV, este tipo generalmente tiene un espesor de pared total de aproximadamente 1 a 2 mm de acero al cromo . Debido a que la mayoría de los fotones gamma de alta energía pasarán a través del gas de relleno de baja densidad sin interactuar, el tubo utiliza la interacción de los fotones con las moléculas del material de la pared para producir electrones secundarios de alta energía dentro de la pared. Algunos de estos electrones se producen lo suficientemente cerca de la pared interna del tubo como para escapar al gas de llenado. Tan pronto como esto sucede, el electrón se desplaza hacia el ánodo y se produce una avalancha de electrones como si el electrón libre se hubiera creado dentro del gas. [5] La avalancha es un efecto secundario de un proceso que comienza dentro de la pared del tubo con la producción de electrones que migran a la superficie interna de la pared del tubo y luego ingresan al gas de llenado. Este efecto se atenúa considerablemente a bajas energías por debajo de aproximadamente 20 KeV [4]
Los tubos de paredes delgadas se utilizan para:
Los tubos G – M no detectarán neutrones ya que estos no ionizan el gas. Sin embargo, se pueden producir tubos sensibles a los neutrones que tengan el interior del tubo recubierto con boro , o que el tubo contenga trifluoruro de boro o helio-3 como gas de relleno, o que el tubo esté envuelto en aproximadamente 0,5 mm ( 1 ⁄ 50 pulgadas) . ) lámina gruesa de cadmio . [6] Los neutrones interactúan con los núcleos de boro, produciendo partículas alfa, o directamente con los núcleos de helio-3 produciendo iones y electrones de hidrógeno y tritio , o con el cadmio, produciendo rayos gamma. Estas partículas energéticas interactúan y producen iones que luego desencadenan el proceso normal de avalancha.
Los componentes de la mezcla de gases son vitales para el funcionamiento y aplicación de un tubo GM. La mezcla se compone de un gas inerte como helio , argón o neón , que se ioniza por la radiación incidente, y un gas de "apagado" de 5 a 10% de un vapor orgánico o un gas halógeno para evitar pulsaciones espurias apagando las avalanchas de electrones. . [5] Esta combinación de gases se conoce como mezcla de Penning y utiliza el efecto de ionización de Penning .
El moderno tubo G-M lleno de halógeno fue inventado por Sidney H. Liebson en 1947 y tiene varias ventajas sobre los tubos más antiguos con mezclas orgánicas. [7] La descarga del tubo halógeno aprovecha un estado metaestable del átomo de gas inerte para ionizar más fácilmente una molécula de halógeno que un vapor orgánico, lo que permite que el tubo funcione a voltajes mucho más bajos, típicamente de 400 a 600 voltios en lugar de 900 a 100 voltios. 1200 voltios. Si bien los tubos templados con halógeno tienen mayores pendientes de voltaje de meseta en comparación con los tubos templados orgánicos (una cualidad indeseable), tienen una vida útil mucho más larga que los tubos templados con compuestos orgánicos. Esto se debe a que el proceso de descarga destruye gradualmente el vapor orgánico, lo que da a los tubos templados orgánicos una vida útil de alrededor de 10 9 eventos. Sin embargo, los iones halógenos pueden recombinarse con el tiempo, dando a los tubos templados con halógeno una vida útil efectivamente ilimitada para la mayoría de los usos, aunque eventualmente fallarán en algún momento debido a otros procesos iniciados por ionización que limitan la vida útil de todos los tubos Geiger. Por estas razones, el tubo templado con halógeno es actualmente el más común. [5]
El neón es el gas de relleno más común. El cloro es el extintor más común, aunque ocasionalmente también se utiliza bromo. Los halógenos se utilizan más comúnmente con neón, argón o criptón, y los extintores orgánicos con helio. [8]
Un ejemplo de mezcla de gases, utilizada principalmente en detectores proporcionales, es P10 (90% argón, 10% metano). Otro se utiliza en tubos templados con bromo, normalmente 0,1% de argón, 1-2% de bromo y el resto de neón.
