Tubo Geiger-Müller

El tubo Geiger-Müller o tubo G-M es el elemento sensor del contador Geiger, instrumento utilizado para la detección de radiación ionizante . Recibe su nombre de Hans Geiger , quien inventó el principio en 1908, ^{[ 1 ]} y de Walther Müller , quien colaboró ​​con Geiger en el desarrollo de la técnica en 1928 para crear un tubo práctico capaz de detectar diversos tipos de radiación. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Se trata de un detector de ionización gaseosa que utiliza el fenómeno de avalancha de Townsend para generar un pulso electrónico fácilmente detectable a partir de un único evento de ionización producido por una partícula de radiación. Se emplea para la detección de radiación gamma , rayos X y partículas alfa y beta . También puede adaptarse para detectar neutrones . El tubo opera en la región de Geiger de la generación de pares de iones. Esto se muestra en el gráfico adjunto para detectores gaseosos, que representa la corriente iónica en función del voltaje aplicado.

Si bien el detector Geiger-Müller es robusto y económico, no puede medir con eficiencia altas tasas de radiación, tiene una vida útil limitada en zonas de alta radiación y no puede medir la energía de la radiación incidente , por lo que no genera información espectral ni permite discriminar entre tipos de radiación, como partículas alfa y beta. En otras palabras, el contador Geiger-Müller no proporciona información sobre la energía ni la sincronización precisa de la radiación detectada, ya que todos los eventos ionizantes producen el mismo pulso de salida y el detector tiene un tiempo muerto relativamente largo después de cada evento. ^{[ 4 ]}

Un tubo GM consta de una cámara llena de una mezcla de gases a baja presión, de aproximadamente 0,1 atmósferas . 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 que forma el cátodo , mientras que el ánodo es un alambre montado axialmente en el centro de la cámara.

Cuando la radiación ionizante incide sobre 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 mediante electrones secundarios producidos en las paredes del tubo, que migran hacia el gas. Esto crea iones con carga positiva y electrones libres , conocidos como pares iónicos , en el gas. El intenso campo eléctrico creado por la tensión entre 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 forma inversamente proporcional a la distancia radial a medida que se aproxima al ánodo, los electrones libres adquieren suficiente energía para ionizar moléculas de gas adicionales por colisión y crear un gran número de avalanchas de electrones . Estas se propagan a lo largo del ánodo y, efectivamente, por toda la región de avalancha. Este es el efecto de "multiplicación de gas" que confiere al tubo su característica clave: la capacidad de producir un pulso de salida significativo a partir de un único evento de ionización inicial. ^{[ 6 ]}

Si solo hubiera una avalancha por evento ionizante original, entonces el número de moléculas excitadas sería del orden de 10⁶ ^a 10⁸ ^. Sin embargo, la producción de múltiples avalanchas resulta en un factor de multiplicación aumentado que puede producir de 10⁹ ^a 10¹⁰ ^pares de iones. ^{[ 6 ]} 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 llenado y envuelve el hilo 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, para tubos de tamaño común, la ionización completa del gas alrededor del ánodo tarda solo unos pocos microsegundos. ^{[ 6 ]} Este pulso de corriente corto e intenso se puede medir como un evento de conteo en forma de un pulso de voltaje generado a través de una resistencia eléctrica externa. Este pulso puede ser del orden de voltios, lo que simplifica el procesamiento electrónico posterior.

La descarga finaliza por el efecto colectivo de los iones positivos generados por las avalanchas. Estos iones, debido a su mayor masa, tienen menor movilidad que los electrones libres y se alejan lentamente 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 un voltaje de operación específicos, esta finalización siempre ocurre cuando se ha generado un cierto número de avalanchas; por lo tanto, los pulsos del tubo siempre tienen la misma magnitud, independientemente de la energía de la partícula iniciadora. En consecuencia, los pulsos no contienen información sobre la energía de la radiación ^{[ 6 ]} , lo que significa que el tubo Geiger-Müller no puede utilizarse para generar información espectral sobre la radiación incidente. En la práctica, la finalización de la avalancha se mejora mediante el uso de técnicas de "extinción" (véase más adelante).

