contador Geiger

Contador Geiger-Müller

Un contador Geiger-Müller de sobremesa de "dos piezas" que utiliza un detector de ventana final cilíndrico conectado a un módulo electrónico con lectura analógica
Otros nombres	Contador Geiger
Inventor	Hans Geiger y Walther Müller
Artículos relacionados	Tubo Geiger-Müller

Un contador Geiger ( / ˈɡaɪɡər / , GY -gər ; ^[1] también conocido como contador Geiger–Müller o contador GM ) es un instrumento electrónico utilizado para detectar y medir la radiación ionizante . Se utiliza ampliamente en aplicaciones como la dosimetría de radiación , la protección radiológica , la física experimental y la industria nuclear .

Detecta radiación ionizante como partículas alfa , partículas beta y rayos gamma utilizando el efecto de ionización producido en un tubo Geiger-Müller , que da su nombre al instrumento. ^[2] Con un uso amplio y destacado como instrumento portátil de estudio de radiación , es quizás uno de los instrumentos de detección de radiación más conocidos del mundo .

El principio de detección original se realizó en 1908 en la Universidad de Manchester ^[3] , pero no fue hasta el desarrollo del tubo Geiger-Müller en 1928 que el contador Geiger pudo producirse como un instrumento práctico. Desde entonces, ha sido muy popular debido a su elemento sensor robusto y su costo relativamente bajo. Sin embargo, existen limitaciones en la medición de altas tasas de radiación y la energía de la radiación incidente. ^[4]

El contador Geiger es uno de los primeros ejemplos de sonificación de datos . ^[5]

Un contador Geiger consta de un tubo Geiger-Müller (el elemento sensor que detecta la radiación) y la electrónica de procesamiento, que muestra el resultado.

El tubo Geiger-Müller se llena con un gas inerte como helio , neón o argón a baja presión, al que se aplica un alto voltaje. El tubo conduce brevemente la carga eléctrica cuando las partículas de alta energía o la radiación gamma hacen que el gas sea conductor por ionización. La ionización se amplifica considerablemente dentro del tubo por el efecto de descarga de Townsend para producir un pulso de detección de fácil medición, que se alimenta a la electrónica de procesamiento y visualización. Este gran pulso del tubo hace que el contador Geiger sea relativamente barato de fabricar, ya que la electrónica posterior se simplifica en gran medida. ^[4] La electrónica también genera el alto voltaje, típicamente 400-900 voltios, que se debe aplicar al tubo Geiger-Müller para permitir su funcionamiento. Este voltaje debe seleccionarse con cuidado, ya que un voltaje demasiado alto permitirá una descarga continua, dañando el instrumento e invalidando los resultados. Por el contrario, un voltaje demasiado bajo dará como resultado un campo eléctrico demasiado débil para generar un pulso de corriente. ^[6] El voltaje correcto generalmente lo especifica el fabricante. Para ayudar a terminar rápidamente cada descarga en el tubo, se agrega al gas de llenado una pequeña cantidad de gas halógeno o material orgánico conocido como mezcla de extinción .

Hay dos tipos de lectura de radiación detectada: recuentos y dosis de radiación .

• La pantalla de conteos es la más sencilla y muestra la cantidad de eventos ionizantes detectados, que se muestran como una tasa de conteo, como "conteos por minuto" o "conteos por segundo", o como una cantidad total de conteos durante un período de tiempo determinado (un total integrado). La lectura de conteos se utiliza normalmente cuando se detectan partículas alfa o beta.
• Más compleja de lograr es una visualización de la tasa de dosis de radiación, mostrada en unidades como el sievert , que normalmente se utiliza para medir las tasas de dosis de rayos gamma o X. Un tubo Geiger-Müller puede detectar la presencia de radiación, pero no su energía , que influye en el efecto ionizante de la radiación. En consecuencia, los instrumentos que miden la tasa de dosis requieren el uso de un tubo Geiger-Müller con compensación de energía , de modo que la dosis mostrada se relacione con los recuentos detectados. ^[4] La electrónica aplicará factores conocidos para realizar esta conversión, que es específica de cada instrumento y está determinada por el diseño y la calibración.

La lectura puede ser analógica o digital, y los instrumentos modernos ofrecen comunicaciones en serie con una computadora host o una red.