Los extintores halógenos son altamente reactivos químicamente y atacan los materiales de los electrodos, especialmente a temperaturas elevadas, lo que lleva a la degradación del rendimiento del tubo con el tiempo. Los materiales del cátodo pueden elegirse, por ejemplo, entre cromo, platino o aleación de níquel-cobre [9] o recubrirse con grafito coloidal y pasivarse adecuadamente. El tratamiento con plasma de oxígeno puede proporcionar una capa de pasivación sobre el acero inoxidable. En este caso, puede proporcionar protección un revestimiento denso y no poroso con platino o una capa de tungsteno o un revestimiento de lámina de tungsteno. [10]
Los gases nobles puros exhiben voltajes umbral que aumentan con el aumento del peso atómico. La adición de extintores orgánicos poliatómicos aumenta el voltaje umbral, debido a la disipación de un gran porcentaje de la energía de colisión en las vibraciones moleculares. El argón con vapores de alcohol era uno de los rellenos más comunes de los primeros tubos. Tan solo 1 ppm de impurezas (argón, mercurio y criptón en el neón) pueden reducir significativamente el voltaje umbral. La mezcla de cloro o bromo proporciona enfriamiento y estabilidad a las mezclas de neón y argón de bajo voltaje, con un amplio rango de temperaturas. Tensiones de funcionamiento más bajas conducen a tiempos de subida de impulsos más prolongados, sin cambiar apreciablemente los tiempos muertos.
Los pulsos espurios son causados principalmente por electrones secundarios emitidos por el cátodo debido al bombardeo de iones positivos. Los pulsos espurios resultantes tienen la naturaleza de un oscilador de relajación y muestran un espaciado uniforme, dependiendo del gas de llenado del tubo y de la sobretensión. Con sobretensiones suficientemente altas, pero aún por debajo del inicio de las descargas de corona continuas, se pueden producir secuencias de miles de pulsos. Estos recuentos espurios se pueden suprimir recubriendo el cátodo con materiales de mayor función de trabajo , pasivación química, recubrimiento de laca, etc.
Los extintores orgánicos pueden descomponerse en moléculas más pequeñas (alcohol etílico y acetato de etilo) o polimerizarse en depósitos sólidos (típico del metano). Los productos de degradación de moléculas orgánicas pueden tener o no propiedades de extinción. Las moléculas más grandes se degradan a más productos de extinción que las pequeñas; Los tubos templados con acetato de amilo tienden a tener una vida útil diez veces mayor que los de etanol. Los tubos templados con hidrocarburos a menudo fallan debido al recubrimiento de los electrodos con productos de polimerización, antes de que se pueda agotar el gas; Una simple recarga de gas no ayudará; es necesario lavar los electrodos para eliminar los depósitos. A veces se busca deliberadamente una baja eficiencia de ionización; En algunos experimentos de rayos cósmicos se utilizan mezclas de hidrógeno o helio a baja presión con extintores orgánicos para detectar muones y electrones fuertemente ionizantes.
El argón, el criptón y el xenón se utilizan para detectar rayos X suaves, con una absorción creciente de fotones de baja energía con una masa atómica decreciente, debido a la ionización directa por efecto fotoeléctrico. Por encima de 60-70 keV, la ionización directa del gas de relleno se vuelve insignificante, y los fotoelectrones secundarios, los electrones Compton o la producción de pares electrón-positrón mediante la interacción de los fotones gamma con el material del cátodo se convierten en los mecanismos dominantes de iniciación de la ionización. Las ventanas del tubo se pueden eliminar colocando las muestras directamente dentro del tubo o, si son gaseosas, mezclándolas con el gas de relleno. El requisito de estanqueidad al vacío se puede eliminar utilizando un flujo continuo de gas a presión atmosférica. [11]
La meseta de Geiger es el rango de voltaje en el que el tubo GM opera en su modo correcto, donde la ionización ocurre a lo largo del ánodo. Si un tubo G – M se expone a una fuente de radiación constante y el voltaje aplicado aumenta desde cero, sigue el gráfico de corriente que se muestra en la "región de Geiger" donde el gradiente se aplana; Esta es la meseta de Geiger. [5]
Esto se muestra con más detalle en el diagrama adjunto de la curva de meseta de Geiger. Si el voltaje del tubo aumenta progresivamente desde cero, la eficiencia de detección aumentará hasta que la radiación más energética comience a producir pulsos que puedan ser detectados por la electrónica. Este es el "voltaje de arranque". Aumentar aún más el voltaje da como resultado recuentos que aumentan rápidamente hasta que se alcanza la "rodilla" o umbral de la meseta, donde la tasa de aumento de recuentos cae. Aquí es donde el voltaje del tubo es suficiente para permitir una descarga completa a lo largo del ánodo para cada recuento de radiación detectado, y el efecto de las diferentes energías de radiación es igual. Sin embargo, la meseta tiene una ligera pendiente debido principalmente a los menores campos eléctricos en los extremos del ánodo debido a la geometría del tubo. A medida que aumenta el voltaje del tubo, estos campos se fortalecen para producir avalanchas. Al final de la meseta, la tasa de conteo comienza a aumentar rápidamente nuevamente, hasta el inicio de una descarga continua donde el tubo no puede detectar la radiación y puede dañarse. [5]
