PRINCIPIOS DE
DETECCIÓN DE LA RADIACION
Los detectores de radiaciones ionizantes pueden
clasificarse en detectores inmediatos o retardados. También, pueden
clasificarse en detectores por ionización o por excitación.
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Inmediatos
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Retardados
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Tipo de detector
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Por Ionización
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Por excitación
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Por Ionización
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Por excitación
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Gaseosos y semiconductores
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De centelleo
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De película fotográfica
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Termo luminiscente
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Detectores
Gaseosos
Constituidos por un recinto conteniendo un gas, sometido
a un campo eléctrico producido por una diferencia de potencial aplicada entre
dos electrodos.
Cuando dicho dispositivo se expone a un campo de
radiación, la interacción de las partículas ionizantes con el gas que llena el
recinto o con el material de sus paredes hace que se generen pares de iones.
Cámaras de
Ionización
Cuando la diferencia de potencial deja de ser nula, el
campo eléctrico existente atrae a los iones hacia los electrodos
correspondientes con una fuerza proporcional a la intensidad de campo eléctrico
y a la carga eléctrica de un ion, pese a la existencia de la fuerza de atracción
algunos iones se recombinan durante su migración hacia los electrodos.
Cuando un detector gaseoso se polariza de manera tal que
todos los iones primarios generados en su interior son recolectados por sus
electrodos. Opera en la zona de cámara de ionización.
Las corrientes generadas en las cámaras de ionización
suelen ser de muy bajo valor, del orden de 10-12 amperes, lo que impone
precauciones especiales para su medición.
Debido a la muy pequeña cantidad de cargas eléctricas
puestas en juego por cada interacción de partículas ionizantes del campo de
radiación con la cámara de ionización, la amplitud de los correspondientes
impulsos eléctricos resulta muy pequeña; por esta razón, no resulta práctico
utilizar este tipo de detectores para el contaje de eventos.
Las cámaras de ionización se emplean fundamentalmente
para la determinación de la intensidad de campos de radiación; la intensidad
media de corriente a través de una cámara de ionización resulta directamente
proporcional a la tasa de fluencia de las partículas y a la energía de las
mismas.
Contadores
proporcionales
Los detectores gaseosos polarizados en esa zona de
funcionamiento se los denomina contadores proporcionales. La amplitud de los impulsos
obtenidos guarda proporcionalidad tanto con la energía transferida por la
partícula ionizante incidente que interactúa con el detector como con la
tensión de polarización de los electrodos.
Como la amplitud de los impulsos en la zona de contador
proporcional guarda proporcionalidad con la energía de las partículas
ionizantes, es frecuente su utilización en espectrometría.
La aplicación más frecuente de este tipo de detectores en
protección radiológica es el monitoraje de contaminaciones superficiales con radionúclidos
emisores alfa o beta. Dado que las partículas alfa y beta poseen baja capacidad
de penetración en un medio material denso, es necesario contar con una ventana
de espesor apropiado y de material liviano para que tales partículas puedan
interaccionar con el gas del detector.
Contadores Geiger-Müller
Si se continúa aumentando la diferencia de potencial
entre electrodos de un detector gaseoso que corresponden al rango de
funcionamiento como contador proporcional, el factor de multiplicación de iones
deja de ser lineal con la tensión aplicada. La masa de los iones positivos
mucho mayor que la de los electrones, estos se desplazan a menor velocidad,
llegando a constituir una carga espacial que altera la forma del campo
eléctrico dentro del detector, por ende, la linealidad. Si se aumenta aún más
la diferencia de potencial, el efecto de la carga espacial resulta dominante
frente a la diferencia de potencial exterior.
La principal característica de un contador Geiger-Müller
es que la amplitud de la señal eléctrica es independiente de la energía y
naturaleza de la partícula, resultando la de mayor amplitud obtenible con la
configuración del detector gaseoso utilizado.
Si se continúa aumentando la diferencia de potencial
entre electrodos, se produce una descarga en el gas por efecto de la alta
intensidad del campo eléctrico. Esta zona no es de interés desde el punto de
vista de la detección de la radiación; además, en general, provoca la
destrucción del detector.
