Curso de Introduccion a La Ingenieria Nuclear Tanarro Sanz

7/23/2019 Curso de Introduccion a La Ingenieria Nuclear Tanarro Sanz

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JEN 65 - DF/C 1

JUNTA DE ENERGA NUCLEAR.

CURSO DE INTRODUCCIN A LA INGENIERA NUCLEAR

DETECTORES DE RADIACIONES NUCLEARES

Por

TANARRO SANZi A,

MADRID, 1 959


2/74

Toda correspondencia en relacin con

este trabajo debe dirigirse al Servicio de

Documentacin y Biblioteca, Junta de Ener-

ga Nuclear , Serrano 121, Madrid, ESPAA.


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N D I C E

Pag.

CAPITULO I 1

PASO DE PARTCULAS Y RADIACIONES ATRAVES DE LA MATERIA 1

1 Ionizacin 1

2 Partculas alfa 3

3,

Partculas beta ' 6

4, Rayos gamma 8

5, Neutrones 10

CAPITULO II . 1 5

CMARAS DE IONIZACIN 15

1. Introduccin . 15

2. Cmaras de corriente continuo 15

3.

Cmaras de impulsos 17

4. Consideraciones prcticas relativas a las cmaras de impulsos 20

5. Gases de llenado 24

CAPITULO III 27

CONTADORES PROPORCIONALES 27

CAPITULO IV . 31

CONTADORES GEIGER 31

1. Mecanismo de operacin 31

2.

Tiempo muerto y tiempo de resolucin 33

3.

Curva caracterstica 34


4/74

Pag.

4, Contadores de halgeno 3 6

5. Ciases de contadores; eficiencia. Contadores de flujo 36

CAPITULO V 41

DETECTORES DE CENTELLEO 41

1. Introduccin 41

2.

Substancias luminiscentes 41

3= Fotomultiplicadores 45

4, Forma del impulso de un detector de centelleo 47

CAPITULO VI 53

DETECTORES DE NEUTRONES 53

1 Introduccin 53

2. Detectores de Boro 53

3.

Detectores de fisin 56

4. Detectores de protones de retroceso 56

5. Detectores por activacin 57


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DETECTORES DE RADIACIONES NUCLEARES

P o r

TANARRO

SANZ/A-

C APITULO I

PASO DE PARTCULAS Y RADIACIONES A TRAVS DE LA MATERIA

1, - Ionizacin

Las partculas emitidas por los ncleos radiactivos o como resultado

de reacciones nucleares pueden atravesar un cierto espesor de materia an-

tes de perder totalmente'su energa. Como orden de magnitud y para un caer

po slido, este espesor se mide en general, en metros para los neutrones

:

en centmetros para los rayos gamma, en milmetros para los rayos beta y

en centsimas de milmetro para los rayos alfa protones.

Este poder de penetracin permite a las partculas actuar sobre dispo-

sitivos capaces de detectarlas. La sensibilidad de estos dispositivos puede

ser tan grande, que llegan a detectar corrientemente partculas individuales,

con lo que resulta posible medir y estudiar las transformaciones sufridas

por cantidades de materia extraordinariamente pequeas, muy inferiores a

las apreciadas por la ms sensible balanza.

Al atravesar la materia, las partculas interaccionan con los electro-

nes o con los ncleos atmicos, Si se trata de partculas cargadas (alfa, pro

tones, electrones etc, ) una parte considerable de la energa de la partcula

se disipa ionizando tomos de materia a lo largo de su camino. La energa

media necesaria para producir un par de iones depende exclusivamente de

la sustancia atravesada. En la tabla 1 se da el valor de dicha energa para

distintos gases.


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T A B L A I

E n e r g a m e d i a d e p r o d u c c i n d e u n p a r d e i o n e s e n v a r i o s g a s e s .

G a s E n e r g a e n e V

H

2

3 2 , 6

H 2 8 , 0

e

N

2

3 3 , 1

O

7

2 8

;

5

A i r e 3 2 , 5

N 2 7 , 4

e

CL, 25 ,0

A 2 4 , 9

K 2 2 , 8

X 2 0 , 8

3 1 , 2

. . 3 3 , 3

P o r o t r a p a r t e , la i o n i z a c i n e s p e c i f i c a < n m e r o d e p a r e s d e i o n e s

p r o d u c i d o s p o r u n i d a d d e l o n g i t u d d e p e n d e , n o s o l a m e n t e d e l a n a t u r a l e z a y

d e n s i d a d de l a s u b s t a n c i a a t r a v e s a d a , s i n o t a m b i n de l a c l a s e d e p a r t c u l a

y d e su e n e r g a . P a r a p a r t c u l a s O d e 5 M e V , e n a i r e a c o n d i c i o n e s n o r m a -

l e s d e p r e s i n y t e m p e r a t u r a , l a i o n i z a c i n e s p e c i f i c a i n i c i a l e s de 2 50 0

p a r e s d e i o n e s p o r m m , v a l o r q ue a u m e n t a a l d i s m i n u i r l a e n e r g a ( F i g . 1}

h a s t a v a l e r 6 0 00 p a r e s d e i o n e s p o r m m h a c i a e l f i na l d e l r e c o r r i d o , o s e a .

a m u y b a j a s e n e r g a s . P a r a p a r t c u l a s /3 l a i o n i z a c i n e s p e c i f i c a e s m u c h o

m e n o r , d e so l o 5 p a r e s d e i o n e s p o r m i l m e t r o p a r a e n e r g a s d e 1 M e v .

L a s p a r t c u l a s n o c a r g a d a s ( n e u t r o n e s ) n o s o n c a p a c e s e n g e n e r a l d e

i o n i z a r d i r e c t a m e n t e l o s t o m o s co n q u e i n t e r a c c i o n a n ; s i n e m b a r g o , e n d i -

c h a i n t e r a c c i n p u e d e r e s u l t a r d e s p r e n d i d a u n a p a r t c u l a c a r g a d a c a p a z d e

i o n i z a r o t r o s t o m o s . A l g o a n l o g o s u c e d e c on l o s r a y o s g a m m a .


7/74

6x10

cu

c

o

c u

T3

cu

i_

o

a_

I

5

/.

0

1

^

y

_,

/

~

|

T

\

\

1

/

1

i

1

10

20 30 40 50 60 70 80

A l c a n c e

en

mm .

F i g l .

Variaco n

de La

ion izac in espec f ica

a o

la rgo

del

camino

de as

p a r t c u l a s


8/74

2

-

A l c a n c e

en cm.

i

i

O

8

10

12

H

F ig

2

A l c a n c e

de

p a r t c u l a s

ot en

a i r e

a

c o n d ic io n e s n o r m a l e s

en funcin de

su

ene r g i a

Se define el poder de detencin ("stopping power") de una substancia

atravesada, por una radiacin alfa, como la energia media perdida por cada

partcula al atravesar la unidad, de longitud. El poder de detencin relativo

de una substancia es el referido al aire en condiciones normales, tomando

este ultimo como unidad. Por consiguiente, el alcance de una partcula alfa

de determinada energia en determinada substancia, se obtiene dividiendo

su alcance en aire por el poder de detencin relativo de dicha substancia.

En la tabla 2 se dan los poderes de detencin relativos de diversas substan-

cias.

Resulta cmodo expresar el alcance de una partcula nuclear cargada

en una substancia por la masa de un paraleleppedo de dicha substancia de

1 cm de base y de altura igual al espesor atravesado. A un alcance de d


9/74

cm

en una

substancia

de

densidad O corresponde

un

espesor

en

mg/cm""

dada

por

E^ Img/cm -1000 f d (cm)

Dadoque ladensidad delaire a condiciones normales es de 0,00.1293

grn/cm resulta.Que 1 cm deaire equivale aproximadamente >1.3 mg/cm

T

A B L A 2

Poderes de detencin relativos de diversas substa-ncias para partculas o

y protone

s

a

Aire 1

H,

0,21

3 N U

0.99

O

7

1,06

N 0,59

A 0,96

CO

?

1,50

H,.O

1000

Mica 1460

Al . 1600

Pb 5000-

'Una frmala empi'rica bastante aproximada-que da elalcance de partcu

las oc de energfa inferior 3- 10 MeV en unasubstancia de peso atmicoA

{j la siguiente

3/'3

R

A

(rng/cm'-} -- 0

:

56 R (cm) A "'

siendo R el .alcance en aire a condiciones normales de presin y temperatura.


10/74

Con ayuda de dich . xmul . se deduce por ejemplo que una pax-HVu-.a # de

4 Me V piade atravesar un espesor mximo de Aluminio (A -:2."?}de 4-mg/cm ,

que dada, la densda.d del aluminio (


11/74

1 4 0

1 3 0

1 20

1 1 0

1 0 0

90

80

60

50

40

30

20

1-U

a

- o -

x s

U)

CU

l _

o

CL

\

\ -

1

j

i

mli

Energfa en

M a \ J

l

v

l ti V

]

|

- - -

- -

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

F i g . 3 l o n z a c i o ' n e s p e c i f i c a d e e l e c t r o n e s e n a i r e a c o n d i

c i o n e s n o r m a l e s e n f u n c o ' n d e s u e n e r g a .

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

0 1 2 3 4

F i g . 4 A l c a n c e d e e l e c t r o n e s e n A l .

an

f u n c i o ' n d e s u e n e r g a

E n e r g a e n M e V


12/74

Como es sabido, las partculas

Q

emitidas por ncleos radiactivos de

la misma especie pueden tener una energa inicial variable de manera conti

nua , entre cero y un mximo bien definido caracterstico del istopo en cues

tion. Es este

valor

mximo el que define el alcance de la radiacin segn las

consideraciones anteriores. Para estimar la ionizacin total producid;", -se

puede suponer que la energa media del espectro de radiacin g e

s

-; ;.c.,a

ra parte de "Js e-

;

"gi'a mxima.

4.