Dependiendo de las características del tubo específico (fabricante, tamaño, tipo de gas, etc.), el rango de voltaje de la meseta variará. La pendiente generalmente se expresa como cambio porcentual de cuentas por 100 V. Para evitar cambios generales de eficiencia debido a la variación del voltaje del tubo, se utiliza un suministro de voltaje regulado y es una práctica normal operar en el medio de la meseta para reducir el efecto. de cualquier variación de tensión. [5] [12]
El tubo G-M ideal debería producir un único pulso por cada evento ionizante debido a la radiación. No debería dar impulsos espurios y debería recuperarse rápidamente al estado pasivo, listo para el próximo evento de radiación. Sin embargo, cuando los iones de argón positivos llegan al cátodo y se convierten en átomos neutros al ganar electrones, los átomos pueden elevarse a niveles de energía mejorados. Estos átomos luego regresan a su estado fundamental emitiendo fotones que a su vez producen una mayor ionización y, por lo tanto, descargas secundarias espurias. Si no se hiciera nada para contrarrestar esto, la ionización se prolongaría e incluso podría intensificarse. La avalancha prolongada aumentaría el "tiempo muerto" cuando no se pueden detectar nuevos eventos, y podría volverse continua y dañar el tubo. Por lo tanto, es esencial alguna forma de extinción de la ionización para reducir el tiempo muerto y proteger el tubo, y se utilizan varias técnicas de extinción.
Los tubos autoextinguibles o de extinción interna detienen la descarga sin ayuda externa, originalmente mediante la adición de una pequeña cantidad de un vapor orgánico poliatómico originalmente como butano o etanol, pero en los tubos modernos es un halógeno como bromo o cloro. [5]
Si se introduce un pobre extintor de gas en el tubo, los iones positivos de argón, durante su movimiento hacia el cátodo, tendrían múltiples colisiones con las moléculas del gas extintor y les transferirían su carga y algo de energía. Así, se producirían átomos de argón neutros y los iones del gas extintor, a su vez, alcanzarían el cátodo, ganarían electrones del mismo y pasarían a estados excitados que decaerían por emisión de fotones, produciendo la descarga del tubo. Sin embargo, las moléculas extintoras eficaces, cuando se excitan, pierden su energía no por emisión de fotones, sino por disociación en moléculas extintoras neutras. De este modo no se producen impulsos falsos. [5]
Incluso con el enfriamiento químico, durante un breve período de tiempo después de un pulso de descarga, hay un período durante el cual el tubo se vuelve insensible y, por lo tanto, temporalmente no puede detectar la llegada de nuevas partículas ionizantes (el llamado tiempo muerto ; típicamente 50-100 microsegundos). Esto provoca una pérdida de conteos a tasas de conteo suficientemente altas y limita el tubo G-M a una tasa de conteo efectiva (precisa) de aproximadamente 10 3 conteos por segundo, incluso con extinción externa. Si bien un tubo GM es técnicamente capaz de leer tasas de conteo más altas antes de que realmente se sature, el nivel de incertidumbre involucrado y el riesgo de saturación hacen que sea extremadamente peligroso confiar en lecturas de tasas de conteo más altas cuando se intenta calcular una tasa de dosis de radiación equivalente a partir del conteo. tasa. Una consecuencia de esto es que los instrumentos con cámara de iones generalmente se prefieren para tasas de conteo más altas; sin embargo, una técnica de enfriamiento externo moderna puede ampliar este límite superior considerablemente. [5]
El enfriamiento externo, a veces llamado "enfriamiento activo" o "enfriamiento electrónico", utiliza sistemas electrónicos de control simplistas de alta velocidad para eliminar y volver a aplicar rápidamente el alto voltaje entre los electrodos durante un tiempo fijo después de cada pico de descarga para aumentar la tasa de conteo máxima. y vida útil del tubo. Aunque se puede utilizar en lugar de un gas de extinción, se utiliza mucho más comúnmente junto con un gas de extinción. [5]
