Contador proporcional - Proportional counter

O contador proporcional é um tipo de dispositivo detector de ionização gasosa usado para medir partículas de radiação ionizante . A principal característica é a capacidade de medir a energia da radiação incidente, produzindo um pulso de saída do detector que é proporcional à energia de radiação absorvida pelo detector devido a um evento ionizante; daí o nome do detector. É amplamente utilizado onde os níveis de energia da radiação incidente devem ser conhecidos, como na discriminação entre partículas alfa e beta , ou medição precisa da dose de radiação de raios-X .

Gráfico da variação da corrente do par iônico em relação à voltagem aplicada para um detector de radiação gasosa de cilindro de fio.

Um contador proporcional usa uma combinação dos mecanismos de um tubo Geiger-Müller e uma câmara de ionização , e opera em uma região de tensão intermediária entre eles. O gráfico anexo mostra a região de tensão operacional do contador proporcional para um arranjo de cilindro coaxial.

Operação

A geração de avalanches discretas de Townsend em um contador proporcional.
Gráfico da intensidade do campo elétrico no ânodo, mostrando o limite da região da avalanche.

Em um contador proporcional, o gás de enchimento da câmara é um gás inerte que é ionizado por radiação incidente e um gás de extinção para garantir que cada descarga de pulso termine; uma mistura comum é 90% argônio, 10% metano, conhecido como P-10. Uma partícula ionizante que entra no gás colide com um átomo do gás inerte e o ioniza para produzir um elétron e um íon carregado positivamente, comumente conhecido como "par de íons". Conforme a partícula ionizante viaja pela câmara, ela deixa um rastro de pares de íons ao longo de sua trajetória, cujo número é proporcional à energia da partícula se ela for totalmente parada dentro do gás. Normalmente, uma partícula parada de 1 MeV criará cerca de 30.000 pares de íons.

A geometria da câmara e a voltagem aplicada são tais que, na maior parte da câmara, a intensidade do campo elétrico é baixa e a câmara atua como uma câmara de íons. No entanto, o campo é forte o suficiente para evitar a recombinação dos pares de íons e faz com que os íons positivos se desviem para o cátodo e os elétrons para o ânodo. Esta é a região de "deriva de íons". Na vizinhança imediata do fio do ânodo, a intensidade do campo torna-se grande o suficiente para produzir avalanches de Townsend . Essa região de avalanche ocorre a apenas frações de milímetro do fio do ânodo, que por sua vez tem um diâmetro muito pequeno. O objetivo disso é usar o efeito de multiplicação da avalanche produzida por cada par iônico. Esta é a região da "avalanche".

Um dos principais objetivos do projeto é que cada evento ionizante original devido à radiação incidente produza apenas uma avalanche. Isso é para garantir a proporcionalidade entre o número de eventos originais e a corrente iônica total. Por este motivo, a tensão aplicada, a geometria da câmara e o diâmetro do fio do ânodo são fundamentais para garantir o funcionamento proporcional. Se as avalanches começarem a se auto-multiplicar devido aos fótons UV como fazem em um tubo Geiger-Muller , então o contador entra em uma região de "proporcionalidade limitada" até que em uma voltagem mais alta aplicada o mecanismo de descarga Geiger ocorra com ionização completa do gás envolvente o fio anódico e consequente perda de informação sobre a energia das partículas.

Portanto, pode-se dizer que o contador proporcional tem a característica principal de design de duas regiões de ionização distintas:

  1. Região de deriva de íons: no volume externo da câmara - a criação de um número de pares de íons proporcionais à energia de radiação incidente.
  2. Região de avalanche: na vizinhança imediata do ânodo - amplificação de carga das correntes do par de íons, enquanto mantém avalanches localizadas.

O processo de amplificação de carga melhora muito a relação sinal-ruído do detector e reduz a subsequente amplificação eletrônica necessária.

Em resumo, o contador proporcional é uma combinação engenhosa de dois mecanismos de ionização em uma câmara que encontra ampla utilização prática.