Generalmente existe una opción para producir clics audibles que representan la cantidad de eventos de ionización detectados. Este es el sonido distintivo asociado con los contadores Geiger portátiles. El propósito de esto es permitir que el usuario se concentre en la manipulación del instrumento mientras conserva la retroalimentación auditiva sobre la tasa de radiación.

El contador Geiger tiene dos limitaciones principales:

1. Debido a que el pulso de salida de un tubo Geiger-Müller es siempre de la misma magnitud (independientemente de la energía de la radiación incidente), el tubo no puede diferenciar entre tipos de radiación ni medir la energía de la radiación, lo que le impide medir correctamente la tasa de dosis . ^[4]
2. El tubo es menos preciso a altas tasas de radiación, porque cada evento de ionización es seguido por un "tiempo muerto", un período insensible durante el cual cualquier radiación incidente adicional no da como resultado un recuento. Por lo general, el tiempo muerto reducirá las tasas de recuento indicadas por encima de aproximadamente 10 ⁴ a 10 ⁵ cuentas por segundo, según la característica del tubo que se utilice. ^[4] Si bien algunos contadores tienen circuitos que pueden compensar esto, para medir tasas de dosis muy altas, los instrumentos de cámara de ionización son los preferidos para tasas de radiación altas.

La aplicación de detección prevista de un contador Geiger determina el diseño del tubo utilizado. En consecuencia, hay una gran variedad de diseños, pero en general se pueden clasificar como "de ventana final", "sin ventana", "de pared delgada", "de pared gruesa" y, a veces, híbridos de estos tipos.

Los primeros usos históricos del principio Geiger fueron para detectar partículas α y β, y el instrumento todavía se utiliza para este propósito en la actualidad. Para partículas α y partículas β de baja energía, se debe utilizar el tipo de "ventana final" de un tubo Geiger-Müller, ya que estas partículas tienen un alcance limitado y un material sólido las detiene fácilmente . Por lo tanto, el tubo requiere una ventana que sea lo suficientemente delgada para permitir que la mayor cantidad posible de estas partículas pasen al gas de relleno. La ventana generalmente está hecha de mica con una densidad de aproximadamente 1,5–2,0 mg/cm ² . ^[2]

Las partículas α tienen el alcance más corto y, para detectarlas, la ventana idealmente debería estar a 10 mm de la fuente de radiación debido a la atenuación de las partículas α . ^[2] Sin embargo, el tubo Geiger-Müller produce una salida de pulso que tiene la misma magnitud para toda la radiación detectada, por lo que un contador Geiger con un tubo de ventana final no puede distinguir entre partículas α y β. ^[4] Un operador experto puede usar la distancia variable desde una fuente de radiación para diferenciar entre partículas α y β de alta energía.

El tubo Geiger-Müller "panqueque" es una variante de la sonda de ventana terminal, pero diseñada con un área de detección más grande para que la verificación sea más rápida. Sin embargo, la presión de la atmósfera contra la baja presión del gas de llenado limita el tamaño de la ventana debido a la resistencia limitada de la membrana de la ventana.

Algunas partículas β también pueden detectarse mediante un tubo Geiger-Müller de paredes delgadas "sin ventana", que no tiene ventana terminal, pero permite que las partículas β de alta energía pasen a través de las paredes del tubo. Aunque las paredes del tubo tienen un mayor poder de detención que una ventana terminal delgada, aún permiten que estas partículas más energéticas alcancen el gas de relleno. ^[2]

Los contadores Geiger de ventana final todavía se utilizan como un instrumento portátil de uso general para la medición y detección de contaminación radiactiva , debido a su costo relativamente bajo, robustez y eficiencia de detección relativamente alta; particularmente con partículas β de alta energía. ^{[4] [7]} Sin embargo, para la discriminación entre partículas α y β o para proporcionar información sobre la energía de las partículas, se deben utilizar contadores de centelleo o contadores proporcionales . ^[8] Esos tipos de instrumentos se fabrican con áreas de detector mucho más grandes, lo que significa que la verificación de la contaminación de la superficie es más rápida que con un contador Geiger.