- Rayos gamma

La interaccin de los rayos

f

con la materia es ms compleja; en ge-

neral la interaccin directa da lugar a la liberacin de electrones secunda-

rios,

los cuales producen la subsiguiente ionizacin Esta primera interac-

cin directa puede efectuarse por cualquiera de los tres procesos siguientes:

a. efecto fotoelctrico; b, efecto Compton; y c, creacin de pares

a. En el efecto fotoelctrico el rayo

7

es completamente absorbido y

toda su energa es comunicada a un electrn, el cual escapa del tomo al que

estaba ligado con una energa cintica igual a la diferencia entre la del rayo

y

incidente y su energa de ligadura al tomo Dicha energa, de ligadura.

del electrn al tomo es tanto mayor cuanto ms profunda sea la capa en que'

se encontraba el electrn y ms pesado sea el elemento Para el Uranio por

ejemplo, la energa de ligadura de un electrn de la capa K es de 115 KeV.

Para elementos de peso medio y ligero., la energa de ligadura de los elec-

trones al tomo resulta en general despreciable frente a la energa de los

rayos

y

; por ejemplo para electrones de la capa K del Hierro es de 7, 1

KeV y del Carbono es 0,28 Kev,

Por otra parte la interaccin fotoelctrica entre un rayo

7

y

u n

elec-

trn es tanto ms probable cuanto ms ligado est el electrn al tomo; ser

por tanto mayor para tomos ms pesados y ms probable para electrones de

la. capa K que para los de la capa L.

br En el efecto Compton el fdton

f

incidente solo cede al electrn con

el que choca una parte de su energa, convirtindose, en otro fotn

f

de me-

nor energa y por tanto de menor frecuencia, y desviado.adems de su trayejr

toria inicial, La interaccin viene regida por las leyes de conservacin de

la energa y de la cantidad de movimiento. La energa comunicada al elec-

trn puede variar de manera continua entre 0 y un valor mximo que viene

da.do aproximadamente por

Emax -

4 E^

2

1 + 4 E

y

siendo E la energa, del fotn incidente

c En la creacin de pares, el fotn ydesaparece totalmente y en su

lugar aparece un electrn y un positrn; se trata de una transformacin de

energa en materia de acuerdo con la equivalencia de Einstein: E - me'"', Co-


13/74

mo las masas en reposo de electrn y positrn equivalen a una energa ele

1.-02 MeV. sta, habr de ser la energa mnima de. I>. radiacin 7 para que

tenga lugar el efecto de creacin de pares, Esta materializacin del rayo

7

debe producirse en la vecindad de otra partcula, necesaria para que se ve-

rifique la conservacin de la cantidad de movimiento. Si dicha partcula es

un ncleo; prcticamente no absorbe energa en el proceso.- con lo que la

energa de] .rayo

J

en exceso sobre 1,02 MeV es cominicada por j.gual, en

forma de-"- energa cintica, al electrn y al positrn. En cambio, si dicha

partcula es un electrn, ste ltimo se llevar tambin una parte de la ener-

ga residual.

Si un haz colimado de radiacin

7

atraviesa un expesor x de materia,

la intensidad incidenter. y la emergente en la misma, direccin n (x) vienen

relacionadas por

n (x) - n

Q

e"

ix

donde p. es el llamado coeficiente de absorcin lineal caracterstico de la

substancia,

La igualdad anterior puede escribirse en la forma

n(x)=n

Q

e f fz

siendo

p

la densidad de la substancia, atravesada.; el producto P x indca-

la masa de substancia atravesada y se expresa en gramos por r,.mtrn et.ro

cuadrado; al coeficiente \l/P se le denomina coeficiente de absorcin m'si-

co y para rayos

7

entre 1 y 3 MeV vale aproximadamente 0.04

zm

/gm para

casi todas las substancias. De este dato resulta que basta un espesor de

1 =

5

cm ae Plomo (f - 11 3) aproximadamente para reducir a su mitad la intensi-

dad de una radiacin

7

de energa comprendida entre dichos b'mites -

La absorcin de la radiacin en el expesor x de materia se realiza

en virtud de los tres efectos citados anteriormente. La magniiu relativa, de

cada uno de los tres procesos depende de la energa, de la radiacin inciden-

te y del nmero atmico de la substancia atravesada.- Cabe pv

:

s descompo-

ner el coeficiente de absorcin en la suma de tres trminos-

J

:

x

+

0

K

llamados respectivamente; coeficiente de absorcin lineal pm efecto fotoelc-

trico (T), por efecto Compton {

Q )

o por produccin de pares (k,h

En la figura 5 se tiene la variacin con la energa de los distintos coefj

centes ii absorcin lineal en el Plomo' A energas bajas domina el efecto

fotoelctrico, a energas medias el Compton y para energas altas la absor-

cin es debida fundamentalmente a la creacin de pares.


14/74

10

0.7

u

i i 3 i , 5 6 7 8 9 10

E n e r g a en M e V

F i g . 5 C o e f i c i e n t e s dea b s o r c i n l i n e a l der a y o s r

e n p l o m o . Z= e f e c t o f o t o e l e ' c t r i c o

< J

C

e f e c t o C o m p t o n

K= p r o d u c ein de p a r e s

M = Z+ (Xc+ K

De dicha, figura. 5 resulta, que para el Plomo, y anlogamente para cual-

quier otro elemento existe una energa de radiacin

y

para la cual es m-

nimo el coeficiente de absorcin

,

es decir que los fotones correspondientes

tienen un poder penetrante mximo en dicho elemento. Tal energa es tanto

ms elevada cuanto menor es el numero atmico del elemento para el Plo-

mo (Z = 82) como puede verse en la citada figura, es de 3

5

4 MeV, para el

Hierro (Z - 26) es de 9 MeV -r para, el Carbono (Z = 6) de 56 MeV. '

" " jjejutrones

Por carecer de carga elctrica ios neutrones generalmente no ionizan

directamente las substancias que atraviesan; por otra parte, al no ser des-

dados por los campos elctricos de ncleos o electrones

s

son capaces en ge

neral de atravesar grandes espesores de materia. El nmero de neutrones

r. (x) procedente de un haz bien colimado de

UQ

neutrones incidentes y mono-

energticos que han sido capaces de atravesar sin cambiar de direccin un

espesor x de substancia viene dado por


15/74

11

, , -Nffx

n (x) - n e

donde N es el nmero de ncleos por cm de la substancia atravesada y

0

esla llamada "seccin eficaz" total por ncleo, que depende de la substan-

cia atravesada y de la energa de los neutrones, y viene a representar la su-

perficie eficaz que ofrece el ncleo para la absorcin del neutrn o su desvia_

cin de la direccin incidente. Dicha seccin eficaz se expresa en barns,

siendo:

-24 2

1 barn ~ 10 crrr

Al producto 1SJ

$

-- o seccin eficaz total, no ya de un solo ncleo,

sino de 1 cm de materia constituido por N tomos de ncleos idnticos; se

ie llama "seccin eficaz macroscpica" y se suele expresar ordinariamente

en cm

De manera parecida a como suceda con la radiacin y la disminucin

de la intensidad del haz de neutrones al atravesar la materia, es consecuen-

cia de diversos procesos muy distintos

r

de entre los cuales los ms impor-

tantes son los siguientes.-.

a

0

-Colisin elctica con los ncleoSo Este fenmeno sigue muy aproxi-

madamente las leyes del choque elstico entre dos esferas, segn las cua-

les la energa meda que el neutrn cede al ncleo con el que choca es tan-

to mayor cuanto ms ligero sea dicho ncleo Por consiguiente, la mxima

transferencia de energa tendr lugar al chocar los neutrones con tomos de

hidrgeno, los cuales a consecuencia del choque pierden su electrn y se

convierten en los llamados protones de retroceso, adquiriendo por trmino

medio el 37% de la energa del neutrn incidente.,, energa que pierden des-

pus por ionizacin de los tomos que encuentran en su trayectoria.,

A consecuencia de los sucesivos choques,el neutrn va perdiendo ene_r

gia hasta alcanzar el equilibrio cintico con los tomos o molculas del me-

dio en que se encuentra; su energa viene entonces dada por la ley de

Boltzmann

E = ~ - K T

donde K es la constante de Boltzmann (K - 1,38 x 10 erg/K) y T la

temperatura absoluta, A una temperatura de 202C corresponde una energa

de 0:025 eV; a los neutrones en este estado se les llama neutrones trmicos.

En materia rica, en tomos ligeros, los neutrones rpidos llegan a tr~

micos despus de un nmero relativamente pequeo de choques con los n-

cleos. Asi* por ejemplo,, para reducir un neutrn de 1 Me Y hasta la energa

trmica por dispersin en Hidrgeno, bastan por termino, medio 17 colisio-

nes;

para, obtener la misma reduccin de energa en el carbono se precisaran

111 colisoneSc


16/74

12

Un espesor de 20 cm de parafina rodeando a una fuente de neutrones bus

ta para reducir la mayor parte de ellos al estado trmico.

Una vez en estado trmico, el neutrn sigue chocando con los ncleos

que

le rodean, ganando energa en unos choques y perdindola en otros, has-

ta que en uno de ellos es capturado por el ncleo con el que choca. Si se con -

sdera un medio homogneo conteniendo una fuente de neutrones trmicos que

se difunden en l se llama longitud de difusin \ a la distancia sobre la cual

la densidad de neutrones ha disminuido en un factor e. Dicha longitud de di-

fusin vale 170 cm para el agua pesada, 51 cm para el carbono

;

2,76 cm pa-

ra el agua ordinaria y 2

;

4 cm para la parafina,

b, - Absorcin de neutrones por un ncleo de la substancia atravesada

con emisin instantnea de un rayo

J y

formacin de un istopo del ncleo

primitivo. Muy frecuentemente dicho istopo es radiactivo y se desintegrar

despus,

en general por emisin |3 , con un periodo determinado,

Ejemplo de reaccin de esta clase, muy empleada para la medida de flu

jos de neutrones lentos es la del Indio-115 que constituye el 95,7 % del

Indio natural:

U 5

T -

il

T J.

, ,

.Jn + n + In + f

4v 0 49

resultando el In radiactivo, que se desintegra por emisin de radiacin j3

y

y

con un periodo de 54 minutos. La seccin eficaz por ncleo, de esta rea_

cin, para neutrones trmicos es de 145 barns.

