Contador Geiger - Geiger counter
 Um contador de bancada Geiger-Müller de "duas peças" com detector de janela final
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| Outros nomes | Geiger |
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| Inventor |
Hans Geiger Walther Müller |
| Itens relacionados | Tubo Geiger-Müller |
Um contador Geiger é um instrumento usado para detectar e medir a radiação ionizante . Também conhecido como contador Geiger – Müller ou contador Geiger – Muller , é amplamente utilizado em aplicações como dosimetria de radiação , proteção radiológica , física experimental e indústria nuclear .
Ele detecta radiação ionizante como partículas alfa , partículas beta e raios gama usando o efeito de ionização produzido em um tubo Geiger-Müller , que dá nome ao instrumento. Em uso amplo e proeminente como um instrumento portátil de pesquisa de radiação , é talvez um dos instrumentos de detecção de radiação mais conhecidos do mundo .
O princípio de detecção original foi realizado em 1908 na Universidade de Manchester , mas foi somente com o desenvolvimento do tubo Geiger-Müller em 1928 que o contador Geiger pôde ser produzido como um instrumento prático. Desde então, tornou-se muito popular devido ao seu elemento de detecção robusto e custo relativamente baixo. No entanto, existem limitações na medição de altas taxas de radiação e da energia da radiação incidente.
Princípio da Operação
Um contador Geiger consiste em um tubo Geiger – Müller (o elemento sensor que detecta a radiação) e a eletrônica de processamento, que exibe o resultado.
O tubo Geiger-Müller é preenchido com um gás inerte como hélio , néon ou argônio em baixa pressão, ao qual é aplicada uma alta voltagem. O tubo conduz carga elétrica brevemente quando uma partícula ou fóton de radiação incidente torna o gás condutor por ionização. A ionização é consideravelmente amplificada dentro do tubo pelo efeito de descarga Townsend para produzir um pulso de detecção facilmente medido, que é alimentado ao processamento e ao display eletrônico. Este grande pulso do tubo torna o contador Geiger relativamente barato de fabricar, já que os componentes eletrônicos subsequentes são bastante simplificados. Os componentes eletrônicos também geram a alta tensão, normalmente 400–900 volts, que deve ser aplicada ao tubo Geiger-Müller para permitir sua operação. Para interromper a descarga no tubo Geiger-Müller, um pouco de gás halogênio ou material orgânico (álcool) é adicionado à mistura de gás.
Leia
Existem dois tipos de leitura de radiação detectada: contagens ou dose de radiação . A exibição de contagens é a mais simples e é o número de eventos ionizantes detectados exibidos como uma taxa de contagem, como "contagens por minuto" ou "contagens por segundo", ou como um número total de contagens durante um período de tempo definido (um sistema integrado total). A leitura de contagens é normalmente usada quando partículas alfa ou beta estão sendo detectadas. Mais complexo de se conseguir é uma exibição da taxa de dose de radiação, exibida em uma unidade como o sievert, que normalmente é usado para medir taxas de dose de raios-X ou gama. Um tubo Geiger-Müller pode detectar a presença de radiação, mas não sua energia , que influencia o efeito ionizante da radiação. Consequentemente, os instrumentos que medem a taxa de dose requerem o uso de um tubo Geiger-Müller com compensação de energia , de modo que a dose exibida se relacione com as contagens detectadas. A eletrônica aplicará fatores conhecidos para fazer essa conversão, que é específica para cada instrumento e é determinada pelo projeto e calibração.
A leitura pode ser analógica ou digital e os instrumentos modernos oferecem comunicação serial com um computador host ou rede.
Geralmente, há uma opção para produzir cliques audíveis que representam o número de eventos de ionização detectados. Este é o som característico normalmente associado a contadores Geiger portáteis ou de mão. O objetivo disso é permitir que o usuário se concentre na manipulação do instrumento enquanto retém o feedback auditivo sobre a taxa de radiação.
