El tubo Geiger-Müller o tubo G-M es el elemento sensor del contador Geiger utilizado para la detección de radiación ionizante . Recibe su nombre en honor a Hans Geiger , quien inventó el principio en 1908, [1] y a Walther Müller , quien colaboró con Geiger en el desarrollo de la técnica en 1928 para producir un tubo práctico que pudiera detectar varios tipos de radiación diferentes. [2] [3]
Es un detector de ionización gaseosa que utiliza el fenómeno de avalancha de Townsend para producir un pulso electrónico fácilmente detectable a partir de un solo 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 funciona 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 útil finita en áreas de alta radiación y no puede medir la energía de la radiación incidente , por lo que no se puede generar información espectral y no hay discriminación entre tipos de radiación; como entre partículas alfa y beta.
Un tubo GM consiste en una cámara llena de una mezcla de gases a una presión baja de aproximadamente 0,1 atmósferas . La cámara contiene dos electrodos, entre los cuales hay una diferencia de potencial de varios cientos de voltios . Las paredes del tubo son de metal o tienen su superficie interior recubierta de 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 se ionizan 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 de iones , 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 de manera inversamente proporcional a la distancia radial a medida que se aproxima al ánodo, los electrones libres ganan suficiente energía para ionizar moléculas de gas adicionales por colisión y crean una gran cantidad de avalanchas de electrones . Estas se propagan a lo largo del ánodo y de manera efectiva por toda la región de avalancha. Este es el efecto de "multiplicación de gas" que le da al tubo su característica clave de ser capaz de producir un pulso de salida significativo a partir de un solo evento ionizante original. [5]
Si sólo hubiera una avalancha por cada 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 mayor factor de multiplicación 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 instigar más eventos ionizantes por colisión con moléculas de gas. Estas colisiones producen más avalanchas, que a su vez producen más fotones y, por lo tanto, más avalanchas en una reacción en cadena que se propaga lateralmente a través del gas de relleno y envuelve el cable del ánodo. El diagrama adjunto lo muestra gráficamente. La velocidad de propagación de las avalanchas es típicamente de 2 a 4 cm por microsegundo, de modo que para los tamaños comunes de tubos la ionización completa del gas alrededor del ánodo toma solo unos pocos microsegundos. [5] Este pulso de corriente corto e intenso se puede medir como un evento de conteo en forma de un pulso de voltaje desarrollado a través de una resistencia eléctrica externa. Este puede ser del orden de voltios, lo que simplifica el procesamiento electrónico posterior.
La descarga se termina por el efecto colectivo de los iones positivos creados por las avalanchas. Estos iones tienen una movilidad menor que los electrones libres debido a su mayor masa y se mueven lentamente desde la proximidad del alambre del ánodo. Esto crea una "carga espacial" que contrarresta el campo eléctrico que es necesario para la generación continua de avalanchas. Para una geometría de tubo particular y voltaje de operación 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 de energía de 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 para la generación de avalanchas. Si la presión es demasiado baja, se reduce la eficiencia de la interacción con la radiación incidente. Si la presión es demasiado alta, el “camino libre medio” para las colisiones entre los electrones acelerados y el gas de relleno es demasiado pequeño, y los electrones no pueden reunir suficiente energía entre cada colisión para provocar la ionización del gas. La energía obtenida 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 en el extremo . Este tipo tiene una ventana en un extremo cubierta de un material delgado a través del cual la radiación de baja penetración puede pasar fácilmente. 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 tipo panqueque es una variante del tubo con ventana en el extremo, pero que está diseñado para usarse en el monitoreo de contaminación beta y gamma. Tiene aproximadamente la misma sensibilidad a las partículas que el tipo con ventana en el extremo, pero tiene una forma anular plana, de modo que se puede utilizar el área de ventana más grande con un mínimo de espacio para gas. Al igual que el tubo con ventana en el extremo cilíndrico, la mica es un material de ventana comúnmente usado 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 para 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.
Este tipo de tubo se utiliza para detectar la radiación gamma con energías superiores a los 25 KeV y, por lo general, tiene un espesor de pared total de aproximadamente 1-2 mm de acero cromado . Como la mayoría de los fotones gamma de alta energía pasan a través del gas de relleno de baja densidad sin interactuar, el tubo utiliza la interacción de los fotones en 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 interior del tubo como para escapar al gas de relleno. 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 interior de la pared del tubo y luego ingresan al gas de relleno. Este efecto se atenúa considerablemente a energías bajas por debajo de los 20 KeV [4]
Los tubos de paredes delgadas se utilizan para:
Los tubos G-M no detectan neutrones , ya que estos no ionizan el gas. Sin embargo, se pueden fabricar tubos sensibles a los neutrones que tengan el interior del tubo recubierto de boro , o que contengan trifluoruro de boro o helio-3 como gas de relleno, o que el tubo esté envuelto en una lámina de cadmio de aproximadamente 0,5 mm ( 1 ⁄ 50 in) de espesor . [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 de avalancha normal.