Otro ejemplo muy conocido es el de la reaccin

113,

48

caracterizada por su gran seccin eficaz para neutrones trmicos que llega a

valer 20 800 barns, por lo que el Cadmio natural, que contiene 12,26 % de

Cd se emplea con gran eficacia para blindaje contra neutrones trmicos.

En cambio la seccin eficaz desciende a valores muy bajos para neutrones de

energa superior a 1 eV, El ^Cd es estable: el rayo Remitido en la reac-

cin posee una energa de 7 , 5 MeV.

c. - Reaccin nuclear entre el neutrn y un ncleo de la substancia con

emisin de una o varias nuevas partculas. Como ejemplo de este tipo de rea

cin, de particular inters para la;, deteccin de neutrones lentos se tiene

con

una seccin eficaz para neutrones trmicos de 3830 barns, por lo que

tambin el Boro natural, con su 19% de B constituye un buen absorbente de

neutrones trmicos El rayo

y

emitido tiene solamente una energa de 0 , 5

MeV-


17/74

11

, . _N 0 x

n (x) -

HQ

e

donde N es el nmero de ncleos por cm de la substancia atravesada y

0

es la llamada "seccin eficaz" total por ncleo, que depende de la substan-

cia atravesada y de la energa de los neutrones, y viene a representar la su-

perficie eficaz que ofrece el ncleo para la absorcin del neutrn o su desvia_

cin de la direccin incidente. Dicha seccin eficaz se expresa en barns,

siendo:

-24 2

1 barn ~ 10 cm

1

Al producto Is (j -- o seccin eficaz total, no ya de un solo ncleo

;

sino de 1 cm de materia, constituido por N tomos de ncleos idnticos, se

le llama

n

seccin eficaz macroscpica" y se suele expresar ordinaria.mente

en cm

De manera parecida a corno sucedia con la radiacin y la disminucin

de la intensidad del haz de neutrones al atravesar la materia, es consecuen-

cia de diversos procesos muy distintos , de entre los cuales los ms impor-

tantes son los siguientes-

a

"Colisin elctica con los ncleos,. Este fenmeno sigue muy aproxi-

madamente las leyes del choque elstico entre dos esferas, segn las cua-

les la energa media que el neutrn cede al ncleo con el que choca es tan-

to mayor cuanto ms ligero sea dicho ncleoo Por consiguiente, la mxima

transferencia de energa tendr lugar al chocar los neutrones con tomos de

hidrgeno, los cuales a consecuencia del choque pierden su electrn y se

convierten en los llamados protones de retroceso, adquiriendo por trmino

medio el 37% de la energa, del neutrn incidente., energa que pierden des-

pus por ionizacin de los tomos que encuentran en su trayectoria

A consecuencia de los sucesivos choques,el neutrn va perdiendo ener_

ga hasta alcanzar el equilibrio cintico con los tomos o molculas del me-

dio en que se encuentra; su energa viene entonces dada por la ley de

Boltzmann

E = -|_ K T

donde K es la constante de Boltzmann (K ~ 138 x 10 erg/2K) y T la

temperatura absoluta, A una temperatura de 205C corresponde una energa

de 0:025 eV; a ios neutrones en este estado se les llama neutrones trmicos.

En materia rica en tomos ligeros, los neutrones rpidos llegan a tr-

micos despus de un nmero relativamente pequeo de choques con los n-

cleos-

Asi" por ejemplo, para reducir un neutrn de 1 MeV hasta la energa

trmica por dispersin en Hidrgeno, bastan por termino, medio 17 colisio-

nes;

para obtener la misma reduccin de energa en el carbono se precisaran

111 colisiones*


18/74

12

Un espesor de 20 cm de parafina rodeando a una fuente de neutrones bitj

ta para reducir la mayor parte de ellos al estado trmico.

Una vez en estado trmico, el neutrn sigue chocando con los ncleos

que le rodean, ganando energa en unos choques y perdindola en otros, has-

ta que en uno de ellos es capturado por el ncleo con el que choca. Si se con

sidera un medio homogneo conteniendo una fuente de neutrones trmicos que

se difunden en l se llama longitud de difusin \ a la distancia sobre la cual

la densidad de neutrones ha disminuido en un factor e. Dicha longitud de di-

fusin vale 170 cm para el agua pesada, 51 cm para el carbono.. 2,76 cm pa-

ra el agua ordinaria y 2

;

4 cm para la parafina*

b,

- Absorcin de neutrones por un ncleo de la substancia atravesada

con emisin instantnea de un rayo

y

y formacin de un istopo del ncleo

primitivo. Muy frecuentemente dicho istopo es radiactivo y se desintegrar

despus, en general por emisin j3 , con un periodo determinado,

Ejemplo de reaccin de esta clase, muy empleada para la medida de flu

jos de neutrones lentos es la del Indio-115 que constituye el 95,7 % del

Indio natural:

115 , 116

Jn + n g

4T 0 49

resultando el Inradiactivo, que sedesintegra por emisin deradiacin3

y

i con

un

periodo

de 54

minutos.

La

seccin eficaz

por ncleo, de

esta reajq

ci'n,para neutrones trmicos es de 145 barns.

Otro ejemplo muy conocidoes el de la reaccin

U3

cd

48

caracterizada por su gran seccin eficaz para neutrones trmicos quellegaa

valer

20 800 barns, por lo que el

Cadmionatural,

que

contiene

12,26 % de

Cd se emplea con gran eficacia para blindaje contra neutrones

trmicos.

Encambio la seccin eficaz desciendeavalores muybajos para neutrones de

energa superior

a 1 eV. El

-"- Cd

es

estable:

el

rayo Remitido

en la reac-

cin posee una energa de 7 , 5 MeV.

c, -Reaccin nuclear entre elneutrn y unncleo de la substancia con

emisin de una ovarias nuevas

partculas.

Como ejemplo deeste tipode reac_

cin, departicular inters para la-,deteccin deneutrones lentos setiene

+ y

con una seccin eficaz para neutrones trmicos de 3830 barns, por lo que

tambin el Boro natural, con su 19% de -^B constituye un buen absorbente de

neutrones trmicos. El rayo

y

emitido tiene solamente una energa de 0.5

MeV-


19/74

13

cL - Si la. substancia, atravesada, contiene tomos de Uranio, o plutonio

pueden tener lugar el proceso de Jijsion en el cual uno de estos ncleos,

tras absorber el neutrn, se excinde en dos grandes fragmentos principales

con energas cinticas del orden de 100 MeV, liberndose algunos nuevos

neutrones. Por su gran masa y carga, elctrica los productos de fisin pro-

ducen una intensa ionizacin especifica y pierden rpidamente toda su ener-

ga en un corto recorrido, de un par de centmetros aproximadamente en un

gas a presin normal. La seccin eficaz de }.sLn por ncleo, para neutro-

nes trmicos es de 549 barns en elcaso del U y de 664 barns en el caso

del

2 3 9

p

u


20/74


21/74

CAPITULO

II

CMARAS DE IONIZACIN

1 - Introducei n

Estn esencialmente constituidas por dos electrodos encerrados en un

recinto lleno de un gas cenveniert-:: (aire, nitrgeno o gases nobles) y a la

presin oportuna Entre los dos electrodos se aplica una diferencia de poten-

cial que crea un campo elntrico en el volumen de la cmara; este campo po-

ne en movimiento los iones producidos por la radiacin que atraviesa dicho

volumen, dando lugar a corrientes o impulsos elctricos que pueden ser me-

didos exteriormenie.

Por la forma de sus electrodos las cmaras se clasifican en planas y

cilindricas; las primeras poseen electrodos planos y paralelos mientras que

en las segundas ios electrodos estn formados por un cilindro metlico y un

alambre o varilla situado en un e.ie,

Por su forma de operar se dividen tambin en cmaras de corriente con

thua y cmaras de impulsos. En las primeras se mide la corriente que atra-

viesa la cmara, que es en general proporcional a la intensidad de radiacin

que recibe. En las cmaras de impalsos cada partcula ionizante provoca la

aparicin de un impulso elctrico individual en uno de los dos electrodos lla-

mado electrodo colector: exterior mente se mide el nmero y amplitud de es-

tos impulsos de donde puede deducirse en condiciones apropiadas. la inten-

sidad y naturaleza, de la radiacin que atraviesa la cmara,

2 ' Cmaras de corriente continua

Supongamos, como indica la f- gura 6. una cmara plana en uno de cayos

electrodos existe un depsito de 3-.u-sta.ncia radiactiva, sales de uranio por

ejemploc Al aplicar una tensin V a los electrodos de la cmara, se origina

una corriente I debida al movimiento de los iones producidos por las radia ci

ne s del uranio; en la grfica d; 'ra-o : .mihuc se da la variacin de I en fun-

cin de V,

Para tensiones bajas, e" rc'rnpo elctrico en la cmara es dbil, y el

movimiento de los iones "

:

~rno resultan

\o

q.i3 muchos de ellos despus de

formados se recombir.an ce nuevo, c:j-n lo :uie la corriente es reducida, Al

aumentar el campo electro .:o a.im-fivf.a .la velocidad de iones y electrones; y

una proporcin mayor

o.e

.

j

los aicaivzci jos electrodos, aumentando por tanto

la corriente que atraviesa la cmara. Cuando el campo elctrico es suficiente

para que -la re combina crov. ..o

s =

->voo.uz-:

:

:- ,

r,

=

alcanza la corriente de satura-

cin I que permanece censcarre


22/74

1 6

diacin emitida, por el uranio ha ca el volumen activo de la cmara', Si la cay:

tidad de uranio fuera mayor se obtendra la rati ;a de trazos de la. misma fi_

gura,

i s

F i g 6 E s q u e m a d s u n a c m a r a d e i o n i z a c i n p l a n a y v a r i a c i n d e l a

c o r r i e n t e a u e l a a t r a v i e s a enfu n c i n d e L a t e n s i n a p l i c a d a .