Limitações
Existem duas limitações principais do contador Geiger. Como o pulso de saída de um tubo Geiger-Müller é sempre da mesma magnitude (independentemente da energia da radiação incidente), o tubo não pode diferenciar entre os tipos de radiação. Em segundo lugar, o tubo não pode medir altas taxas de radiação, porque cada evento de ionização é seguido por um "tempo morto", um período insensível durante o qual qualquer radiação incidente adicional não resulta em uma contagem. Normalmente, o tempo morto reduzirá as taxas de contagem indicadas acima de cerca de 10 4 a 10 5 contagens por segundo, dependendo da característica do tubo que está sendo usado. Embora alguns contadores tenham circuitos que podem compensar isso, para medições precisas , instrumentos de câmara de íons são preferidos para altas taxas de radiação.
Tipos e aplicações
A aplicação de detecção pretendida de um contador Geiger determina o design do tubo usado. Consequentemente, existem muitos projetos, mas eles podem ser geralmente classificados como "janela final", "parede fina" sem janela, "parede espessa" e, às vezes, híbridos desses tipos.
Detecção de partículas
Os primeiros usos históricos do princípio Geiger foram para a detecção de partículas alfa e beta, e o instrumento ainda é usado para essa finalidade hoje. Para partículas alfa e partículas beta de baixa energia, o tipo de "janela final" de um tubo Geiger-Müller deve ser usado, pois essas partículas têm um alcance limitado e são facilmente interrompidas por um material sólido. Portanto, o tubo requer uma janela que seja fina o suficiente para permitir o maior número possível dessas partículas para o gás de enchimento. A janela é geralmente feito de mica com uma densidade de cerca de 1,5-2,0 mg / cm 2 .
As partículas alfa têm o alcance mais curto e, para detectá-las, a janela idealmente deve estar dentro de 10 mm da fonte de radiação devido à atenuação da partícula alfa . No entanto, o tubo Geiger-Müller produz uma saída de pulso que é a mesma magnitude para todas as radiações detectadas, então um contador Geiger com um tubo de janela final não pode distinguir entre partículas alfa e beta. Um operador experiente pode usar a distância variável de uma fonte de radiação para diferenciar entre partículas alfa e beta de alta energia.
O tubo "panqueca" Geiger-Müller é uma variante da sonda de janela final, mas projetado com uma área de detecção maior para tornar a verificação mais rápida. No entanto, a pressão da atmosfera contra a baixa pressão do gás de enchimento limita o tamanho da janela devido à força limitada da membrana da janela.
Algumas partículas beta também podem ser detectadas por um tubo Geiger-Müller "sem janela" de parede fina, que não tem janela final, mas permite que partículas beta de alta energia passem pelas paredes do tubo. Embora as paredes do tubo tenham um poder de parada maior do que uma janela de extremidade fina, elas ainda permitem que essas partículas mais energéticas alcancem o gás de enchimento.
Os contadores Geiger de janela final ainda são usados como um instrumento portátil de medição e detecção de contaminação radioativa de uso geral , devido ao seu custo relativamente baixo, robustez e sua eficiência de detecção relativamente alta; particularmente com partículas beta de alta energia. No entanto, para a discriminação entre as partículas alfa e beta ou o fornecimento de informações sobre a energia das partículas, devem ser usados contadores de cintilação ou contadores proporcionais . Esses tipos de instrumentos são fabricados com áreas de detecção muito maiores, o que significa que a verificação de contaminação da superfície é mais rápida do que com um contador Geiger.
Detecção de gama e raio-X
Os contadores Geiger são amplamente usados para detectar radiação gama e raios-X conhecidos coletivamente como fótons , e para isso o tubo sem janela é usado. No entanto, a eficiência de detecção é baixa em comparação com partículas alfa e beta. O artigo sobre o tubo Geiger-Müller traz um relato mais detalhado das técnicas usadas para detectar a radiação de fótons. Para fótons de alta energia, o tubo depende da interação da radiação com a parede do tubo, geralmente um material de alto Z, como aço cromo de 1–2 mm de espessura, para produzir elétrons dentro da parede do tubo. Estes entram e ionizam o gás de enchimento.