Los contadores Geiger se utilizan ampliamente para detectar la radiación gamma y los rayos X , conocidos colectivamente como fotones , y para ello se utiliza el tubo sin ventanas. Sin embargo, la eficiencia de detección es baja en comparación con las partículas alfa y beta. El artículo sobre el tubo Geiger-Müller contiene una descripción más detallada de las técnicas utilizadas para detectar la radiación de fotones. Para los fotones de alta energía, el tubo se basa en la interacción de la radiación con la pared del tubo, generalmente un material con un número atómico alto , como el acero inoxidable de 1 a 2 mm de espesor, para producir electrones libres dentro de la pared del tubo, debido al efecto fotoeléctrico . Si estos migran a la pared del tubo, ingresan e ionizan el gas de relleno. ^[4]

Este efecto aumenta la eficiencia de detección porque el gas a baja presión en el tubo tiene una interacción más pobre con fotones de mayor energía que un tubo de acero. Sin embargo, a medida que las energías de los fotones disminuyen a niveles bajos, hay una mayor interacción con el gas y la contribución de la interacción directa con el gas aumenta. A energías muy bajas (menos de 25 keV ) predomina la ionización directa del gas y un tubo de acero atenúa los fotones incidentes. En consecuencia, a estas energías, un diseño de tubo típico es un tubo largo con una pared delgada que tiene un mayor volumen de gas, para dar una mayor probabilidad de interacción directa de una partícula con el gas de relleno. ^[2]

Por encima de estos niveles bajos de energía, hay una variación considerable en la respuesta a diferentes energías de fotones de la misma intensidad, y un tubo con paredes de acero emplea lo que se conoce como "compensación de energía" en forma de anillos de filtro alrededor del tubo desnudo, que intenta compensar estas variaciones en un amplio rango de energía. ^[2] Un tubo Geiger-Müller con paredes de acero tiene una eficiencia de aproximadamente el 1% en un amplio rango de energías. ^[2]

Una variante del tubo Geiger, conocida como esfera de Bonner, se puede utilizar para medir exclusivamente la dosis de radiación de los neutrones en lugar de la de los rayos gamma mediante el proceso de captura de neutrones . El tubo, que puede contener el gas de relleno trifluoruro de boro o helio-3 , está rodeado por un moderador de plástico que reduce las energías de los neutrones antes de la captura. Cuando se produce una captura en el gas de relleno, la energía liberada se registra en el detector.

Si bien el término "contador Geiger" es prácticamente sinónimo de contador portátil, el principio Geiger se utiliza ampliamente en alarmas "gamma de área" instaladas para la protección del personal, así como en aplicaciones de medición de procesos y enclavamientos. La electrónica de procesamiento de dichas instalaciones tiene un mayor grado de sofisticación y confiabilidad que la de los medidores portátiles.

Para las unidades portátiles hay dos configuraciones físicas fundamentales: la unidad "integral" con detector y electrónica en la misma unidad, y el diseño de "dos piezas" que tiene una sonda de detector separada y un módulo electrónico conectados por un cable corto.

En la década de 1930 se añadió una ventana de mica al diseño cilíndrico para permitir que la radiación de baja penetración pasara con facilidad. ^[9]

La unidad integral permite la operación con una sola mano, por lo que el operador puede usar la otra mano para su seguridad personal en posiciones de monitoreo difíciles, pero el diseño de dos piezas permite una manipulación más fácil del detector y se usa comúnmente para el monitoreo de contaminación de superficies alfa y beta donde se requiere una manipulación cuidadosa de la sonda o el peso del módulo electrónico haría que la operación sea difícil de manejar. Hay varios detectores de diferentes tamaños disponibles para adaptarse a situaciones particulares, como colocar la sonda en pequeñas aberturas o espacios reducidos.

Los detectores de rayos X y gamma suelen utilizar un diseño "integral", de modo que el tubo Geiger-Müller se encuentra cómodamente dentro de la carcasa electrónica. Esto se puede lograr fácilmente porque la carcasa suele tener poca atenuación y se utiliza en mediciones de rayos gamma ambientales en las que la distancia desde la fuente de radiación no es un factor significativo. Sin embargo, para facilitar mediciones más localizadas, como la "dosis superficial", la posición del tubo en la carcasa a veces se indica mediante objetivos en la carcasa, de modo que se puede realizar una medición precisa con el tubo en la orientación correcta y a una distancia conocida de la superficie.

Existe un tipo particular de instrumento gamma conocido como detector de "puntos calientes", cuyo tubo detector se encuentra en el extremo de un tubo largo o un conducto flexible. Se utilizan para medir puntos de radiación gamma alta y, al mismo tiempo, proteger al operador mediante un blindaje de distancia.