Si

por

ejemplo

se

emiten

por

segundo

i O par

las cuales

se

supone

qi;e

consumen toda,

su

Siiarya

cmara

y es 32,5 eV la

energa inedia

de

formacin

corriente de saturacin neri: a icr.ac partculas

tculas

cC

de 4MeV ,

n ionizacin dentro

de la

ce

un par de

iones,

la

3 .

J L J L P i L

32

;5

-

31

2

x 10 ' " ' amp

loque da unaidea de la pequea magnitud de las

indica que este tipo de eam ra o solo :usds ;:;er

intensidades de'radia -ionrelativsrnsni.~

Ts;.;.t?3

a

n eczr,

y nos

:j

ea lo

oara

la

med-da

de

Unode losusos mas frec

3. medida deintensidades de r

Xo y , llamada roentgenir},

oera en 1 cm deaire a condi

iimsro ceiones eqnivrilente-5

si.giO;

el

roentgen/hora

r/h) e

dosis

de un

roentgen

en una ho

roengens/hora atraviesa u:ifi

':

ai

re a

covnii

'"ion6

s no

rmal ;: 5 . ?

racin producid?,

en la

min-

\

.le

la

cmara

o

corrieni'e continua

es

r;

A

/

L.a

unidad

as

dosis

de

radiacin

:omc

la

ulosis

de ra

normales e o r ?si iu

v

iern

r

eratura

un

idaM :;Le -;t roi 5 -;i

ca de

ca.rgf

de

caia

i\-u:

=

-i--:l TI..-\~ra-ijacin

oue

produce

una

v: a \:-..l::':,..:j\'&::, ;;.: radiacin

de R

V

. r o .

.-

".clv.men v.u'i. llens

us-


23/74

17

I amp) - S:JLM^JJSII1 _ _J__ x10~

13

R fr/h) V (cm

3

)

s ' " ' 3 b)O x 3 x 10" ~ 1,08

La dosis semanal de radiacin ymxima permisible para el hombre es

ordinariamente de 300 miliroentgens, lo que corresponde a 7

:

5 miliroentgen/

hora durante 40 horas de trabajo. Para medir esta intensidad de radiacin

con una cmara llena de aire a condiciones normales, de un litro de volum'en

til,

se- precisa medir una corriente de

L?.medida de corrientes ten dbiles exige el simplificarlas previamente me-

diante amplificadores electrnicos de corriente.- de alta ganancia

3o - Cmaras de itn]

Supongamos en principio, para mayor sencillez.. Que en una cmara pa

na con separacin de 1 centmetros entre electrodos y cargada inicialmente

a un potencial VQcrasa una partcula ionizante

r

tal como indica la figura ,7

segn la linea de trazos

paralelamente y a una distancia x de uno de los

electrodos llamado electrodo colector. S C es la capacidad entre los elec-

trodos de la, cmara, la energa electrosttica almacenada inicialmente en

ella valdr 1/2 C

VQ~

y. considerada como un sistema aislado, se deber

verificar en l e> principio de conservacin de la energia

3

impu lso

Fig.7 Esquema de unacmaraci

i m p u l s o s .

Bajo la accin del campo elctrico, los iones formados por el paso de

la partcula ionizante se mueven hacia los electrodos;- los electrones hacia

el nodo con una velocidad media que podemos suponer del orden de v" ss

10""

cm/s y los iones hacia el ctodo con v**" 10 cm/s.

Al cabo de un tiempo t los electrones habrn recorrido un espacio v t

y adquirido una energa Eev" i, siendo e la carga del electrn y E el campo


24/74

18

elctrico uniforme entre los electrodos de la cma.ra

:

Los iones por su parte

se habrn movido v

+

t y adquirido una energa Eev* t= Tales energfas han

sido adquiridas a espensas de .la almacenada, en el condensador de la cmara.,

cuyo potencial habr disminuido a un valor V dado por

-L CV.

?I

- ~ GV

2

*= nEev't + nEev

+

t

siendo n el-nume'ro de pares de iones formados por la partcula ionizante

dentro del volumen activo de la cmara. La anterior igualdad puede escri-

birse asi*

C (V

o

- V) (V

o

+V) -- nEe (v" + v

+

) t

Llarn.a.ndo VQ - V = A V a la variacin de potencial experimentada por

el electrodo colector hasta el instante t, y .siendo A V muy pequeo con re-

lacin al potencial inicial VQa que se carg la cmara, puede ponerse VQ +

V M 2V -.Por otra, parte , el campo elctrico vendr dado por E

:

V /l.-

Sustituyendo en la igualdad anterior resulta

C A

V * .p (v~ + v

+

) t

o sea

A

V -

^

v

donde los dos sumandos del segundo miembro representan respectivamente

la contribucin de electrones e iones a la formacin del impulso A V hasta

el instante t..

Dada la muy distinta velocidad de iones y electrones, y para simpiifi'-

car descompondremos el proceso en dos partes; durante la primera supon-

dremos que Jos iones se quedan quietos y los electrones completan su reco

rrido;a continuacin durante la segunda parte los iones realizan todo su re

corrido-

Durante la, primera parte es v - 0 resultando

AV=:f

f

- t

1 - y

Dicha primera parte termina al cabo de un tiempo t - T"*"

e nc

i

ne

todo

los electrones alcanzan el electrodo negativo y A V valdr entonces

La. variacin de potencial durante la segunda parte con respecto al po-

tencial inicial

Yn

vendr dada por


25/74

19

C l

-

x) +

C l

Esta segunda parte acabar al cabo de un tiempo t

las cargas han sido recogidas y entonces

7 cuando ya todas

n e

V (1 ~ x)

Cl

ne ne

x -

r

Cl C

expresin que nos da la amplitud total del impulso originado en el electrodo

colector de la cmara.

En la figura

dientes al caso

se da la forma ideal del impulso con valores cor re-pon-

1 - 2 cm x = 0,8cm n = 60 000 C = 20 pf

En la prctica, naturalmente, los ngulos del impulso a.parecen redon-

deados tal como indica la linea de puntos, ya que las suposiciones hechas

solo son aproximadas.

CU8

0.28

:>

E

Tie mpoen us.

0

1.2

80

F i g . 8 F o r m a

del

i m p u l s o

en una

c m a r a

de

i o n i z a c i n .

Delanlisis anterior resultan las siguientesimportantes consecuencias:

12 La forma delimpulso dependedelcamino

recorrido

por la

partcula

ionizante dentro

de la

cmara.


26/74

2 0

22

El

impulso consta fundamentalmente

de dos

partes:

una

subida rpida

debida

al

movimiento

de los

electrones, seguida

de

otra subida

ms

lenta debida

al

movimiento

de los

iones.

La

amplitud

de la

subida

r-

pida

es

tando mayor cuanto mayor

sea el

recorrido

de los

electrones

dentro

de la

cmara,

32

La

amplitud total

del

impulso

es

independiente

de la

forma

del mis-

mo

y

proporcional

a la

carga elctrica total liberada, dentro

de la

cmara

por la

partcula ionizante.

4

La

amplitud

del

impulso

es

tanto mayor cuanto menor

sea la

capaci-

dad asociada

al

electrodo colector

de la

cmara,

5'2

Si la substancia radiactiva est contenida dentro de la cmara y su

di sposicion, asi como la presin y dimensiones de la misma, son

apropiadas para, que las partculas emitidas inicien y terminen su re-

corrido dentro del volumen activo, y si toda la energa de las partcu-

las se emplea en ionizacin, entonces la amplitud de cada impulso se-

r proporcional a la energa, con que fue emitida la partcula cor res-

pondiente

o

En virtud de esta ultima consecuencia , y analizando por mtodos electr-

nicos la distribucin en amplitudes de los impulsos proporcionados por la c-

mara,, se deduce la distribucin energtica de las partculas emitidas por la

substancia radiactiva contenida dentro de la misma.

La amplitud de los impulsos, del orden generalmente de dcimas de mi-

li voltio

s

es demasiado reducida para actuar sobre el dispositivo electrnico

que ha de contar el numero de ellos o analizar la distribucin de sus amplitu-

des'

por lo tanto debern dichos impulsos ser amplificados previamente, em-

plendose para ello amplificadores electrnicos apropiados, con ganancias

del orden de 200 000, que no alteren la distribucin relativa entre las ampli-

tudes de los impulsos y que entreguen a su salida impulsos de amplitudes com

prendidas entre unos pocos voltios y un centenar de voltios. Estos impulsos

son los que se envan a los dispositivos electrnicos encargados de clasificar

los , contarlos y registrarlos

4o

Consideraciones prcticas relativas a las cmaras de impulsos

En la prctica el electrodo colector de la cmara no est completamente

aislado segn se ha supuesto en el clculo anterior. Un montaje corriente de

una cmara de ionia acin es el representado en la figura 9 donde la alta ten-

sin

VQ

se aplica, continuamente 3. la cmara a travs de la alta resistencia R

conectada al electrodo colector. El condensador C representa la capacidad

parsita, con respecto a masa, asociada a dicho electrodo colector,,

Los clculos hechos anteriormente pueden considerarse vlidos con es-

te montaje siempre que la resistencia R sea suficientemente grande para que

Ja fuga de cargas a'travs de ella resulte despreciable durante el tiempo que


27/74

2 1

dura,elmovimientodeiones en la cmara, Esto equivale adecirque el

ducto

RC

(cuyas dimensiones

son las de un

intervalo

de

tiempo

y que

viene

expresado en segundos cuando^C se expresa enfaradios y R enohmios) debe

ser muygrande conrelacinaltiempode movimientode ios

ian-c-.n.

s-'ln man.

tenindose

C lo ms

pequeo posible para

no

disminuir

l>.

ampLituc

ar.; im-

puls

Al

valor

de

dicho producto

R.C se le

llama constara-

de

tiempo ~

o'.la

daal electrodo colector, Por ejemplo, tomandoR ~ iO

r

> Mf). .y C '"

:

} vi

la constante detiempo es de 2mili segundos,muygra::*. -* "'ente,alo'S'80y.~

crosegundosque vimos duraba elmovimiento de los id--.