Misturas de gases

Normalmente, o detector é preenchido com um gás nobre ; eles têm as tensões de ionização mais baixas e não se degradam quimicamente. Normalmente são usados neon , argônio , criptônio ou xenônio. Os raios X de baixa energia são mais bem detectados com núcleos mais claros (neon), que são menos sensíveis a fótons de alta energia. O criptônio ou o xenônio são escolhidos para raios X de alta energia ou para a eficiência desejada mais alta.

Freqüentemente, o gás principal é misturado com um aditivo de têmpera. Uma mistura popular é P10 (10% metano , 90% argônio).

A pressão de trabalho típica é de 1 atmosfera (cerca de 100 kPa).

Amplificação de sinal por multiplicação

No caso de um contador proporcional cilíndrico, a multiplicação, M , do sinal causado por uma avalanche pode ser modelada da seguinte forma:

Onde a é o raio do fio do ânodo, b é o raio do contador, p é a pressão do gás e V é a tensão de operação. K é uma propriedade do gás usado e relaciona a energia necessária para causar uma avalanche à pressão do gás. O termo final fornece a mudança na voltagem causada por uma avalanche.

Formulários

Espectroscopia

A proporcionalidade entre a energia da partícula carregada que viaja pela câmara e a carga total criada torna os contadores proporcionais úteis para espectroscopia de partícula carregada . Medindo a carga total (tempo integral da corrente elétrica ) entre os eletrodos, podemos determinar a energia cinética da partícula porque o número de pares de íons criados pela partícula carregada ionizante incidente é proporcional à sua energia. A resolução de energia de um contador proporcional, entretanto, é limitada porque tanto o evento de ionização inicial quanto o evento de 'multiplicação' subsequente estão sujeitos a flutuações estatísticas caracterizadas por um desvio padrão igual à raiz quadrada do número médio formado. No entanto, na prática, estes não são tão grandes como seria de prever devido ao efeito do fator de Fano empírico que reduz essas flutuações. No caso do argônio, isso é experimentalmente cerca de 0,2.

Detecção de fóton

Os contadores proporcionais também são úteis para a detecção de fótons de alta energia , como raios gama , desde que possam penetrar na janela de entrada. Eles também são usados ​​para a detecção de raios-X em níveis de energia abaixo de 1 Kev, usando tubos de paredes finas operando em ou próximo à pressão atmosférica.

Detecção de contaminação radioativa

Contadores proporcionais na forma de detectores planares de grandes áreas são usados ​​extensivamente para verificar a contaminação radioativa em pessoas, superfícies planas, ferramentas e itens de roupas. Isso normalmente é na forma de instrumentação instalada devido às dificuldades de fornecer suprimentos portáteis de gás para dispositivos portáteis. Eles são construídos com uma grande janela de detecção de área feita de mylar metalizado, que forma uma parede da câmara de detecção e faz parte do cátodo. O fio do ânodo é encaminhado de maneira complicada dentro da câmara do detector para otimizar a eficiência da detecção. Eles são normalmente usados ​​para detectar partículas alfa e beta e podem permitir a discriminação entre elas, fornecendo uma saída de pulso proporcional à energia depositada na câmara por cada partícula. Eles têm uma alta eficiência para beta, mas menor para alfa. A redução da eficiência para alfa é devido ao efeito de atenuação da janela de entrada, embora a distância da superfície sendo verificada também tenha um efeito significativo e, idealmente, uma fonte de radiação alfa deve estar a menos de 10 mm do detector devido à atenuação no ar.

Essas câmaras operam com uma pressão positiva muito leve acima da pressão atmosférica ambiente. O gás pode ser selado na câmara, ou pode ser trocado continuamente, caso em que são conhecidos como "contadores proporcionais de fluxo de gás". Os tipos de fluxo de gás têm a vantagem de tolerar pequenos orifícios na tela mylar que podem ocorrer durante o uso, mas exigem um suprimento contínuo de gás.

Orientação sobre o uso do aplicativo

No Reino Unido, o Health and Safety Executive (HSE) emitiu uma nota de orientação do usuário sobre a seleção do instrumento de medição de radiação correto para a aplicação em questão. [1] Isso cobre todas as tecnologias de instrumentos de radiação e é um guia comparativo útil para o uso de contadores proporcionais.

Veja também

Referências

links externos

Patentes