Câmara de ionização - Ionization chamber

A câmara de ionização é o mais simples de todos os detectores de radiação preenchidos com gás e é amplamente utilizada para a detecção e medição de certos tipos de radiação ionizante ; Raios X , raios gama e partículas beta . Convencionalmente, o termo "câmara de ionização" é usado exclusivamente para descrever aqueles detectores que coletam todas as cargas criadas pela ionização direta dentro do gás através da aplicação de um campo elétrico. Ele usa apenas as cargas discretas criadas por cada interação entre a radiação incidente e o gás, e não envolve os mecanismos de multiplicação de gás usados ​​por outros instrumentos de radiação, como o contador Geiger ou o contador proporcional .

As câmaras de íons têm uma boa resposta uniforme à radiação em uma ampla gama de energias e são o meio preferido para medir altos níveis de radiação gama. Eles são amplamente utilizados na indústria de energia nuclear, laboratórios de pesquisa, radiografia, radiobiologia e monitoramento ambiental.

Princípio da Operação

Diagrama esquemático de uma câmara de íons de placa paralela, mostrando a criação de pares de íons e deriva de íons devido ao campo elétrico. Os elétrons normalmente derivam 1000 vezes mais rápido do que os íons positivos devido à sua massa menor.
Gráfico de corrente de íon contra voltagem para um detector de radiação gasosa de cilindro de fio. A câmara de íons usa a região de detecção mais baixa utilizável.

Uma câmara de ionização mede a carga do número de pares de íons criados dentro de um gás causado pela radiação incidente. Consiste em uma câmara cheia de gás com dois eletrodos ; conhecido como ânodo e cátodo . Os eletrodos podem ser na forma de placas paralelas (Câmaras de Ionização de Placa Paralela: PPIC), ou um arranjo de cilindro com um fio anódico interno coaxialmente localizado.

Um potencial de voltagem é aplicado entre os eletrodos para criar um campo elétrico no gás de enchimento. Quando o gás entre os eletrodos é ionizado por radiação ionizante incidente , pares de íons são criados e os íons positivos resultantes e elétrons dissociados movem-se para os eletrodos de polaridade oposta sob a influência do campo elétrico. Isso gera uma corrente de ionização que é medida por um circuito de eletrômetro . O electrómetro deve ser capaz de medir a corrente de saída muito pequeno, o qual está na região de femtoamperes para picoamperes , dependendo do desenho da câmara, a dose de radiação e a tensão aplicada.

Cada par de íons criado deposita ou remove uma pequena carga elétrica de ou para um eletrodo, de modo que a carga acumulada é proporcional ao número de pares de íons criados e, portanto, à dose de radiação. Essa geração contínua de carga produz uma corrente de ionização, que é uma medida da dose ionizante total que entra na câmara.

O campo elétrico é forte o suficiente para permitir que o dispositivo funcione continuamente, eliminando todos os pares de íons, evitando a recombinação dos pares de íons que diminuiriam a corrente de íons. Este modo de operação é denominado modo "corrente", o que significa que o sinal de saída é uma corrente contínua e não uma saída de pulso como no caso do tubo Geiger-Müller ou do contador proporcional. Como o número de pares de íons produzidos é proporcional à energia da radiação incidente, essa corrente medida continuamente é proporcional à taxa de dose (energia depositada por unidade de tempo) na câmara de ionização.

Referindo-se ao gráfico de coleta de par de íons que acompanha, pode ser visto que na região de operação da câmara de íons a carga de um par de íons coletado é efetivamente constante ao longo de uma faixa de voltagem aplicada, como devido à sua força de campo elétrico relativamente baixa, a câmara de íons faz não tem nenhum efeito de multiplicação. Isso se distingue do tubo Geiger-Müller ou do contador proporcional por meio do qual elétrons secundários e, em última instância, múltiplas avalanches amplificam muito a carga de corrente iônica original.

Tipos de câmara e construção

Os seguintes tipos de câmara são comumente usados.