.i-'?1?-mp.

;

c-v

siderado en la figura 8,

F i g .9 M o n t a j e p r a ' c t i c o

ci una

c m a r a

d e o n

z a c

o

n.

El impulso resultante en el electrodo colector de la cmara toma entoii

ees la forma indicada en la figura 10 donde se ve como, despus de alcanza-

da la amplitud mxima, la tensin del colector vuelve a cero exponencialmeii

te,

con la constante de tiempo de 2 milisegundos.

t m s

F i g . 1 O F o r m a r e a l d e l i m p u l s o a l e s a l i d a

d e l a c a m a r .


28/74

Este impulso tan ancho presenta en general graves inconvenientes,

sobre todo cuando se trata de medir la distribucin en amplitud, de los im-

pulsos. En efecto, como indica esquemticamente, la figura 11 a y a menos

que la fuente radiactiva fuera extremadamente dbil, dada la larga duracin

de la cola de los impulsos, muchos de ellos cabalgarn sobre la cola, de los

anteriores y las amplitudes quedarn totalmente falseadas. A este fenmeno

se le denomina "apilonamiento" de impulsos.

,AV

Fig.11a Ap iLonamien todei m p u l s o s .

t(ms)

AV

t (m s )

F i g . 1 1

b

E l i m i n a c i n de

I

a p i l o n a m i e n t o

r e d u c i e n d o e l v a l o r d e R e n l a f i g . 9

Reduciendo el valor de la resistencia R de forma que la constante de

tiempo de descarga del colector sea grande con relacin al tiempo de reco-

rrido de los electrones en la cmara, pero pequea con relacin al de los

iones (por ejemplo R = 0,5 Mil RC = 10 po) los impulsos resultan mucho

ms estrechos, tal como indica la figura 11 b, y el apilonamiento o cabalgar

de un impulso sobre la cola del anterior resulta mucho ms improbable, in-

cluso para frecuencias de impulsos bastante mayores. Pero en este caso, el

fluir de las cargas a travs de R ha eliminado prcticamente la contribucin

de los iones positivos a la formacin del impulso , quedando solamente la co_n

tribucin de los electrones- Con ello la amplitud de los impulsos ha resulta-

do disminuida y, lo que es peor, en virtud de lo visto anteriormente dicha

amplitud depender, no solo del numero total de los iones formados por la

partcula ionizante, si no tambin de la trayectoria seguida por la partcula

dentro de la cmara, A no ser que todas las partculas sigan la misma trayectoria


29/74

2 3

la distribucin en amplitudes de los impulsos no representar la distribu-

cin en energas de las partculas emitidas.

Se eliminan los anteriores inconvenientes disponiendo entre los dos

primitivos electrodos de la cmara, un tercer electrodo, en forma de reja

metlica

s

conectado a un potencial intermedio conveniente, tal corno indica

la figura 12. Las distancias interelectrodicas y la presin de a cmara de*

ben de ser tales que las partculas, inicien y terminen su recorrido en el vo-

lumen comprendido entre el electrodo negativo y la reja Be esta forma , y

suponiendo despreciable la absorcin de cargas por la re ja , todos ios elec-

trones habrn de recorrer el camino comprendido entre la reja y el colec-

tor y nicamente durante este camino contribuirn a la formacin del impul

so en el colector, ya que la reja acta de pantalla electrosttica entre este

ultimo y el resto del volumen de la cmara,

F Jg .1 2 C m a r a dei o n i i a c o ' n

con

r e j a .

Por consiguiente; el impulso formado en elcolector ser debido nica

mente

al

movimiento

de los

electrones

y su

amplitud ser proporcional

al

numero totalde electrones formados, y por lotanto, en condiciones oportu-

n a s ,

a laenerga de las partculas emitidas. A lascmaras de este tipo se

las denomina cmaras

con

reja,,

En general, a lascmaras quesolo aprovechan elmovimientode los

electrones para laformacin delimpulso se las denomina cmaras rpidas,

mientras

que a las que

aprovechan tambin

el

movimiento

de los

iones

se

las denomina cmaras lentas

Los impulsos

de la

figura

l i a , se

convierten

los de la

figura,

llb. re

duciendo segn

se ha

visto

el

valor

de la

resistencia

R en

paralelo

con la


30/74

2 4

capacida.d C asociada, al electrodo colector de la cmara* Al proceso de con-

vertir los impulsos de la figura 11 a en los de la figura 11 b se le llama deri-

vacin o diferenciacin de los .impulsos , y a la constante de tiempo RC se la

llama consta

*s

de tiempo de derivacin, debiendo ser mayor que el tiempo

que dura? la subida rpida, del impulso y pequea con relacin al tiempo que

dura la subida lenta.

Al derivar impulsos 'mediante circuitos RC se disminuye 3a amplitud de

todos ellos j en tanto mayor grado cuanto menor sea la constante de tiempo

de derivacin. Sin embargo , esta disminucin es proporcional a la amplitud

primitiva con lo que la distribucin relativa de amplitudes no resulta afecta-da

por la derivacin.

En la prctica la derivacin se realiza

5

no a la salida de la cmara, si-

no en uno de los 3.coplamientos elctricos entre las distintas etapas de que

est formado el amplificador que ha de amplificar los impulsos de la misma,

Estos acoplamientos estn en general constituidos por un condensador y una

resistencia en serie, y en uno de ellos se escoge el producto RC suficiente-

mente pequeo para que tenga lugar la citada derivacin de los impulsos*

Daao que la misin de derivar o estrechar los impulsos ha sido as*traj3

J.adada al amplificador, la resistencia R de la figura. 9 puede de nuevo ser

muy elevada, incluso en cmaras rpidas

5.

Gases de llenado

Casi todos los gases ordinarios resultan ms o menos apropiados para

l llenado de las cmaras de ionizacin de corriente- continua o de las cma-

ras lentas de impulsos; basta aplicar a los electrodos una tensin suficiente

para que los efectos de re combinacin inica sean despreciables, es decir,

para que se alcance la corriente de saturacin A la tensin mnima para la

que se alcanza, dicha corriente.de saturacin se la llama tensin de saturacin-.

La tensin de saturacin deber ser tanto ms elevada cuanto mayor sea

]a presin y ms intensa la ionizacin Depende por otra, parte del gas que

i'ena la cmara.; para aire seco a presin atmosfrica- es del orden, de unos

centenares de voltios mientras que para el Argn puro es de unos 10 volts/cm.

Tan notable diferencia, de valores es debida a la distinta movilidad de iones

y electrones en ambos casos, y sobre todo a la presencia de oxgeno, gas

electronegativo, cuyas molculas captan electrones Ubres para formar iones

negativos; tales iones negativos se mueven con velocidad mucho menor que

los electrones y la probabilidad de su recombinacin con iones positivos es

por tanto mucho mayor.

La velocidad de arrastre de los electrones, bajo la accin de un campo

elctrico en el seno de un gas vara mucho con la naturaleza, de este. En la

figura 13 se representa dicha velocidad de arrastre V en crn/seg en funcin

de E/p siendo E el campo elctrico aplicado en volts/cm y p la presin del

g-s en mm de Hg (El campo necesario para obtener E/p -- 1 cuando p - 3


31/74

j

atmosf ser pov consiguiente 760 v/cm).

D i

"

0)

O

&

y*

0,95 A+0-05 CO2

-p ( v o l t s / c m .

m m de Hg)

0 1 2 3 4 5 6

F g 1 3 . V e l o c i d a d

de

a r r a s t r e V

de

e l e c t r o n e s

en

d i v e r s o s

g a s e s .

Puede aotarse en dicha figura como la adicin de peqaefias cantidades

de CO

2

C Nitrgeno al Argn hace aumentar considerablemente la veloci-

dad de trnsito de los electrones con relacin al Argn puro o ai CC> puro.

al menos para valores de E/p no muy elevados. La razn de ello e s la si-

guiente:

Las colisiones inelsticas entre electrones y molculas aseosas se pro

ciucen solamente si los electrones tienen una energa superior a la energa ~~

del primer nivel de excitacin de la molcula. 1 primer nivel de excitacin

del tomo de Argn es de 11,5 eV por lo que, en Argn puro, los electrones

alcanzarn una energa media de agitacin relativamente alta, del orden de

10 eV. Por el contrario, en el CO

2

existen numerosos niveles de excitacin

inferiores a 1 eV por lo que la energa media de excitacin de los electrones


32/74

26

resultar muy baja, tanto mas baja cuanto mayor sea la proporcin de CO~,

en la mezcla.

Por otra parte, el libre camino medio de los electrones entre choque y

choque resulta, inversamente proporcional a. la energa media de agitacin, y

a su vez la. velocidad de arrastre es directamente proporcionas al libre car;i

no medio.-

:

de dond resulta el aumento notable de dicha velocidad ai

a:-,-j:.,y

Este fenmeno es aprovechado en las cmaras rpidas donde se procu-

ra aumentar en lo posible la velocidad de trnsito de los electrones para ob-

tener impulsos rpidos; el gas empleado en tales cmaras suele ser Argn

mezclando con 2 o 3 % de CO7 o de Nitrgeno,

Por otra parte, la seccin eficaz de captura de electrones por las mol-

culas de oxigeno para formar iones negativos es muy baja para energas del

electrn prximas a 1 eV. por lo que la adicin de COo o Nitrgeno tiende a

eliminar los efectos de las trazas de aire que pudieran resultar de una fuga

en la cmara o de un deficiente vaciado previo.

Cuando se quiere obtener un impulso de amplitud proporcional a la ener

ga. de la partcula, debe naturalmente elevarse la presin lo suficiente para

que el recorrido de aquella termine dentro del volumen activo de la cmara.


33/74

CONTADORES PROPORCIONALES

CuP-ndo en una cmara de ioniins.oin la tensin aplicada, e,s suficiente

para que lleguen a los electrodos todos los iones producidos por 13 partcula

ionizante . el impulso formado en e; colector alcanzar una amplitud que se

mantendr, constante aunque se eleve moderadamente dicha tensin Sin em-

bargo, sesta aumen 't -> suficiente

;

A partir de un cierto valor empieza, de

nuevo a aumentar ei tamao del impulso, aunque el nmero de iones directa-

te producidos por las panculas a detentar no haya variado.

