Detectores Gaseosos (Instrumentación Nuclear), Diapositivas de Física Médica

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UNIVERSIDAD NACIONAL SAN

ANTONIO ABAD DEL CUSCO

DETECTORES GASEOSOS

FÍSICA MÉDICA

De: Valery Samara Almanza Zuñiga

Docente: Gonzalo Suarez Sanchez

Código: 192962

Semestre: 2025-

Detectores Gaseosos

● Los detectores llenos de gas funcionan mediante la

ionización producida por la radiación al atravesar un gas. En

concreto, un detector consta de dos electrodos a los que se

aplica una alta tensión, generando así un campo eléctrico

intenso. El espacio entre los electrodos está lleno de gas, el

cual se ioniza cuando es atravesado por la radiación.

● La radiación ionizante que pasa a través del espacio entre

los electrodos disipa parte o toda su energía mediante la

generación de pares ión electrón.

Tanto los e- como los iones son portadores de carga

que se mueven bajo la influencia de un fuerte campo

eléctrico, su movimiento induce una corriente en los

electrodos que puede ser medido.

● A través de la electrónica apropiada, la carga producida por

la radiación puede ser transformada en un pulso.

● Existen tres tipos de detectores gaseosos en los cuales el

campo eléctrico es lo suficientemente intenso como para

que los electrones generados por la radiación primaria

adquieran suficiente energía cinética entre colisiones,

permitiéndoles producir nuevos pares de electrones e iones. Fig 1: (a) Esquema general de un detector

gaseoso, donde la corriente producida es medida. (b) Detección de pulsos.

Descarga (V=V_{V}) Si el voltaje aplicado es muy elevado, entonces se inicia un evento de ionización y una descarga continua en el gas por lo que el dispositivo ya no es más un detector de partículas.

V

Tipos de detectores gaseosos

● Un detector gaseoso toma este nombre debido a la región del voltaje el cual operan estos

instrumentos, sin embargo ningún detector opera en la región I.

● La región I conlleva a una señal débil, puesto que muchas cargas se recombinan y no

contribuyen a la señal.

● Los detectores pueden ser construidos bajo cualquiera de las 3 geometrías (plato, cilindrico o

esférico).

● Cuando el detector tiene la forma de un plato, el campo es uniforme cuya magnitud está dada

por:

● En una cámara cilíndrica, el voltaje se aplica a un cable muy delgado, de apenas unas pocas

pulgadas de diámetro, que se encuentra estirado axialmente en el centro del cilindro, mientras

que la pared del cilindro está conectada a tierra.

● La multiplicación de carga es más fácil conseguirse en un

detector cilíndrico que en uno de forma de plato.

● En un detector esférico, el voltaje se aplica a una pequeña

esfera ubicada en el centro del detector, mientras que la

pared externa está, por lo general, conectada a tierra. El

campo eléctrico en este sistema está determinado por:

● La geometría en este detector permite que puedan

producirse campos más fuertes, no obstante su dificultad

radica en su construcción.

Los detectores gaseosos con buena precisión pueden operar en

cualquiera de las regiones II a IV; sin embargo, esto dependerá

de la combinación de los siguientes parámetros:

❖ Tamaño y geometría del detector

❖ Tamaño del cable

❖ Precisión del gas

❖ Nivel del alto voltaje (no es un valor exacto, pero si un

rango)

Fig 3: La relación entre el voltaje aplicado al detector y la carga recolectada de acuerdo a cada partícula de radiación detectada.

En los detectores gaseosos, una partícula debe ceder energía para ionizar el gas. Aunque la energía de ionización es de 10 a 25 eV, el valor promedio de energía necesaria por par ión-electrón formado (W) es mayor, entre 25 y 35 eV. Este valor W es casi constante para distintos gases y tipos de radiación. Por ejemplo, una partícula de 1 MeV puede generar unos 30,000 pares iónicos, lo que permite estimar la energía depositada midiendo dichos pares.

El factor Fano es una constante empírica que ajusta la varianza teórica a la varianza observada experimentalmente. Indica qué fracción de la energía incidente se convierte en información útil para el detector. En gases, su valor es menor que 1 y es especialmente relevante en detectores que operan en modo pulso.

➔ Número de pares e- ion formados

➔ El factor Fano

Fig 5: Valores del W (energía por par iónico) para diferentes gases.