Câmara de ar livre

Esta é uma câmara aberta livremente para a atmosfera, onde o gás de enchimento é o ar ambiente. O detector de fumaça doméstico é um bom exemplo disso, onde um fluxo natural de ar através da câmara é necessário para que as partículas de fumaça possam ser detectadas pela mudança na corrente iônica. Outros exemplos são aplicações onde os íons são criados fora da câmara, mas são transportados por um fluxo forçado de ar ou gás.

Pressão da câmara

Câmara ventilada

Essas câmaras são normalmente cilíndricas e operam à pressão atmosférica, mas para evitar a entrada de umidade, um filtro contendo um dessecante é instalado na linha de ventilação. Isso evita que a umidade se acumule no interior da câmara, que, de outra forma, seria introduzida pelo efeito de "bomba" da alteração da pressão atmosférica do ar. Essas câmaras possuem um corpo cilíndrico de alumínio ou plástico com alguns milímetros de espessura. O material é selecionado para ter um número atômico semelhante ao do ar, de modo que a parede é considerada "equivalente ao ar" em uma faixa de energias de feixe de radiação. Isso tem o efeito de garantir que o gás na câmara esteja agindo como se fosse uma porção de um volume de gás infinitamente grande e aumenta a precisão, reduzindo as interações de gama com o material da parede. Quanto maior o número atômico do material da parede, maior a chance de interação. A espessura da parede é uma compensação entre manter o efeito do ar com uma parede mais espessa e aumentar a sensibilidade usando uma parede mais fina. Essas câmaras costumam ter uma janela final feita de material fino o suficiente, como mylar, para que as partículas beta possam entrar no volume do gás. A radiação gama entra pela janela final e pelas paredes laterais. Para instrumentos portáteis, a espessura da parede é tornada o mais uniforme possível para reduzir a direcionalidade dos fótons, embora qualquer resposta da janela beta seja obviamente altamente direcional. As câmaras ventiladas são suscetíveis a pequenas mudanças na eficiência com a pressão do ar e os fatores de correção podem ser aplicados para aplicações de medição muito precisas.

Câmara selada de baixa pressão

Eles são semelhantes em construção à câmara ventilada, mas são vedados e operam em ou próximo à pressão atmosférica. Eles contêm um gás de enchimento especial para melhorar a eficiência da detecção, pois os elétrons livres são facilmente capturados em câmaras ventiladas cheias de ar por oxigênio neutro que é eletronegativo , para formar íons negativos. Essas câmaras também têm a vantagem de não exigir ventilação e dessecante. A janela final beta limita a pressão diferencial da pressão atmosférica que pode ser tolerada, e os materiais comuns são aço inoxidável ou titânio com uma espessura típica de 25 µm.

Câmara de alta pressão

A eficiência da câmara pode ser aumentada ainda mais pelo uso de um gás de alta pressão. Normalmente, uma pressão de 8-10 atmosferas pode ser usada, e vários gases nobres são empregados. A pressão mais alta resulta em uma densidade de gás maior e, portanto, em uma chance maior de colisão com o gás de preenchimento e a criação de par de íons por radiação incidente. Devido ao aumento da espessura da parede necessária para suportar essa alta pressão, apenas a radiação gama pode ser detectada. Esses detectores são usados ​​em medidores de levantamento e para monitoramento ambiental.

Forma de câmara

Câmara dedal

Mais comumente usado para medições de terapia de radiação é uma câmara cilíndrica ou "dedal". O volume ativo é alojado dentro de uma cavidade em forma de dedal com uma superfície condutora interna (cátodo) e um ânodo central. Uma tensão de polarização aplicada através da cavidade coleta íons e produz uma corrente que pode ser medida com um eletrômetro.

Câmaras de placas paralelas

As câmaras de placas paralelas têm o formato de um pequeno disco, com eletrodos coletores circulares separados por uma pequena lacuna, normalmente 2 mm ou menos. O disco superior é extremamente fino, permitindo medições de dose muito mais precisas perto da superfície do que seria possível com uma câmara cilíndrica.