ELlo es debido a que los electrones primitivamente formados adquieren

en su camino a travs de la cmara energa suficiente para. iontar por cho-

que a otros tomos neutros

;

.liberndose cargas que pasan a engrosar la co-

rriente inicial los nuevos electrones libres son a. su ves capaces de produ-

cir otros iones, formndose asi*una avalancha, de cargas y aumentando con

siderabiemenfce la. amplitud del impulso obtenido en el colector

La figura, 14 muestra la variacin de la amplitud del impulso originado

por una- partcula cC- Yuna. |3 , en funcin de la tensin aplicada.., en

una cmara cilindrica cuyo electrodo central o colector es un fino alambre

Zona de cmarade-

- /on/zsc/n

Zonade.

Zona Pfopor-Propora

o

Zo

na6ei-

Descarg

o'

la

P


34/74

La partcula produce una ionizacin primaria mucho ms intensa que

la partcula S .

:

po

r

ello la corriente de saturacin, cuando la cmara fun-

ciona como tal, es mayor para la primera que para, la segunda. Pasada la

tensin V en que se inicia- la multiplicacin de iones en el gas, la cmara se

convierte'en lo que se llama un contador proporcional cuyo montaje es

:

en

virtud de lo dicho, idntico ai de una cmara de ionizacin cilindrica y cuyo

electrodo central o colector, formado por un hilo metlico -muy fino, suele

estar conectado a/travs de una alta resistencia, al terminal positivo de la

tensin s.plicada, ts.1 corno indica la figura 15=

T-

R

F i g . 1 5 M o n t a j e dQunc o n t a d o r p r o -

p o r c i o n a l yde un c o n t a d o r

G e i g e r .

En el '- -/.t;.dor cilindrico la intensidad del rarnpo elctrico en cada pun-

to disminuya al aumentar su distancia al eje: la multiplicacin de cargas tie-

ne solo luga-- en :" inmediata proximidad del b.i).o central, en una zona donde

el campo a? suficientemente intenso; el radio de esta zona,, y con ello la mag-

nitud de Xa avalancha, y la amplitud del impulso resultante, aumentarn con

la tensin aplicada al contador.

Si n fue el nmero de pares de iones primitivamente formados por la

partcula ionizante y cada electrn primario origina por cheque A nuevos pa

res de iones la amplitud total del impulso formado ser

A y

A n e

C

siendo e la carga del electrn y C la capacidad asociada al electrodo central

del contador. Al nmero A se le denomina factor de multiplicacin gaseosa

y su valor depende de la tensin, pudiendo variar entre 1 y 10 . Sin embargo,

para que un contador acte realmente como proporcional, el valor de A debe-

ser independiente de n lo cual en la prctica, solo sucede para valores de A

no superiores a 10 o 10 segn cual sea el gas empleado. Para valores ma_


35/74

yores de A, ai cruzar el contador una partcula fuertemente ionisante, la in-

tensa avalancha que resulta crea una carga, de espacio que tiende a disminuir

iocalmente el campo elctrico en las proximidades del hilo central y dificul-

ta el proceso de multiplicacin, A la regin en que est, perturbacin aparece

se la denomina zona de proporcionalidad limitada; en ella, como indica la fi-

gura 14, el factor de multiplicacin gaseosa es menor para una partcula c C

que para una partcula ; sin embargo el contador puede ser utilizado toda-

va para distinguir entre las dos clases de partculas.

Si la tensin aplicada al contador sigile aumentando, a partir de un cier-

to valor V se hacen iguales todos ios impulsos, cualquiera, que sea la part-

cula que los provoc y cualquiera que sea su energa.; el dispositivo deja en-

tonces de ser un contador proporcional para convertirse en un contador

Geiger

Una vez formada la avalancha en un contador proporcional; los electro-

nes son rpidamente captados por el hilo central mientras que los iones se

dirigen hacia el cilindro; por haber sido liberados los electrones a muy cor-

ta distancia del hilo central no contribuyen de manera apreciable a la forma-

cin del impulso, sino que ste es debido fundamentalmente al movimiento

de los iones positivos: estos ltimos se mueven al principio en zonas de cam-

po intenso y luego en aonas de campo cada vez ms dbil; por consiguiente,

el impulso presentar una subida inicial rpida seguida despus de una subi-

da cada vez ms lenta. La forma del impulso viene dada por la curva de tra-

zo continuo de la figura 16. donde las ordenadas representan la fraccin de

la amplitud total que tericamente alcanzara el impulso al cabo de un tiem-

po suficientemente largo , estando el hilo central totalmente aislado En la

misma figura, las curvas de trazos representan la forma que se obtiene en

la prctica tras la derivacin del impulso inicial mediante una constante de

tiempo de 0

s

15 microseg o de 0.03 microseg, colocado bien inmediatamente

a la salida del hilo central, o bien en uno de los acoplamientos del amplifica

dor subsiguiente , tai como se explic a propsito de la cmara de ionisacioru

0.5

0

0.3

0.2

0.1

o .

c u

-XI

o

I C

-o

E .

h

/^

RG =0 , 1 5 ys .

0.2 0,6 0,8

1

tsj

F i g . 1 6 F o r m a

d e l

i m p u l s o p r o p o r c i o n a d o

p o r

u n

c o n t a d o r p r o p o r c i o n a l .


36/74

3 0

Al disminuir la constante de tiempo de derivacin, disminuye , como

puede verse en la figura, la amplitud del impulso resultante, si bien la dis-

minucin relativa es, como ya se dijo, la misma para todos los impulsos.,

de forma que la distribucin de amplitudes no queda alterada. Por otra parte,

al hacerse los impulsos ms estrechos, la probabilidad de apilonamiento dis

minuye y puede el contador operar con mayores intensidades de radiacin.

El tamao del impulso entregado por un contador proporcional depende pues,

aparte del factor de multiplicacin gaseosa, de la constante de derivacin

escogida, pudiendo variar entre unas milsimas y unas dcimas de voltio.

La iniciacin del impulso no se realiza en el instante en que la partcu-

la a detectar cruza el contador, sino tras un retardo que puede valer hasta

1 microseg y que depende de la posicin donde han sido formados los prime-

ros iones en el contador: dicho retardo es debido al tiempo que emplean los

electrones iniciales, movindose en regiones de campo relativamente dbil,

en llegar a la zona central del campo intenso, donde se produce la avalan-

cha. Utilizando para el llenado del contador una mezcla de Argn y C0

7

.. el

retardo puede reducirse a 0, 1 microseg y naturalmente es tanto menor

cuanto menor sea el dimetro del contador.


37/74

31

CAPITULO IV

CONTADORES GEIGER

Como indica la figura 14, si elevamos la tensin aplicada a un contador

proporcional por encima de la regin de proporcionalidad limitada, ios im-

pulsos resultantes llegan a hacerse todos de igual amplitud, independiente-

mente de la ionizacin primaria causada por la partcula detectada. El pri-

mitivo contador proporcional ha pasado entonces a ser un contador Geiger.

En un contador Geiger aparece un nuevo fenmeno que no tena lugar

en los contadores proporcionales y que consiste en la propagacin de la des~

carga a todo lo largo del hilo central. Esta propagacin viene motivada por

la gran cantidad de fotones ultravioleta que se generan en la avalancha prinve

ra

s

ios cuales dan lugar al desprendimiento, en las proximidades inmediatas,

de algn fotoelectrn que originar una nueva avalancha con una nueva pro-

duccin de fotones, y as" sucesivamente hasta que la descarga cubre todo el

electrodo central del contador. La propagacin de la descarga se realiza a

velocidades comprendidas entre 2 y 20 cm/microseg, dependiendo de la ten-

sin aplicada al contador, as" como de la naturaleza del gas y de la presin

de llenado.

Una vez completada la descarga, los electrones son rpidamente absor

bidos por el electrodo central y la carga de espacio resultante de los iones

positivos hace disminuir considerablemente el campo elctrico en las proxi-

midades del mismo, con lo.que el proceso multiplicativo no puede tener lu-

gar hasta que los iones no se han alejado suficientemente del centro del con-

tador.

Ordinariamente los contadores Geiger estn llenos de una msela de

Argn a presin parcial de unos 11 cm -de Hg, y alcohol a 1 cm de Hg La

presencia del a.lcohol obedece al siguiente motivo: si los iones de Argn al-

canzan el cilindro, se neutralizan emitiendo fotones de energa relativamen-

te elevada, los cuales son capaces de desprender del ctodo nuevos electro-

nes por efecto fotoelctrico; estos electrones seran atrados por el hilo cen

fcral y daran lugar a una- nueva avalancha con lo que la descarga, una vez ini

ciada , se mantendra indefinidamente, a menos que se redujera lo. .suficiente la

alta tensin aplicada. Pero la presencia de las molculas de alcohol impide

que ningn ion de Argn alcance el cilindro, ya que si uno de estos iones cho

ca con una molcula neutra de alcohol existe una gran probabilidad de que

un electrn salte del alcohol al Argn, neutralizndose este e ionizndose

aqul; la transferencia de carga en sentido inverso resulta energticamente

imposible, ya que el potencial de ionizacin del alcohol es de 11,3 voltios

mientras qxie el del Argn es 15,7; dado que un ion de Argn en su camino ha-

cia el cilindro vendra a chocar del orden de 10 veces por trmino medio con

molculas neutras de alcohol, resulta completamente improbable que alguno


38/74

3 2

de dichos iones alcance el cilindro. Los iones de alcohol a su vez se neutrali

zan y disocian al alcanzar el ctodo., pero al hacerlo emiten fotones infraro-

jos ios cuales resultan incapaces de arrancar fotoelectrones.