➔ Difusión de carga transferencia y recombinación

Los átomos y moléculas neutras del gas están en constante movimiento térmico. Iones positivos y electrones libres también participan en este movimiento aleatorio, lo que causa que se dispersen desde regiones de alta densidad. Esta difusión es más notable en los electrones, ya que tienen mayor velocidad térmica.

Las colisiones entre iones y e- pueden resultar en la recombinación donde un e- es capturado por un ion positivo, donde regresa a su estado de estabilidad o neutralidad. Alternativamente puede colisionar con un ion negativo, en el que el electrón extra se transfiere al ion positivo y ambos iones se neutralizan, la tasa de recombinación puede estar escrita como:

El coeficiente de recombinación normalmente es órdenes de magnitud mayor entre iones positivos e iones negativos en comparación con el existente entre iones positivos y electrones libres.

Fig 7: Circuito electrónico de una cámara de ionización.

● El voltaje V(t) a través de la resistencia R será el resultado del cambio de carga, dando:

● De las 2 ecuaciones anteriores se obtiene:

● Para una cámara de ionización del tipo plato el campo es cte, independiente de x, como también de la velocidad de deriva, resultando:

● La velocidad de deriva del e- es más grande que la del ión esto evoca a que el e- alcanzara al colector del plato antes que el ión.

● Siendo sus valores típicos:

● Para cuando t>T(-), la señal será:

● Para la figura 8 el pulso mostrado fue asumido de que todos los pares de iones fueron producidos en x = xo

● En realidad la ionización es producida alrededor del recorrido de la partícula incidente, por lo que el pulso final resultará en la superposición de muchos pulsos. ● El pulso observado en la figura 8 no es adecuado para el conteo de partículas individuales ya que no decae rápidamente. ● Esto implica que el pulso debe producir una señal cuyo tiempo de decaimiento sea menor que el intervalo entre la llegada de dos partículas consecutivas.

● Para cuando t<T(-), el voltaje V(t) cambiará linealmente con el:

Fig 8: Pulso generado en una cámara de ionización.

● Finalmente después de que t = T(+), el ión alcanzará al cátodo que está conectado a tierra haciendo que la señal alcance su valor máximo:

● Además si N pares e- e ion son producidos el voltaje final será:

● Esto hace que el pico de la figura 9, dependa de la posición en xo, no obstante esto puede ser corregido de múltiples maneras, una de ellas es mediante una rejilla o cuadrícula entre los 2 platos haciendo que el voltaje se mantenga en un rango intermediov

● Para el análisis de la formación del pulso en un detector cilíndrico o esférico se sigue el mismo enfoque. La geometría influye en el campo eléctrico; sin embargo, los resultados son ligeramente diferentes, ya que el campo se mantiene constante. No obstante, la forma de la señal corresponde a la que se muestra en la figura 8, y su truncamiento electrónico se ilustra en la figura 9.

Contadores Proporcionales

● Cuando el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte dentro de un detector gaseoso, algunos electrones adquieren, entre colisiones, la energía suficiente como para ionizar más átomos, generando así nuevos pares de iones.

➔ Multiplicación de cargas

● El efecto neto de este proceso corresponde a la multiplicación de la ionización primaria a esto se le conoce como la multiplicación de cargas. ● Por lo general, para alcanzar una alta intensidad de campo eléctrico que permita la multiplicación de cargas, se utiliza una cámara de geometría cilíndrica. ● Los e- secundarios se producen generalmente mediante 2 procesos:

Interacciones Fotoeléctricas

Son causados por fotones producto de la ionización y excitación de los átomos y moléculas del gas.

Bombardeo de la superficie del

cátodo por los iones positivos

Cuando los iones positivos alcanzan el final de su recorrido golpean al cátodo.

● La producción de electrones mediante estos dos procesos da lugar a avalanchas sucesivas de ionización. Independientemente del mecanismo que los haya generado, los electrones migran en la dirección del campo eléctrico e inducen ionizaciones adicionales a lo largo de su trayectoria. ● El factor multiplicativo M (n° total de e- libres producidos en el detector) se calcula como:

● Cada fotoelectrón produce una nueva avalancha de N, esto implica que la segunda avalancha consistirá en e-. La tercera avalancha tendrá e- y así. ● La magnitud de depende del voltaje aplicado, por lo que a su vez el factor multiplicativo M puede estar definido como:

● Sin embargo el factor multiplicativo M corresponde a una función de radio y de el producto Pa (P: presión del gas):

● No obstante, de acuerdo con la figura 10, el factor de multiplicación M crece exponencialmente al aumentar el voltaje aplicado, lo que implica una fuerte dependencia entre ambas magnitudes y conduce a una multiplicación continua. Este efecto se controla añadiendo una pequeña cantidad de un gas poliatómico, como una mezcla de 10 % de CH₄ y 90 % de argón.