La detección de partículas alfa y beta se puede utilizar tanto en diseños integrales como de dos piezas. Generalmente, se utiliza una sonda tipo panqueque (para alfa/beta) para aumentar el área de detección en instrumentos de dos piezas y, al mismo tiempo, mantener un peso relativamente ligero. En los instrumentos integrales que utilizan un tubo con ventana en el extremo, hay una ventana en el cuerpo de la carcasa para evitar el blindaje de partículas. También hay instrumentos híbridos que tienen una sonda independiente para la detección de partículas y un tubo de detección gamma dentro del módulo electrónico. El operador puede cambiar los detectores, según el tipo de radiación que se esté midiendo.

En el Reino Unido, la Junta Nacional de Protección Radiológica publicó una nota de orientación para el usuario sobre la selección del mejor tipo de instrumento portátil para la aplicación de medición de radiación en cuestión. ^[8] Esta nota abarca todas las tecnologías de instrumentos de protección radiológica e incluye una guía para el uso de detectores GM.

En 1908 Hans Geiger , bajo la supervisión de Ernest Rutherford en la Universidad Victoria de Manchester (actualmente la Universidad de Manchester ), desarrolló una técnica experimental para detectar partículas alfa que luego se usaría para desarrollar el tubo Geiger-Müller en 1928. ^[10] Este contador temprano solo era capaz de detectar partículas alfa y era parte de un aparato experimental más grande. El mecanismo de ionización fundamental utilizado fue descubierto por John Sealy Townsend entre 1897 y 1901, ^[11] y se conoce como descarga de Townsend , que es la ionización de moléculas por impacto de iones.

No fue hasta 1928 que Geiger y Walther Müller (estudiante de doctorado de Geiger) desarrollaron el tubo Geiger-Müller sellado, que utilizaba principios básicos de ionización que se habían empleado anteriormente de forma experimental. Pequeño y robusto, no solo podía detectar la radiación alfa y beta, como habían hecho los modelos anteriores, sino también la radiación gamma. ^{[9] [12]} Ahora era posible producir un instrumento de radiación práctico de forma relativamente barata, y así nació el contador Geiger. Como la salida del tubo requería poco procesamiento electrónico, una clara ventaja en la era de la válvula termoiónica debido al mínimo número de válvulas y al bajo consumo de energía, el instrumento alcanzó una gran popularidad como detector de radiación portátil.

Las versiones modernas del contador Geiger utilizan gases de extinción halógenos, una técnica inventada en 1947 por Sidney H. Liebson . ^[13] Los compuestos halógenos han reemplazado a los gases de extinción orgánicos debido a su vida útil mucho más larga y a sus voltajes operativos más bajos, típicamente de 400 a 900 voltios. ^[14]

• 
  Uso de un detector de "puntos calientes" en un poste largo para inspeccionar los contenedores de desechos.
• 
  Detector de panqueques GM (derecha) que alimenta un registrador de datos con microcontrolador (izquierda) que envía datos a una PC a través de Bluetooth . Se colocó una roca radiactiva sobre el detector, lo que provocó que el gráfico (al fondo) subiera.
• 
  Contadores GM utilizados en la búsqueda de restos del satélite Kosmos 954

• Becquerel , la unidad del SI de la tasa de desintegración radiactiva de una cantidad de material radiactivo.
• Contadores Geiger de defensa civil , monitores de radiación portátiles, tanto GM como cámaras de iones
• Eficiencia de conteo: la relación entre los eventos de radiación que llegan a un detector y el número que cuenta.
• Sonificación de datos , la interpretación o procesamiento de datos mediante sonido.
• Dosímetro , dispositivo utilizado por el personal para medir la dosis de radiación que ha recibido.
• Cámara de ionización , el detector de radiación ionizante más sencillo
• Detector de ionización gaseosa , descripción general de los principales tipos de detectores gaseosos
• Tubo Geiger-Müller , proporciona una descripción más detallada del funcionamiento y los tipos de tubos Geiger-Müller.
• Meseta Geiger , el rango de voltaje operativo correcto para un tubo Geiger-Müller
• Conteo de fotones
• Desintegración radiactiva , proceso por el cual los átomos inestables emiten radiación.
• Safecast (organización) , uso de la tecnología del contador Geiger-Müller en la ciencia ciudadana
• Contador de centelleo , un detector de radiación sin gas
• Sievert , la unidad del SI de los efectos estocásticos de la radiación en el cuerpo humano

Medios relacionados con los contadores Geiger en Wikimedia Commons

• Cómo funciona un contador Geiger.