En la zona de Geiger-Müller, la amplitud del impulso se
mantiene constante e independiente de la energía de la partícula, ya que en
esta región de trabajo del detector gaseoso la amplitud de los impulsos,
alcanza el valor máximo obtenible con esa configuración del detector.
Tiempo muerto de un contador Geiger-Müller
Luego de producida la interacción de una partícula
ionizante con el contador, se produce en su interior una avalancha de
partículas cargadas que da lugar a la aparición de una carga espacial. La alta
concentración de iones positivos en las proximidades del ánodo, esta carga espacial
distorsiona el campo eléctrico interior del detector e impide la aparición de
nuevas avalanchas debidas a posteriores interacciones.
Esta situación se prolonga hasta tanto se hayan
recolectado los iones positivos y fija el tiempo durante el cual, después de
una primera interacción, el detector queda inhabilitado para responder a
posteriores interacciones.
El tiempo necesario después de un impulso de máxima
amplitud hasta otro de amplitud detectable se denomina tiempo muerto, y el
requerido para que el contador pueda entregar otro impulso de amplitud máxima
se denomina tiempo de recuperación.
En los contadores Geiger-Müller, los tiempos muertos y de
recuperación son del orden de los 100 a 200 microsegundos.
El error en el contaje debido al tiempo muerto es
proporcional a la tasa de fluencia de partículas ionizantes que llegan al
detector. Cuando ésta aumenta, también aumenta la probabilidad de que dos
partículas lleguen al detector separadas un tiempo menor que el tiempo muerto.
Curva característica de un contador Geiger-Müller
Si la tasa de fluencia de partículas que inciden en un
contador Geiger-Müller se mantiene constante y se varía la tensión aplicada al
detector, el número de impulsos registrados en la unidad de tiempo varía.
Al intervalo de tensión durante el cual el contaje se
mantiene aproximadamente constante se lo suele denominar plateau. Un buen
contador Geiger-Müller, su extensión es un porcentaje importante de la tensión
de operación del mismo. El valor de tensión en el cual comienza la zona plana
influyen las características del contador y la sensibilidad del sistema
electrónico de registro.
A medida que se eleva la tensión aplicada al detector,
crece la amplitud de los impulsos por hacerse las avalanchas más intensas,
aumentando la probabilidad de que el gas de apagado no llegue a neutralizar
todos los iones positivos formados. Alguno puede alcanzar el cátodo y arrancar
un nuevo electrón, lo que puede generar una nueva avalancha y producir un nuevo
impulso eléctrico.
La zona de plateau de un contador Geiger-Müller no
resulta totalmente horizontal, sino que presenta una cierta pendiente. La
calidad del contador será tanto mayor cuanto más amplia resulte la región de
plateau y menor su pendiente.
Cuando un contador Geiger-Müller envejece, la forma de su
curva característica se altera, reduciéndose el plateau y aumentando su
pendiente, debido básicamente a la degradación del proceso de apagado.
Eficiencia de los contadores Geiger-Müller
Estos contadores se prevén para la detección de radiación
beta o fotónica. El gran poder de penetración de los fotones, las paredes del
tubo pueden ser de vidrio o metal relativamente gruesas, no así en el caso de
las partículas beta.
Para que tenga lugar la detección de un fotón X y gamma,
debe por lo menos liberarse un electrón secundario.
El electrón liberado debe a su vez, alcanzar el volumen
sensible del contador e iniciar una avalancha. La eficiencia intrínseca de un
contador Geiger-Müller para radiación fotónica en general no pasa del 1 o 2%.
En el caso de la radiación beta, dado su elevado poder de
ionización, si el espesor de la ventana es suficientemente delgado, el valor de
la eficiencia intrínseca del detector puede llegar hasta el 90%.
Cuando se emplea un contador Geiger-Müller para medir
intensidad de campo de radiación
Fotónica a través de la magnitud Exposición, debe
considerarse la variación de la sensibilidad de respuesta en función de la
energía de la radiación.
La variación de sensibilidad con la energía de los fotones
incidentes se origina:
Para bajas energías, influye la atenuación que ejerce la
pared del contador, la cual disminuye al aumentar la energía hasta llegar a un
valor E1 para el cual la sensibilidad es máxima.
A partir de la energía E1, la curva sigue la forma de
variación de la sección eficaz microscópica compuesta para efectos
fotoeléctricos, Compton y formación de pares.
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