Isso é necessário porque o gás de baixa pressão no tubo tem pouca interação com fótons de alta energia. No entanto, à medida que as energias dos fótons diminuem para níveis baixos, há uma maior interação do gás e a interação direta do gás aumenta. Em energias muito baixas (menos de 25 KeV), a ionização direta de gás domina e um tubo de aço atenua os fótons incidentes. Consequentemente, com essas energias, um projeto de tubo típico é um tubo longo com uma parede fina que tem um volume de gás maior para dar uma chance maior de interação direta de uma partícula com o gás de enchimento.
Acima desses níveis de baixa energia, há uma variação considerável em resposta a diferentes energias de fótons de mesma intensidade, e um tubo com parede de aço emprega o que é conhecido como "compensação de energia" na forma de anéis de filtro ao redor do tubo nu que tenta compensar essas variações em uma ampla faixa de energia. Um tubo GM de aço cromado tem cerca de 1% de eficiência em uma ampla gama de energias.
Detecção de nêutrons
Uma variação do tubo Geiger é usada para medir nêutrons , onde o gás usado é trifluoreto de boro ou hélio-3 e um moderador de plástico é usado para desacelerar os nêutrons. Isso cria uma partícula alfa dentro do detector e, portanto, os nêutrons podem ser contados.
Medição gama - proteção pessoal e controle de processo
O termo "contador Geiger" é comumente usado para significar um medidor portátil do tipo levantamento; no entanto, o princípio Geiger é amplamente usado em alarmes "gama de área" instalados para proteção pessoal e em aplicações de medição e intertravamento de processo. Um tubo Geiger ainda é o dispositivo de detecção, mas a eletrônica de processamento terá um grau mais alto de sofisticação e confiabilidade do que o usado em um medidor portátil.
Design físico
Para unidades portáteis, existem duas configurações físicas fundamentais: a unidade "integral" com detector e eletrônicos na mesma unidade, e o design de "duas peças" que tem uma sonda de detector separada e um módulo eletrônico conectado por um cabo curto .
Na década de 1930, uma janela de mica foi adicionada ao design cilíndrico, permitindo que a radiação de baixa penetração passasse com facilidade.
A unidade integral permite a operação com uma mão, então o operador pode usar a outra mão para segurança pessoal em posições de monitoramento desafiadoras, mas o design de duas peças permite uma manipulação mais fácil do detector e é comumente usado para monitoramento de contaminação de superfície alfa e beta, onde cuidadoso a manipulação da sonda é necessária ou o peso do módulo eletrônico tornaria a operação difícil. Vários detectores de tamanhos diferentes estão disponíveis para atender a situações particulares, como colocar a sonda em pequenas aberturas ou espaços confinados.
Os detectores Gama e Raio-X geralmente usam um design "integral" para que o tubo Geiger-Müller fique convenientemente dentro do gabinete eletrônico. Isso pode ser facilmente alcançado porque o revestimento geralmente tem pouca atenuação e é empregado em medições de gama ambiente onde a distância da fonte de radiação não é um fator significativo. No entanto, para facilitar medições mais localizadas, como "dose de superfície", a posição do tubo no invólucro é às vezes indicada por alvos no invólucro para que uma medição precisa possa ser feita com o tubo na orientação correta e a uma distância conhecida do superfície.
Existe um tipo particular de instrumento gama conhecido como detector de "ponto quente", que tem o tubo detector na extremidade de um longo pólo ou conduíte flexível. Eles são usados para medir locais de alta radiação gama enquanto protegem o operador por meio de blindagem de distância.