La presión del gas de relleno es importante en la generación de avalanchas. Una presión demasiado baja reduce la eficiencia de la interacción con la radiación incidente. Una presión demasiado alta reduce el " recorrido libre medio " para las colisiones entre los electrones acelerados y el gas de relleno, impidiendo que los electrones acumulen suficiente energía entre cada colisión para ionizar el 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. ^{[ 6 ]}

En términos generales, existen dos tipos importantes de construcción de tubos Geiger.

Tipo de ventana final

Para partículas alfa, partículas beta de baja energía y rayos X de baja energía, el tubo habitual es un tubo cilíndrico con ventana en un extremo . Este tipo de tubo tiene una ventana en un extremo, cubierta con un material delgado que permite el paso de radiación de baja penetración. La mica es un material comúnmente utilizado debido a su baja densidad. En el otro extremo se encuentra la conexión eléctrica al ánodo.

tubo de panqueques

El tubo plano es una variante del tubo con ventana final, diseñado para la monitorización de la contaminación beta y gamma. Presenta una sensibilidad a las partículas similar a la del tubo con ventana final, pero su forma anular plana permite aprovechar al máximo la superficie de la ventana con un mínimo de espacio para el gas. Al igual que en el tubo cilíndrico con ventana final, la mica es un material de ventana de uso común debido a su baja densidad. El ánodo suele estar cableado con múltiples hilos en círculos concéntricos, extendiéndose así por todo el espacio para el gas.

Tipo sin ventanas

Este tipo general se distingue del tipo de ventana final específica, pero tiene dos subtipos principales que utilizan diferentes mecanismos de interacción de la radiación para obtener un recuento.

paredes gruesas

Utilizado para la detección de radiación gamma con energías superiores a unos 25 keV, este tipo de tubo generalmente tiene un espesor de pared de aproximadamente 1-2  mm de acero cromado . Debido a que la mayoría de los fotones gamma de alta energía atraviesan el 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 misma. Algunos de estos electrones se producen lo suficientemente cerca de la pared interna 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. ^{[ 6 ]} 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 entran en el gas de relleno. Este efecto se atenúa considerablemente a bajas energías por debajo de unos 20 keV. ^{[ 5 ]}

Paredes delgadas

Los tubos de paredes delgadas se utilizan para:

• La detección de partículas beta de alta energía implica que la partícula beta entra por el lateral del tubo e interactúa directamente con el gas, pero la radiación debe tener la energía suficiente para penetrar la pared del tubo. Las partículas beta de baja energía, que penetrarían por una ventana en el extremo del tubo, serían detenidas por la pared del mismo.
• Detección de rayos gamma y rayos X de baja energía. Los fotones de menor energía interactúan mejor con el gas de relleno, por lo que este diseño se centra en aumentar el volumen de dicho gas mediante un tubo largo de paredes delgadas, sin aprovechar la interacción de los fotones con la pared del tubo. La transición de un diseño de paredes delgadas a uno de paredes gruesas se produce en los niveles de energía de 300 a 400 keV. Por encima de estos niveles se utilizan diseños de paredes gruesas, y por debajo de ellos predomina el efecto de ionización directa del gas.

Los componentes de la mezcla de gases son vitales para el funcionamiento y la 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 "extintor" del 5 al 10 % de un vapor orgánico o un gas halógeno para evitar pulsos espurios al suprimir las avalanchas de electrones. ^{[ 6 ]} Esta combinación de gases se conoce como mezcla de Penning y aprovecha el efecto de ionización de Penning .

El tubo G-M moderno relleno de halógeno fue inventado por Sidney H. Liebson en 1947 y tiene varias ventajas sobre los tubos más antiguos con mezclas orgánicas. ^{[ 8 ]} La descarga del tubo de 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 apagados con halógeno tienen pendientes de voltaje de meseta mayores en comparación con los tubos apagados con compuestos orgánicos (una cualidad indeseable), tienen una vida útil mucho más larga que los tubos apagados con compuestos orgánicos. Esto se debe a que un vapor orgánico se destruye gradualmente por el proceso de descarga, lo que da a los tubos apagados con compuestos orgánicos una vida útil de alrededor de 10 ⁹ eventos. Sin embargo, los iones halógenos pueden recombinarse con el tiempo, lo que confiere a los tubos con extinción de halógeno una vida útil prácticamente ilimitada para la mayoría de los usos, aunque eventualmente fallarán debido a otros procesos iniciados por la ionización que limitan la vida útil de todos los tubos Geiger. Por estas razones, el tubo con extinción de halógeno es ahora el más común. ^{[ 6 ]}