Câmaras de monitoramento

As câmaras do monitor são normalmente câmaras de placas de íons paralelas que são colocadas em feixes de radiação para medir continuamente a intensidade do feixe. Por exemplo, dentro da cabeça de aceleradores lineares usados ​​para radioterapia , câmaras de ionização multicavidades podem medir a intensidade do feixe de radiação em várias regiões diferentes, fornecendo simetria do feixe e informações de planicidade.

Câmaras de pesquisa e calibração

Câmara de ionização feita por Pierre Curie, c 1895-1900

As primeiras versões da câmara de íons foram usadas por Marie e Pierre Curie em seu trabalho original no isolamento de materiais radioativos. Desde então, a câmara de íons tem sido uma ferramenta amplamente utilizada em laboratório para fins de pesquisa e calibração. Para esses usos, uma variedade de câmaras personalizadas, algumas usando líquidos como meio ionizado, foram usadas. As câmaras de íons são usadas por laboratórios nacionais para calibrar padrões primários e também para transferir esses padrões para outras instalações de calibração.

Câmaras históricas

Câmara condensadora

A câmara do condensador possui uma cavidade secundária dentro da haste que atua como um capacitor . Quando esse capacitor está totalmente carregado, qualquer ionização dentro do dedal neutraliza essa carga e a mudança na carga pode ser medida. Eles são práticos apenas para feixes com energia de 2 MeV ou menos, e o alto vazamento da haste os torna inadequados para dosimetria precisa.

Câmara de extrapolação

Semelhante em design a uma câmara de placa paralela, a placa superior de uma câmara de extrapolação pode ser inferior usando parafusos de micrômetro. As medições podem ser feitas com espaçamentos de placas diferentes e extrapoladas para um espaçamento de placas de zero, ou seja, a dose sem a câmara.

Tipos de instrumentos

Portátil

Medidor portátil de levantamento de câmara de íons integral em uso
Vista do escudo beta deslizante no instrumento portátil integral

As câmaras de íons são amplamente utilizadas em medidores portáteis de pesquisa de radiação para medir a radiação beta e gama. Eles são particularmente preferidos para medições de taxa de dose alta e para radiação gama, eles fornecem boa precisão para energias acima de 50-100 keV.

Existem duas configurações básicas; a unidade "integral" com a câmara e os componentes eletrônicos no mesmo estojo, e o instrumento de "duas peças" que possui uma sonda de câmara de íons separada conectada ao módulo eletrônico por um cabo flexível.

A câmara do instrumento integral fica geralmente na parte frontal da caixa voltada para baixo e, para instrumentos beta / gama, há uma janela na parte inferior da caixa. Isso geralmente tem um escudo deslizante que permite a discriminação entre radiação gama e beta. O operador fecha o escudo para excluir beta e pode, assim, calcular a taxa de cada tipo de radiação.

Alguns instrumentos portáteis geram cliques audíveis semelhantes aos produzidos por um contador GM para auxiliar os operadores, que usam o feedback de áudio em pesquisas de radiação e verificações de contaminação. Como a câmara de íons funciona no modo de corrente, não no modo de pulso, isso é sintetizado a partir da taxa de radiação.

Instalado

Para medições de processos industriais e intertravamentos com altos níveis de radiação sustentados, a câmara de íons é o detector preferido. Nessas aplicações, apenas a câmara está situada na área de medição, e os componentes eletrônicos estão localizados remotamente para protegê-los da radiação e conectados por um cabo. Os instrumentos instalados podem ser usados ​​para medir a gama ambiente para proteção pessoal e normalmente soar um alarme acima de uma taxa predefinida, embora o instrumento de tubo Geiger-Müller seja geralmente preferido onde altos níveis de precisão não são necessários.