Los componentes de la mezcla de gases son vitales para el funcionamiento y la aplicación de un tubo GM. La mezcla está compuesta por un gas inerte como helio , argón o neón que se ioniza por la radiación incidente y un gas "extintor" de 5 a 10 % de un vapor orgánico o un gas halógeno para evitar pulsos espurios extinguiendo las avalanchas de electrones. [5] Esta combinación de gases se conoce como mezcla de Penning y hace uso del efecto de ionización de Penning .
El tubo G-M moderno 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 400-600 voltios en lugar de 900-1200 voltios. Si bien los tubos enfriados con halógeno tienen mayores pendientes de voltaje de meseta en comparación con los tubos enfriados con compuestos orgánicos (una cualidad indeseable), tienen una vida útil mucho más larga que los tubos enfriados con compuestos orgánicos. Esto se debe a que un vapor orgánico se destruye gradualmente por el proceso de descarga, lo que le da a los tubos enfriados con compuestos orgánicos una vida útil de alrededor de 10 9 eventos. Sin embargo, los iones halógenos pueden recombinarse con el tiempo, lo que otorga a los tubos enfriados con halógeno una vida útil prácticamente 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 enfriado con halógeno es ahora el más común. [5]
El neón es el gas de relleno más común. El cloro es el extintor más común, aunque también se utiliza bromo ocasionalmente. Los halógenos son los más utilizados con neón, argón o criptón, y los extintores orgánicos con helio. [8]
Un ejemplo de mezcla de gases, que se utiliza principalmente en detectores proporcionales, es el P10 (90 % argón, 10 % metano). Otra mezcla se utiliza en tubos enfriados con bromo, normalmente 0,1 % argón, 1-2 % bromo y el resto neón.
Los extintores de halógenos son altamente reactivos químicamente y atacan los materiales de los electrodos, especialmente a temperaturas elevadas, lo que provoca una 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 revestirse con grafito coloidal y pasivarse adecuadamente. El tratamiento con plasma de oxígeno puede proporcionar una capa de pasivación sobre el acero inoxidable. Un revestimiento denso no poroso con platino o una capa de tungsteno o un revestimiento de lámina de tungsteno puede proporcionar protección en este caso [10] .
Los gases nobles puros presentan voltajes de umbral que aumentan con el aumento del peso atómico. La adición de extintores orgánicos poliatómicos aumenta el voltaje de umbral, debido a la disipación de un gran porcentaje de la energía de colisión en 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 neón) pueden reducir significativamente el voltaje de umbral. La mezcla de cloro o bromo proporciona extinción y estabilidad a las mezclas de neón-argón de bajo voltaje, con un amplio rango de temperaturas. Los voltajes de funcionamiento más bajos dan lugar a tiempos de subida de pulsos más largos, 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, que depende del gas de relleno 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 con una función de trabajo más alta , 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 las moléculas orgánicas pueden tener o no propiedades extintoras. Las moléculas más grandes se degradan en más productos extintores que las pequeñas; los tubos extintos con acetato de amilo tienden a tener una vida útil diez veces mayor que los de etanol. Los tubos extintos con hidrocarburos a menudo fallan debido al recubrimiento de los electrodos con productos de polimerización, antes de que el gas en sí pueda agotarse; la 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; se utilizan mezclas de hidrógeno o helio a baja presión con extintores orgánicos en algunos experimentos de rayos cósmicos, 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 a medida que disminuye la masa atómica, 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 por interacción de los fotones gamma con el material del cátodo se convierten en los mecanismos de iniciación de la ionización dominantes. 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 hermeticidad al vacío se puede eliminar utilizando un flujo continuo de gas a presión atmosférica. [11]
La meseta Geiger es el rango de voltaje en el que el tubo GM opera en su modo correcto, donde la ionización ocurre a lo largo de la longitud del ánodo. Si un tubo G–M se expone a una fuente de radiación constante y el voltaje aplicado aumenta desde cero, sigue la gráfica de corriente que se muestra en la "región Geiger", donde el gradiente se aplana; esta es la meseta Geiger. [5]
Esto se muestra con más detalle en el diagrama de la curva de meseta de Geiger adjunto. 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 pueden ser detectados por la electrónica. Este es el "voltaje de inicio". Aumentar aún más el voltaje da como resultado un aumento rápido de los conteos hasta que se alcanza el "codo" o umbral de la meseta, donde la tasa de aumento de los conteos disminuye. Aquí es donde el voltaje del tubo es suficiente para permitir una descarga completa a lo largo del ánodo por cada conteo 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 campos eléctricos más bajos 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 la 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 se expresa generalmente como cambio porcentual de conteos por cada 100 V. Para evitar cambios en la eficiencia general debido a la variación del voltaje del tubo, se utiliza una fuente de voltaje regulada y es una práctica normal operar en el medio de la meseta para reducir el efecto de cualquier variación de voltaje. [5] [12]