A ios contadores conteniendo la mezcla citada se les denomina de extin-

cin interna o de autoextincion, a diferencia de los primitivos, que contenien

do solo un gas simple

s

precisaban de un dispositivo exterior, generalmente

electrnico, que reduca convenientemente la tensin aplicada ai contador pa

ra hacer cesar cada descarga

Como ya se ha dicho., cuando un ion de alcohol llega muy cerca del cilin.

dro o ctodo

f

arranca, de este un electrn y lo absorbe, resultando una mo-

lcula neutra, excitada, la cual al perder su energa de excitacin se disocia

en dos molculas mas simples: as* resulta que despus de cada descarga el

numero de molculas de alcohol ha disminuido; esto ultimo determina que

un contador de extincin interna no pueda registrar correctamente un numero

10

infinito de partculas o Aproximadamente se descomponen 10 molculas en

cada, descarga en un contador ordinario y dado que nicialmente existan unas

10-"

molculas de alcohol en el contador., resulta la vida de este del orden

de 10" descargas; ello correspondera aproximadamente a cien dias de con-

tinua operacin, contando a razn d-3 cien impulsos por segundo; sin embargo.

3.ntes de alcanzarse tan elevado numero de impulsos, ya empieza a fallar es-

pordicamente el mecanismo de autoextincion con el consiguiente empeora-

miento de las ca rete rfsticas del contador, segn se ver ms adelante.

Como indica la figura 14 la amplitud de los impulsos aumenta con la. ten.

sin aplicada., debido a que las avalanchas son ms intensas. El factor total

de multiplicacin de cargas en el contador suele variar entre 10 y 10 . Pa

ra un factor de 10' y una capacidad parsita, de 10 pf asociada al hilo central,

la amplitud total de los impulsos obtenidos ser

A

- Ne 10

9

x 1,6 . 10

19

, , ...

-- -- 16

voltios

C

1

-11

impulsos que en este caso no necesitan de posterior amplificacin sino que

pueden act.ua r directamente sobre los dispositivos electrnicos encargados

de contarlos y registrarlos

AI igual que en el contador proporcional; los electrones por haberse fo_r

mado junto al hilo colector apenas contribuyen a la formacin de i impulso,

siendo este debido casi exclusivamente al movimiento de los iones. Sin embajr

go,la. forma del Lrnpwso es distinta de la originada en un contador proporcio

nal,

debido a la extensin con velocidr.; finita de la descarga a lo largo del

hilo.

Mientras el impulso del contador Geiger requiere varias dcimas de rni

crosegundo para, alcanzar el 10 % de su amplitud final, el contador proporci_o

nal solo requiere unas pocas centsimas de microsegundo,

Por otra, parte, la velocidad de subida del impulso y su forma varian sj3_


39/74

3 3

gun que la descarga se inicie en el centro del contador y se propague en am-

bos sentidos hacia los extremos, o se inicie en un extremo y se propague en

un solo sentido hacia el otro; en el primer caso la velocidad de subida del im

pulso es aproximadamente doble.que en el segundo.

2o - Tiempo muerto y tiempo de resolucin

Como ya se ha dicho, inmediatamente despus de la extensin de la de_

carga a. todo lo largo del hilo central y en tanto que ios iones no se alejen lo

suficiente de este para que puedan formarse nuevas avalanchas, no podr

el contador detectar una nueva partcula que lo atraviese Al intervalo de

tiempo en que esto sucede, contado a partir de la iniciacin de la avalancha,

se le denomina tiempo muerto del contador.

Antes de que todos los iones hayan alcanzado el cilindro, puede ser ya

detectada una nueva partcula aunque dando lugar a un impulso ms pequeo

que el anterior por no haberse restablecido todava en toda su magnitud el

campo elctrico junto al hilo central; este efecto viene indicado en la figura

17 donde se ha representado la forma de un segundo impulso en funcin del

intervalo de tiempo que le separa del primero o Al intervalo que ha de trans_

currir despus de un impulso ordinario para que el contador pueda dar otro

impulso de amplitud ordinaria se le llama tiempo de recuperacin: viene a

ser el tiempo que tarda en desaparecer del contador la nube de iones forma

da en cada impulso.

o

1 .5

t m

Z t r t

F i g . 1 7 I m p u l s o s d e u n c o n t a d o r G e i g e r .

t m = t i e m p o m u e r t o d e l c o n t a d o r

t

r =

t i e m p o d e r e c u p e r a d o n d e l c o n t a d o r

Z

= t i e m p o m u e r t o d e l s i s t e m a d e t e c t o r


40/74

3 4

El que los-pequeos impulsos que pueden formarse inmediatamente des

pues de transcurrido el tiempo muerto sean contados o no

s

depende del nivei

de sensibilidad del circuito electrnico que ha de registrar tales impulsos

Si dicho nivel de sensibilidad es por ejerrrpi'o %1 5v.oltios y viene represen

tado por la lnea horiaontal de traaos de la figura 17, el tiempo de resolucin

ser el indicado por x en dicha figura Dicho tiempo de resolucin, para

todo sistema detector ..viene definido como el mnimo intervalo de tiempo que

debe separo.:?:- la llegada de dos partculas para, que ambas puedan ser detecta

da s =

En un contador Geiger ordinario el tiempo muerto y el tiempo de recu-

peracin son del orden de 100 y 200 microseg respectivamente; entre estos

dos valores estar comprendido., en virtud de lo dicho, el tiempo de resolu-

cin,

La.s dimensiones del contador, la. velocidad de arrastre de ios iones., y

la magnitud de las descargas son factores que determinan ei valor de los

tiempos muerto y de recuperacin; ios dos ltimos, asi como el tamao de

los impulsos resultantes, va.ran con la tensin aplicada, al tubo. Por otra

parte, la amplitud de los impulsos varia tambin con la capacidad asociada,

al electrodo colector, de forma que mantenindose constante la sensibilidad

del circuito electrnico de registro de impulsos

s

ei tiempo de resolucin

aumentar; por ejemplo

s

al aumentar la longitud del cable coa*.ai que lo una

directamente al contador. .De lo dicho resulta, que los tiempos citados no son

caractersticas fijas y determinadas de un contador sino qxxe varan con las

condiciones exteriores del montaje y con la tensin de funcionamiento

3,- Curva caracterstica

Si se coloca un foco radiactivo de intensidad constante a. distancia fija

de un contador Geiger asociado a su dispositivo electrnico de registro de

impulsos j y se varia, la tensin aplicada al contador, el numero de impulsos

contado & por unidad de tiempo varia segn indica, la figura 18. El intervalo

de tensin en el que el nmero de impulsos es aproximadamente constante se

denomina "plateau" o zona plana de la caracterstica* En un buen contador su

extensin es del orden de 200 V y su pendiente es tal que el numero de impul

sos contado no difiere en sus extremos en ms del 5 %

La tensin a la que empieza, la zona plana de la caracterstica de un con.

tador depende de la sensibilidad del dispositivo electrnico de registro de

impulsos; si la sensibilidad es mala., dicha zona plana queda acortada segn

indica la lnea, de puntos de la figura .18, Tambin una. capacidad exr. e--iva.

asociada al electrodo colector acorta la extensin de la zona plae, al dismi-

nuir la amplitud de los impulsos. Asi'pues la. longitud de dicha zona, viene

afectada por factores ajenos ai tubo Geiger El verdadero lmite inferior de

la :?,ona Geiger puede hallarse con un buen oscilgrafo

s

determinando la ten-

sin para la cual, al

ser

excitado por una radiacin poco intensa todos los

impulsos del tubo se hacen aproximadamente iguales.


41/74

- '

800 900

t e n s i n a p l i c a d a

1000

1100

1200v.

F i g . 1 8 C u r v a c a r a c t e r s t i c a

o

p l a t e a u

d e u n

c o n t a d o r G e i g e r .

A medida que seeleva la tensin aplicada al contador (mantenindola

dentro de la zona plana) crece la. amplitud de todos los impulsos por Imcerse

las avalanchas ms intensas

;

aumentando por consiguiente la probabilidad de

que las molculas de alcohol no lleguen a neutralizar a todos los idnes de

Argn formados; sino que alguno de ellos pueda aicans r $1 cilindro y arrap.

car un nuevo electrn. Est fallo del mecanismo de autQSKtiicin provoca la

aparicin accidental de impulsos dobles en respuesta a una sola partcula

ionizante y es el principal responsable de que la pendiente de la, soria plana

no Sea nula

c

A medida que. el contador envejece disminuye., segn se ha visto

la proporcin de molculas de alcohol i con lo que aumentar la pendiente, de

la zona plana, y disminuir su longitud. Debido a esto, los contadores Geiger,

conteniendo solo Argn y funcionando con la ayuda de un buen circuito- elec

tronico que provoque externamente la extincin, proporcionan zon-as plana,s

mucho ms extensas y de menor pendiente

5

teniendo entonces el tubo conta-

dor una vida mucho ms prolongada.

iCmpleando contadores de autoextincin, si la -fuente de alta tensin que

crea- $1 cirapo elctrico en el contador es suficientemente estable y el equi-

po de registro suficientemente sensibles conviene operar en ia parte inicial

de la sepila piana

t

va que a.$f las descstrg&s son menos intensas y es rnenor el

numero de molculas orgnicas que se disocian en cada descarga

E

alargndo-

se correspondientemente la vida del contador,


42/74

36

Si a un contador de Argn y alcohol se le aplica una tensin notablemen,

te por encima del limite superior de su

zona.

pa.na , el contador entra en de_s_

carga continua y se deteriora rpidamente,

4 - Contadores de halgeno

Se lian-ia xia*i aquellos contadores de auto extincin que han sido llenados

con una mezcla de gases raros (por ejemplo Nen a una presin de 500 mm

Hg aproximadamente y Argn a 2 mm Hg) con adicin de una pequea propor-

cin de vapores de halgeno, generalmente Bromo, con una presin parcial

del orden de 0,5 mm de Hg Estos contadores pueden operar a tensiones no-

tablemente ms bajas que los contadores de alcohol, empezando la zona pla-

na de su caracterstica hacia los 300 voltios y teniendo una longitud de unos

200 volts. Tienen una vida muy superior, ya que las molculas de Bromo no

se descomponen con las descargas, o si lo hacen presentan una gran probabi_

lidad de volverse a recombinar, y no se deterioran aunque se les aplique una

tensin excesiva durante cortos intervalos de tiempo.