A detecção de partículas de alfa e beta pode ser usada em designs integrais e de duas peças. Uma sonda de panqueca (para alfa / beta) é geralmente usada para aumentar a área de detecção em instrumentos de duas peças, embora seja relativamente leve. Em instrumentos integrais que usam um tubo de janela final, há uma janela no corpo do invólucro para evitar a proteção de partículas. Existem também instrumentos híbridos que possuem uma sonda separada para detecção de partículas e um tubo de detecção gama dentro do módulo eletrônico. Os detectores podem ser trocados pelo operador, dependendo do tipo de radiação que está sendo medido.
Orientação sobre o uso do aplicativo
No Reino Unido, o National Radiological Protection Board emitiu uma nota de orientação do usuário sobre a seleção do melhor tipo de instrumento portátil para a aplicação de medição de radiação em questão. Isso cobre todas as tecnologias de instrumentos de proteção contra radiação e inclui um guia para o uso de detectores GM.
História
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Em 1908, Hans Geiger , sob a supervisão de Ernest Rutherford na Victoria University of Manchester (agora University of Manchester ), desenvolveu uma técnica experimental para detectar partículas alfa que mais tarde seria usada para desenvolver o tubo Geiger-Müller em 1928. Tão cedo counter só era capaz de detectar partículas alfa e fazia parte de um aparato experimental maior. O mecanismo de ionização fundamental usado foi descoberto por John Sealy Townsend entre 1897 e 1901 e é conhecido como descarga de Townsend , que é a ionização de moléculas por impacto de íons.
Não foi até 1928 que Geiger e Walther Müller (um estudante de PhD em Geiger) desenvolveram o tubo Geiger-Müller selado que usava princípios básicos de ionização usados anteriormente experimentalmente. Pequeno e robusto, ele não só conseguia detectar radiação alfa e beta como os modelos anteriores haviam feito, mas também radiação gama. Agora, um instrumento prático de radiação poderia ser produzido de forma relativamente barata, e assim nasceu o contador Geiger. Como a saída do tubo exigia pouco processamento eletrônico, uma vantagem distinta na era da válvula termiônica devido à contagem mínima de válvulas e ao baixo consumo de energia, o instrumento alcançou grande popularidade como detector de radiação portátil.
Versões modernas do contador Geiger usam o tubo de halogênio inventado em 1947 por Sidney H. Liebson . Ele substituiu o tubo Geiger-Müller anterior por causa de sua vida útil muito mais longa e tensão operacional mais baixa, normalmente 400-900 volts.
Galeria
Uso de um detector de "ponto quente" em um poste longo para inspecionar os tonéis de lixo.
Detector de panqueca GM alimentando um registrador de dados microcontrolador enviando dados para um PC via bluetooth . Uma rocha radioativa foi colocada no topo do GM fazendo com que o gráfico subisse.
Contadores GM sendo usados como monitores de pesquisa gama, buscando detritos de satélites radioativos
Veja também
- Becquerel , a unidade SI da taxa de decaimento radioativo de uma quantidade de material radioativo
- Contadores Geiger de defesa civil , monitores de radiação portáteis, GM e câmaras de íons
- Eficiência de contagem, a proporção de eventos de radiação que atingem um detector e o número que ele conta
- Dosímetro , um dispositivo usado pelo pessoal para medir a dose de radiação que receberam
- Câmara de ionização , o detector de radiação ionizante mais simples
- Detector de ionização gasosa , uma visão geral dos principais tipos de detectores gasosos
- Tubo Geiger-Müller , fornece uma descrição mais detalhada da operação e tipos do tubo Geiger-Müller
- Platô Geiger , a faixa de tensão operacional correta para um tubo Geiger-Müller
- Contagem de fótons
- Decadência radioativa , o processo pelo qual átomos instáveis emitem radiação
- Safecast (organização) , uso da contra-tecnologia Geiger-Müller na ciência cidadã
- Contador de cintilação , um detector de radiação sem gás
- Sievert , a unidade SI de efeitos de baixos níveis de radiação no corpo humano
Referências
links externos
Mídia relacionada aos contadores Geiger no Wikimedia Commons