El tubo G-M ideal debería producir un solo pulso por cada evento ionizante debido a la radiación. No debería dar pulsos espurios y debería recuperarse rápidamente al estado pasivo, listo para el siguiente evento de radiación. Sin embargo, cuando los iones de argón positivos alcanzan el 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 más ionización y, por lo tanto, descargas secundarias espurias. Si no se hiciera nada para contrarrestar esto, la ionización se prolongaría e incluso podría aumentar. 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, alguna forma de extinción de la ionización es esencial 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 como el butano o el etanol, pero para los tubos modernos es un halógeno como el bromo o el cloro. [5]
Si se introduce un gas extintor deficiente en el tubo, los iones argón positivos, durante su movimiento hacia el cátodo, tendrían múltiples colisiones con las moléculas del gas extintor y les transferirían su carga y algo de energía. De este modo, se producirían átomos de argón neutros y los iones del gas extintor a su vez llegarían al cátodo, ganarían electrones de allí y pasarían a estados excitados que se desintegrarían por emisión de fotones, produciendo la descarga del tubo. Sin embargo, las moléculas extintoras efectivas, cuando se excitan, pierden su energía no por emisión de fotones, sino por disociación en moléculas extintoras neutras. De este modo, no se producen pulsos espurios. [5]
Incluso con extinción química, durante un breve 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 ninguna nueva partícula ionizante (el llamado tiempo muerto ; típicamente 50-100 microsegundos). Esto causa 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 saturarse realmente, 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 de la tasa de conteo. Una consecuencia de esto es que los instrumentos de cámara de ionización generalmente se prefieren para tasas de conteo más altas, sin embargo, una técnica de extinción externa moderna puede extender este límite superior considerablemente. [5]
El enfriamiento externo, a veces llamado "enfriamiento activo" o "enfriamiento electrónico", utiliza una electrónica de control de alta velocidad simplista 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 máxima de conteo y la vida útil del tubo. Aunque esto se puede utilizar en lugar de un gas de enfriamiento, es mucho más común usarlo junto con un gas de enfriamiento. [5]
El "método del tiempo hasta el primer conteo" es una implementación moderna y sofisticada de extinción externa que permite tasas de conteo máximas drásticamente mayores mediante el uso de técnicas de procesamiento de señales estadísticas y electrónica de control mucho más compleja. Debido a la incertidumbre en la tasa de conteo introducida por la implementación simplista de extinción externa, 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 del tiempo hasta el primer conteo, se pueden lograr tasas 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 conteo es significativamente más complicado de implementar que los métodos de extinción externa tradicionales y, como resultado de esto, no ha tenido un uso generalizado. [5]
Una consecuencia del efecto de tiempo muerto es la posibilidad de que una alta tasa de conteo active 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 dar lugar a la situación muy indeseable por la cual un contador G-M en un campo de radiación muy alto indica falsamente un nivel bajo. Este fenómeno se conoce como "fold-back". 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 anódico aparente se ha movido a un nuevo nivel de CC a través de la combinación de un alto conteo 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 eficiencia de detección de un tubo G-M varía con el tipo de radiación incidente. Los tubos con ventanas delgadas en los extremos tienen eficiencias muy altas (pueden ser casi del 100%) para la radiación beta de alta energía, aunque esto disminuye a medida que la energía beta disminuye debido a la atenuación por el material de la ventana. Las partículas alfa también son atenuadas por la ventana. Como 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 dar un nivel aceptable de eficiencia de detección. El artículo sobre el poder de detención explica con más detalle los rangos para los tipos de partículas de varias 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 alrededor del 1% en un amplio rango 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 el efecto ionizante. Sin embargo, los pulsos de un tubo G-M no transportan ninguna información energética y atribuyen la misma dosis a cada evento de conteo. En consecuencia, la respuesta de la tasa de conteo de un tubo G-M "desnudo" a los fotones en diferentes niveles de energía no es lineal con el efecto de sobrelectura a energías bajas. La variación en la respuesta a la dosis puede ser un factor entre 5 y 15, según la construcción individual del tubo; 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 establecido 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 eficaz por encima de los 150 keV utilizando 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 de filtros 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]