Por otra parte un contador de halgeno puede funcionar a temperaturas

que van desde -509C hasta cerca de los + 1002C mientras que un contador

de alcohol solo suele funcionar entre + 5 y + 502C aproximadamente. To-

das estas cualidades hacen que aunque su manufactura sea ms dificil, el

contador de halgeno vaya desplazando para ciertas aplicaciones al contador

de alcohol.

~*

~Clases de contadores; eficiencia Contadores de flujo

En general los contadores Geiger estn proyectados para la deteccin,

bien de la radiacin y o bien de la radiacin g , aunque tambin se cons-

truye una gran variedad de contadores especiales para usos especficos

Dado el gran poder de penetracin de los rayos y , los contadores pro-

yectados para operar con esta clase de radiacin pueden tener paredes grxie_

sas de vidrio o metlicas En la figura 19 aparece la seccin de un contador

de esta clase con envoltura de vidrio y cinlindro metlico como ctodo. Este

cilindro puede ser sustituido por el recubrimiento de la pared interna del

vidrio con una pintura conductora de grafito coloidal denominada aquadag

Cil in dro m e t d

L f

4 - i i l o c e n t r a l

F g . 19 Con tador Ge ige r pa ra r ad iac io ' n gamma


43/74

3 7

La radiacin 7 es detecta.da. principalmente-; por intermedio de los elec-

trones que arranca de las paredes metlicas o conductoras del tubo. Por tan-

t o ,

la eficiencia del roni:ador o probabilidad de detectar un fotn que lo atra-

viese de-pende grandemente dei espesor y del nmero atmico del metal em-

pleado, asi como de la energa, de la radiacin inridenl-e. En genera] , la efi-

ciencia de un contador para radiacin y es muy baja, del orden del 1 % o rn_e

Los contadores para radiacin (3 a su vez dsben tener al menos una

parte de su pared, denominada ventana

r

lo rn-s tina posible;, dicha, ventana

y. ??.:s- ser de alvurniro o mica pudindo alcanzarse fcilmente en este ltimo

ca?o e:vpes O3:es de tan so Lo mg/cm~'

s

La. figura .-

:

:o /=;-presenta, la seccin de

uno de esto-? contadores en forma de campana. con la ventana de mica en

su parte inferior. Dado el relativamente intenso poder ionisanEe de ios rayos

P , la eficiencia, dei. contador es excelente, de 98 o 99 por ciento para to-

das aquellas partculas que logran atravesar ia pared.

V i d r i o

V e n t a n a d e M i c a

F i g . 2 0 C o n t a d o r G e i g e r p a r a r a d i a c i o n b e t a

L v * .

iiapo1::u;i":ia de una venUna muy d-igada en

U A

?.H:

r

para radia

(3 ?

e=

&::xt&.

de la distribucin continua cis en-.

g.

.-. de io.s rayos R

emit-


44/74

3 8

dos por una sustancia radiactiva,, La curva continua de la figura 21 repre-

senta la forma tpica de dicha distribucin; la linea de trazos representa la

fraccin de partculas de baja energa que sern detectadas por un contador.;

ninguna partcula de energa inferior a un valor mnimo Emin, que depende

del espesor de la ventana, podr penetrar en el contador; a partir de este

valor una fraccin decreciente ser absorbida hasta que se alcanza una ene_r

gia ms all de la cual prcticamente todas las partculas atraviesan la ven

tana. Como regla prctica, para una eficiencia aceptable la ventana debe

ser por lo menos 10 veces ms delgada que el alcance de las partculas de

energa mxima del espectro; puesto que el alcance de rayos g de 100 KeV

de energa mxima es solo de 14 tng/cm", se ve que incluso una ventana de

2-mg/cm no es muy satisfactoria para su deteccin*

o

o

o

Q .

O)

T3

O

l _

O)

E

I

E m n E ( M e V )

F

jg

2 1 F o r m a t p i c a

de un

e s p e c t r o b e t a

(-)

P or c o 'n t r a n s m i t i d a

por un

a b s o r v e n t e f i n o

)

Para una medida eficiente de la radiacin |3 de baja energa se utilizan

los contadores de flujo continuo,- en los que se introduce directamente la

muestra radiactiva dentro del contador, por cuyo volumen circula de mane-

ra continua el gas de llenado procedente de una botella a presin, y que des-

pus de pasar por un regulador de flujo y por el contador es expulsado a la,

atmsfera. El aire que pueda penetrar en el contador al introducir la mues-

tra es arrastrado por el flujo de gas procedente de la botella, y ai cabo de

muy pocos minutos el contador se halla en perfectas condiciones para medir.

La completa ausencia de toda ventana absorbente entre la muestra ra-

diactiva y el volumen til del contador hace que

f

por ejemplo para el Carbono

14 (emisor Q de energa mxima 155 KeV), la eficiencia de uno de estos con-


45/74

39

tadores sea 2,,2,veces superior a la que se coxis;? guiri a a travs ds una ven-

tana de mica de tan solo 1. 1 mg/cm" que es la ms delgada que prcticamen.

te pueda conseguirse.

Por otra parte, la renovacin continua del gs.s de llenado del contador

elimina completamente los efectos de envejecimiento citados a proposito de

los contadores Geiger ordinarios La vida til del contador de flujo puede

considerarse iliminada , puesto que cuando su caracterstica empeora ello

suele ser debido a. haberse depositado suciedad sobre los electrodos, basari

do entonces con desmontar y limpiar el contador para, volver a montarlo y

emplearlo de nuevo. Utilizando un gas apropiado, un buen contador de flujo

suele necesitar limpieza tan solo al cabo de unas 10 descargas.

istiros gases ms empleados en los contadores de flujo suelen con?

en una mezcla de Helio (99 %) e Isobutano f

1

%) o bien una- mezcla de Argn

(90 %} y Metano (10 %).

Disminuyendo la tensin aplicada, los contadores de flujo pueden operar

tambin en la -a o na proporcional, emplendoseles entonces principa Ira ente

pare,

medir radicacin en presencia de radiacin ft


46/74


47/74

4 1

CAPITULO V

DETECTORES DE CENTELLEO

1." Int r odu c HLori

Cuando una. partcula nuclear cargada o un fotn f a.traviesa ciertas

substancias luminiscentes, pierde una parte de energa en excitar- su lumi-

niscencia. Los fotones luminosos resultantes pueden incidir sobre el cto-

do de una fotoclula suficientemente sensible, resultando un impulso elle-

trico en respuesta a la llegada de la partcula nuclear cargada 0 del fotn.

El conjunto constituye un detector de centelleo

=

El detector de centelleo consta, por consiguiente da dos rganos funda-

mentales;

la substancia luminiscente y la fotoclula, que es en general un

tubo fotomultiplicador

t

El conjunto se monta dentro de una envoltura opaca

a la luz natural pero a travs de la cual pueda penetrar la. radiacin a de-

tectar,

2.

=Sub atae i a s lumirl s c ente s

Una primera cualidad fundamental de toda substancia luminiscente

que haya de ser empleada, en un detector.de centelleo es su eficiencia de

absorcin de la energa de la partcula a. detectar y de conversin de dicha

energa absorbida en energa luminosa Para la deteccin de partculas 0C>

dado su escaso poder de penetracin, bastarn lminas delgadas de mate-

rial luminiscente; mientras que para la deteccin eficiente de rayos 7

sern necesarios espesores mucho mayores de substancia, que a. la vez de

ser luminiscente deber tener un coeficiente de absorcin lo mayor posi-

ble para la radiacin citada,

Una segunda, cualidad fundamental es la transparencia de la substancia

a la radiacin luminosa emitida, con el fin de que sta, puada alcansar el

ctodo del tubo fotomultiplicador. Por ello, y siempre que es posible, se

utiliza la substancia luminiscente cristalizada en forma de mono cristales

lo ms grande y transparentes que pueda conseguirse. Ai mismo tiempo se

procura obtener un buen acoplo ptico colocando entre el cristal luminis-

cente y la superficie catdica, del fotomultiplicador una substancia transpa?

rente de ndice ele refraccin elevado con el fin de evitar las reflexiones

totales en la cara, del cristal por la que debe salir la luz. El conjunto

1

se

dispone en la forma indicada, en la figura 22. La.s restantes caras del cris-

tal suelen ir re cubiertas de una capa, de polvo de xido de magnesio que di-

funde la luz sin absorcin aprecable. De esta forma se tiende a conseguir

que prcticamente toda, la luz- generada dentro del cristal salga hacia el

ctodo del fotomultiplicador.


48/74

C r ista //tminfscenf e

/

/

/

y

/

y

J

7

Superficie es

Fofo

mu/f/'p//

cador.

lcalo

\

y

^

.

I i I

\XT

Con/


49/74

4 3

En la tabla 3 se dan las caractersticas fundamentales da las substan-

cias luminiscentes ms comunmente empleadas en detectores de centelleo.

El Sulfuro de Zinc activado con Plata, ZnS (Ag), se emplea principal-

mente para la deteccin de partculas


50/74

T A B L A 3

Caractersticasde lasprincipales substancias luminiscentes empleadas endetectores decentelleo

Substancia

Densidad

(gm/cm

)

Long, deondade

mxima emisin

(e n

A)

Eficiencia relativa

para rayos |3

Const,

detiempo

de

caida

de

lumi

niscenca

( JJ, s)

Disposicin

Antraceno

Nafta leo

Nal(TI)

ZnS

(Ag)

p-Terfenilb

en Xleno

Terfenilo

en polysty-

reno

1,25.

1,15

3,67

4,1

0,87

1,06

4 450

3 450

41

4 500

3 700

4 000

0,25

0 , 4 8

0 , 3 0

0 .

02 .:

0 0 7 5

0 2 5

1

0 0 0 7

0 0 0 5

Cristales grandes

no muy c

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Curso de Introduccion a La Ingenieria Nuclear Tanarro Sanz