Fig 11 : (a) Un detector de gas cilindrico (b) la sección transversal del detector

● Los electrones son recogidos más rápidamente que los iones. A medida que los iones se desplazan hacia el cátodo, el pulso de voltaje comienza a aumentar rápidamente, por lo que el voltaje del pulso está dado por:

● Y la ecuación para el t_ion está dado por:

Fig 12 : Pulso de un contador proporcional

● El pulso de voltaje V(t), representado por la línea continua en la Figura 12, se eleva rápidamente y alcanza aproximadamente la mitad de su valor máximo en un tiempo del orden de los microsegundos. Luego, su crecimiento se vuelve mucho más lento, y alrededor de un milisegundo después alcanza su valor final, que es Q/C. ● Sin embargo el pulso de la figura 12, esta bajo la suposición de que todos los iones son producidos al mismo tiempo cuando en realidad no es así.

● Sin embargo el pulso de la figura 12 es muy grande, como solución el pulso es “truncado” en un intervalo de tiempo conveniente (pulso de la línea cortada)

★ Curva de Plateau

● Para un detector específico, es necesario conocer qué fracción de la tasa de conteo cambiará si el HV cambia por una pequeña cantidad. ● Esta información es otorgada por el plateau del HV en el detector. Esto es aplicable tanto para los contadores proporcionales como para los contadores Geiger Muller. ● En el experimento, una fuente radiactiva emite cierto tipo de partículas a una determinada distancia del detector. La señal generada se amplifica con la ayuda de un preamplificador y un amplificador. Luego, los pulsos son enviados a un discriminador, el cual selecciona aquellos que cumplen con un umbral definido, y finalmente son contados mediante un escalador. ● La tasa de conteo está en función de la variación del alto voltaje (la única magnitud que es variable)

Fig 13 : Contador Proporcional

➔ La curva de plateau depende del tipo de partículas que están siendo detectadas. Si se tiene 2 tipos de partículas entonces se obtendrán 2 curvas

● El rendimiento de un detector es expresado en términos de la pendiente de plateau, que está dado por la forma:

● Sin embargo la ecuación anterior es comúnmente expresado en un porcentaje de cambio respecto de la tasa de conteo por el cambio de 100 V, esto da:

➔ La Figura 15 muestra el plateau de un detector proporcional que detecta partículas alfa y beta. Se observan dos plateaus, lo que indica que en la región proporcional es posible distinguir entre ambos tipos de radiación. Fig 15 : Curva de Plateau para 2 partículas

Contadores Geiger Muller

● Estos detectores operan en la región IV (ver la figura 2) y poseen una propiedad remarcable que es en el tamaño de su pulso de la carga total producida en el volumen activo, independiente de la energía de ionización. ● En consecuencia estos detectores no poseen una capacidad inherente de distinción para los diferentes tipos de radiación, no obstante pueden ser configurados para mejorar la sensibilidad en la radiación alfa, beta y gamma. ● La sensibilidad en lo contadores Geiger está definida de acuerdo al grosor de la entrada de la ventana.

Fig 16 : Esquema de un contador Geiger Muller

★ Formación del pulso en un contador geiger

● Los pares de los iones producidos dentro del tubo GM son separados rápidamente producto del campo eléctrico entre el ánodo y el cátodo. ● Los e- al moverse hacia el ánodo ganan la suficiente energía cinética para producir ionización adicional.

● Los pulsos producidos es similar a la formación del pulso para el contador proporcional. ● Existe una rápida recolección de pares ión-electrón formados cerca del ánodo. Esta avalancha inicial es seguida por una sucesión de avalanchas secundarias, provocadas por la emisión de fotones debido a la excitación de las moléculas del gas, como resultado del impacto de los electrones. ● Estos fotones interactúan con las paredes del detector y con el gas, generando electrones terciarios. La descarga resultante se propaga rápidamente por todo el volumen del detector, concentrándose alrededor del electrodo positivo.