El "método de tiempo hasta el primer conteo" es una implementación moderna y sofisticada de extinción externa que permite tasas de conteo máximas dramáticamente incrementadas mediante el uso de técnicas de procesamiento de señales estadísticas y sistemas electrónicos de control mucho más complejos. Debido a la incertidumbre en la tasa de conteo introducida por la implementación simplista del enfriamiento externo, la tasa de conteo de un tubo Geiger se vuelve extremadamente poco confiable por encima de aproximadamente 10 3 conteos por segundo. Con el método de tiempo hasta el primer conteo, se pueden lograr velocidades de conteo efectivas de 10 5 conteos por segundo, dos órdenes de magnitud mayores que el límite efectivo normal. El método del tiempo hasta el primer recuento es significativamente más complicado de implementar que los métodos tradicionales de extinción externa y, como resultado, no ha tenido un uso generalizado. [5]
Una consecuencia del efecto del tiempo muerto es la posibilidad de que una tasa de conteo alta dispare continuamente el tubo antes de que haya transcurrido el tiempo de recuperación. Esto puede producir pulsos demasiado pequeños para que los detecte la electrónica de conteo y conducir a una situación muy indeseable en la que un contador G-M en un campo de radiación muy alto indica falsamente un nivel bajo. Este fenómeno se conoce como "repliegue". Una regla general de la industria es que el circuito discriminador que recibe la salida del tubo debe detectar hasta 1/10 de la magnitud de un pulso normal para protegerse contra esto. [4] Además, el circuito debe detectar cuando se ha producido una "acumulación de pulsos", donde el voltaje aparente del ánodo se ha movido a un nuevo nivel de CC a través de la combinación de un alto recuento de pulsos y ruido. El diseño electrónico de los contadores Geiger-Müller debe ser capaz de detectar esta situación y dar una alarma; normalmente se hace estableciendo un umbral para la corriente excesiva del tubo.
La eficacia de detección de un tubo G-M varía según el tipo de radiación incidente. Los tubos con ventanas de extremo delgado tienen eficiencias muy altas (pueden ser casi del 100%) para beta de alta energía, aunque esto disminuye a medida que la energía beta disminuye debido a la atenuación causada por el material de la ventana. Las partículas alfa también son atenuadas por la ventana. Dado que las partículas alfa tienen un alcance máximo de menos de 50 mm en el aire, la ventana de detección debe estar lo más cerca posible de la fuente de radiación. La atenuación de la ventana se suma a la atenuación del aire, por lo que la ventana debe tener una densidad tan baja como 1,5 a 2,0 mg/cm2 para proporcionar un nivel aceptable de eficiencia de detección. El artículo sobre el poder de frenado explica con más detalle los rangos de tipos de partículas de diversas energías. La eficiencia de conteo de la radiación de fotones (rayos gamma y X por encima de 25 keV) depende de la eficiencia de la interacción de la radiación en la pared del tubo, que aumenta con el número atómico del material de la pared. El hierro cromo es un material de uso común, que proporciona una eficiencia de aproximadamente el 1% en una amplia gama de energías. [4]
Si se va a utilizar un tubo G–M para mediciones dosimétricas de rayos gamma o X , se debe tener en cuenta la energía de la radiación incidente, que afecta al efecto ionizante. Sin embargo, los pulsos de un tubo G-M no transportan ninguna información de energía y atribuyen una dosis igual a cada evento de conteo. En consecuencia, la respuesta de la tasa de conteo de un tubo G – M "desnudo" a fotones en diferentes niveles de energía no es lineal con el efecto de sobrelectura a bajas energías. La variación en la respuesta a la dosis puede ser un factor entre 5 y 15, según la construcción del tubo individual; los tubos muy pequeños tienen los valores más altos.
Para corregir esto se aplica una técnica conocida como "compensación de energía", que consiste en añadir un escudo de material absorbente alrededor del tubo. Este filtro absorbe preferentemente los fotones de baja energía y la respuesta a la dosis se "aplana". El objetivo es que la característica de sensibilidad/energía del tubo coincida con la característica de absorción/energía del filtro. Esto no se puede lograr exactamente, pero el resultado es una respuesta más uniforme en el rango indicado de energías de detección para el tubo. [5]
El plomo y el estaño son materiales de uso común, y se puede fabricar un filtro simple efectivo por encima de 150 keV usando un collar continuo a lo largo del tubo. Sin embargo, a niveles de energía más bajos, esta atenuación puede llegar a ser demasiado grande, por lo que se dejan espacios de aire en el collar para permitir que la radiación de baja energía tenga un mayor efecto. En la práctica, el diseño del filtro de compensación es un compromiso empírico para producir una respuesta aceptablemente uniforme, y se utilizan varios materiales y geometrías diferentes para obtener la corrección requerida. [4]