El neón es el gas de relleno más común. El cloro es el extintor más común, aunque el bromo también se usa ocasionalmente. Los halógenos se usan con mayor frecuencia con neón, argón o criptón, y los extintores orgánicos con helio. ^{[ 9 ]}

Un ejemplo de mezcla de gases, utilizada principalmente en detectores proporcionales, es la P10 (90 % argón, 10 % metano). Otra se utiliza en tubos con extinción de bromo, típicamente con un 0,1 % de argón, un 1-2 % de bromo y el resto de 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 ser, por ejemplo, cromo, platino o aleación de níquel-cobre, ^{[ 10 ]} o recubiertos con grafito coloidal y pasivados adecuadamente. El tratamiento con plasma de oxígeno puede proporcionar una capa de pasivación en acero inoxidable. Un recubrimiento denso no poroso con platino o una capa de tungsteno o un revestimiento de lámina de tungsteno pueden proporcionar protección en este caso. ^{[ 11 ]}

Los gases nobles puros presentan voltajes umbral que aumentan con el peso atómico. La adición de supresores orgánicos poliatómicos incrementa el voltaje 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) puede reducir significativamente el voltaje umbral. La mezcla de cloro o bromo proporciona supresión y estabilidad a las mezclas de neón-argón de bajo voltaje, con un amplio rango de temperatura. Voltajes de operación más bajos dan lugar a tiempos de subida de pulsos más largos, sin modificar apreciablemente los tiempos muertos.

Los pulsos espurios se deben principalmente a los electrones secundarios emitidos por el cátodo a causa del bombardeo de iones positivos. Estos pulsos espurios tienen la naturaleza de un oscilador de relajación y presentan un espaciado uniforme, que depende del gas de llenado del tubo y de la sobretensión. Con sobretensiones suficientemente altas, pero aún por debajo del inicio de las descargas corona continuas, se pueden producir secuencias de miles de pulsos. Estos pulsos espurios pueden suprimirse recubriendo el cátodo con materiales de mayor función de trabajo , mediante pasivación química, recubrimiento con laca, etc.

Los desactivadores 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 o no tener propiedades desactivadoras. Las moléculas más grandes se degradan en más productos desactivadores que las pequeñas; los tubos desactivados con acetato de amilo tienden a tener una vida útil diez veces mayor que los desactivados con etanol. Los tubos desactivados con hidrocarburos a menudo fallan debido al recubrimiento de los electrodos con productos de polimerización, antes de que el gas se agote por completo; una simple recarga de gas no ayuda, es necesario lavar los electrodos para eliminar los depósitos. A veces se busca deliberadamente una baja eficiencia de ionización; en algunos experimentos con rayos cósmicos se utilizan mezclas de hidrógeno o helio a baja presión con desactivadores orgánicos para detectar muones y electrones altamente ionizantes.

El argón, el criptón y el xenón se utilizan para detectar rayos X blandos, 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 dominantes de iniciación de la ionización. Las ventanas del tubo pueden eliminarse colocando las muestras directamente dentro del tubo o, si son gaseosas, mezclándolas con el gas de relleno. El requisito de estanqueidad al vacío puede eliminarse utilizando un flujo continuo de gas a presión atmosférica. ^{[ 12 ]}

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 la gráfica de corriente que se muestra en la "región de Geiger", donde el gradiente se aplana; esta es la meseta de Geiger. ^{[ 6 ]}

Esto se muestra con más detalle en el diagrama de la curva de meseta de Geiger que se adjunta. Si el voltaje del tubo se incrementa 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 inicial". Un aumento adicional del voltaje produce un rápido incremento en el número de conteos hasta que se alcanza el umbral de la meseta, donde la tasa de aumento de conteos disminuye. En este punto, 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, principalmente debido 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 de nuevo, hasta el inicio de una descarga continua, donde el tubo no puede detectar la radiación y puede dañarse. ^{[ 6 ]}