Precauções gerais de uso

A umidade é o principal problema que afeta a precisão das câmaras de íons. O volume interno da câmara deve ser mantido completamente seco, e o tipo ventilado usa um dessecante para ajudar com isso. Por causa das correntes muito baixas geradas, qualquer fuga de fuga deve ser mantida em um mínimo para preservar a precisão. A umidade higroscópica invisível na superfície dos dielétricos e conectores do cabo pode ser suficiente para causar uma corrente de fuga que irá inundar qualquer corrente de íon induzida por radiação. Isso requer uma limpeza meticulosa da câmara, suas terminações e cabos, e subsequente secagem em um forno. "Anéis de proteção" são geralmente usados ​​como um recurso de projeto em tubos de alta tensão para reduzir o vazamento através ou ao longo da superfície dos isoladores de conexão de tubo, que podem exigir uma resistência da ordem de 10 13  Ω.

Para aplicações industriais com eletrônicos remotos, a câmara de íons é alojada em um gabinete separado que fornece proteção mecânica e contém um dessecante para remover a umidade que pode afetar a resistência de terminação.

Em instalações onde a câmara está distante da eletrônica de medição, as leituras podem ser afetadas pela radiação eletromagnética externa atuando no cabo. Para superar isso, um módulo conversor local é frequentemente usado para traduzir as correntes muito baixas da câmara de íons em um trem de pulso ou sinal de dados relacionado à radiação incidente. Eles são imunes aos efeitos eletromagnéticos.

Formulários

Industria nuclear

As câmaras de ionização são amplamente utilizadas na indústria nuclear, pois fornecem uma saída que é proporcional à dose de radiação. Elas encontram amplo uso em situações onde uma alta taxa de dose constante está sendo medida, pois têm uma vida útil operacional maior do que os tubos Geiger-Müller padrão, que sofrem de decomposição de gás e são geralmente limitados a uma vida de cerca de 10 11 eventos de contagem. Além disso, o tubo Geiger-Müller não pode operar acima de cerca de 10 4 contagens por segundo, devido aos efeitos de tempo morto, ao passo que não há limitação semelhante na câmara de íons.

Detectores de fumaça

A câmara de ionização encontrou um uso amplo e benéfico em detectores de fumaça . Em um detector de fumaça do tipo ionização, o ar ambiente pode entrar livremente na câmara de ionização. A câmara contém uma pequena quantidade de amerício-241 , que é um emissor de partículas alfa que produzem uma corrente iônica constante. Se a fumaça entrar no detector, ela interrompe essa corrente porque os íons atingem as partículas de fumaça e são neutralizados. Essa queda na corrente aciona o alarme. O detector também possui uma câmara de referência que é selada, mas ionizada da mesma maneira. A comparação das correntes de íons nas duas câmaras permite a compensação de mudanças devido à pressão do ar, temperatura ou envelhecimento da fonte.

Medição de radiação médica

Diagrama de um calibrador de dose de medicina nuclear ou calibrador de radionuclídeo que usa uma câmara de ionização. A draga é usada para fornecer uma posição reproduzível da fonte.

Em física médica e radioterapia , as câmaras de ionização são usadas para garantir que a dose fornecida por uma unidade de terapia ou radiofármaco seja a pretendida. Os dispositivos usados ​​para radioterapia são chamados de "dosímetros de referência", enquanto aqueles usados ​​para radiofármacos são chamados de calibradores de dose de radioisótopos - um nome inexato para calibradores de radioatividade de radionuclídeos , que são usados ​​para medir a radioatividade, mas não a dose absorvida. Uma câmara terá um fator de calibração estabelecido por um laboratório de padrões nacionais, como a ARPANSA na Austrália ou o NPL no Reino Unido, ou terá um fator determinado por comparação com uma câmara padrão de transferência rastreável aos padrões nacionais no local do usuário.

Orientação sobre o uso do aplicativo

No Reino Unido, o HSE publicou um guia do usuário sobre a seleção do instrumento de medição de radiação correto para a aplicação específica em questão. Isso cobre todas as tecnologias de instrumentos de radiação e é um guia comparativo útil para o uso de instrumentos de câmara de íons.

Veja também

Notas

Referências