Dependiendo de las características del tubo específico (fabricante, tamaño, tipo de gas, etc.), el rango de voltaje de la meseta variará. La pendiente se suele expresar como un cambio porcentual de recuentos 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 práctica habitual operar en el centro de la meseta para reducir el efecto de cualquier variación de voltaje. ^{[ 6 ] [ 13 ]}

El tubo G-M ideal debería producir un único pulso por cada evento de ionización debido a la radiación. No debería generar 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 superiores. Estos átomos regresan entonces 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" durante el cual no se pueden detectar nuevos eventos, y podría volverse continua y dañar el tubo. Por lo tanto, es esencial algún tipo de supresión de la ionización para reducir el tiempo muerto y proteger el tubo, y se utilizan diversas técnicas de supresión.

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 la electrónica de conteo los detecte y conducir a la situación muy indeseable en la que un contador G-M en un campo de radiación muy alto indique falsamente un nivel bajo. Este fenómeno se conoce como "retroceso". 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 evitar esto. ^{[ 5 ]} Además, el circuito debe detectar cuando se ha producido una "acumulación de pulsos", donde el voltaje aparente del ánodo ha pasado a un nuevo nivel de CC debido a 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 según el tipo de radiación incidente. Los tubos con ventanas delgadas en los extremos presentan eficiencias muy altas (casi del 100%) para partículas beta de alta energía, aunque esta disminuye a medida que la energía beta se reduce debido a la atenuación del material de la ventana. Las partículas alfa también se atenúan en la ventana. Dado que las partículas alfa tienen un alcance máximo inferior a 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 de entre 1,5 y 2,0  mg/cm² ^para lograr un nivel aceptable de eficiencia de detección. El artículo sobre el poder de frenado explica con más detalle los rangos para diferentes tipos de partículas de diversas energías. La eficiencia de conteo de la radiación fotónica (gamma y rayos X superiores a 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 ofrece una eficiencia de aproximadamente el 1% en un amplio rango de energías. ^{[ 5 ]}

Si se va a utilizar un tubo G-M para mediciones de dosimetría de rayos gamma o X , debe tenerse en cuenta la energía de la radiación incidente, que afecta al efecto ionizante. Sin embargo, los pulsos de un tubo G-M no contienen información energética y asignan la misma dosis a cada evento de conteo. Por consiguiente, la respuesta de la tasa de conteo de un tubo G-M "sin recubrimiento" a fotones de diferentes niveles de energía no es lineal, con el efecto de sobreestimación a bajas energías. La variación en la respuesta de dosis puede ser de un factor entre 5 y 15, según la construcción de cada tubo; los tubos más pequeños presentan los valores más altos.

Para corregir esto, se aplica una técnica conocida como "compensación de energía", que consiste en añadir un blindaje de material absorbente alrededor del tubo. Este filtro absorbe preferentemente los fotones de baja energía y la respuesta de 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 con exactitud, pero el resultado es una respuesta más uniforme en el rango de energías de detección especificado para el tubo. ^{[ 6 ]}

El plomo y el estaño son materiales de uso común, y se puede fabricar un filtro sencillo eficaz por encima de 150 keV mediante un collar continuo a lo largo del tubo. Sin embargo, a niveles de energía más bajos, esta atenuación puede ser excesiva, 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 diversos materiales y geometrías para obtener la corrección requerida. ^{[ 5 ]}

• Dosímetro
• contador Geiger
• Detectores de ionización gaseosa
• Cámara de ionización
• Poder de frenado de las partículas de radiación

Patentes

• Patente estadounidense 1.995.018 , HJ Spanner, " Tubo lleno de gas "
• Patente estadounidense 2.257.827 , GJ Weissenberg, " Tubo de descarga electrónica "
• Patente estadounidense 2,521,315 , JA Victoreen, " Tubo Geiger "
• Patente estadounidense 2.542.440 , JA Victoreen, " Tubo Geiger "

Otro

• Historia del contador Geiger
• Manual técnico práctico sobre radiación del OIEA