Cámara de ionización, Principio de funcionamiento, Tipos de cámara y de la construcción, Tipos de instrumentos, Precauciones generales de uso, Aplicaciones


La cámara de ionización es el más simple de todos los detectores de radiación llenos de gas, y es ampliamente utilizado para la detección y la medición de ciertos tipos de radiación ionizante, los rayos-X, rayos gamma y partículas beta. Tradicionalmente, el término "cámara de ionización" se utiliza exclusivamente para describir aquellos detectores que recogen todos los cargos creados por ionización directa en el gas a través de la aplicación de un campo eléctrico. Sólo utiliza las cargas discretas creados por cada interacción entre la radiación incidente y el gas, y no implica los mecanismos de multiplicación de gas utilizadas por otros instrumentos de radiación, tales como el contador Geiger-Muller o el contador proporcional.

Cámaras de iones tienen una buena respuesta uniforme a la radiación en una amplia gama de energías y son el medio preferido para la medición de los altos niveles de radiación gamma. Ellos son ampliamente utilizados en la industria de energía nuclear, laboratorios de investigación, la radiografía y otros campos de radiación médicos, y en el monitoreo ambiental.

Principio de funcionamiento

Una cámara de ionización mide la carga a partir del número de pares de iones creados dentro de un gas causado por la radiación incidente. Se compone de una cámara llena de gas con dos electrodos; conocido como ánodo y el cátodo. Los electrodos pueden ser en forma de placas paralelas, o una disposición de cilindro con un alambre de ánodo interno situado coaxialmente.

Un potencial de voltaje se aplica entre los electrodos para crear un campo eléctrico en el gas de relleno. Cuando el gas entre los electrodos es ionizado por la radiación ionizante incidente, se crean pares de iones y los iones positivos y electrones resultantes disociadas se mueven a los electrodos de polaridad opuesta bajo la influencia del campo eléctrico. Esto genera una corriente de ionización que se mide por un circuito de electrómetro. El electrómetro debe ser capaz de medir la corriente de salida muy pequeña que se encuentra en la región de femtoamperios a picoamperios, dependiendo del diseño de la cámara, la dosis de radiación y la tensión aplicada.

Cada par iónico creado depósitos o elimina una pequeña carga eléctrica hacia o desde un electrodo, de tal manera que la carga acumulada es proporcional al número de pares de iones creados, y por lo tanto la dosis de radiación. Esta generación continua de carga produce una corriente de ionización, que es una medida de la dosis total ionizante entra en la cámara. Sin embargo, la cámara no puede discriminar entre los tipos de radiación y no puede producir un espectro de energía de la radiación.

El campo eléctrico también permite que el dispositivo para trabajar de forma continua por absorbiendo los electrones, lo que impide que el gas de llenado se sature, donde se podrían recoger hay más iones, y mediante la prevención de la recombinación de pares de iones, lo que disminuiría la corriente de iones. Este modo de funcionamiento se conoce como el modo de "actual", lo que significa que la señal de salida es una corriente continua, y no una salida de impulsos como en los casos del tubo Geiger-Müller o el contador proporcional.

Haciendo referencia a la gráfica colección de pares de iones de acompañamiento, se puede observar que en la región de operación "de iones de cámara de" la colección de pares de iones es efectivamente constante en una gama de voltaje aplicado, ya que debido a su relativamente baja intensidad de campo eléctrico de la cámara de iones hace no tienen ningún "efecto multiplicador". Esto es a diferencia de la tubo Geiger-Müller o el contador proporcional mediante el cual los electrones secundarios, y en última instancia, múltiples avalanchas, amplifican en gran medida la carga de iones-original actual.

Tipos de cámara y de la construcción

Los siguientes tipos de cámara se utilizan comúnmente.

Cámara al aire libre

Esta es una cámara libremente abierto a la atmósfera, donde el gas de relleno es aire ambiente. El detector de humo doméstica es un buen ejemplo de esto, donde es necesario un flujo natural de aire a través de la cámara de modo que las partículas de humo pueden ser detectados por el cambio en la corriente de iones. Otros ejemplos son aplicaciones en las que los iones se crean fuera de la cámara, pero se realizan en por un flujo forzado de aire o gas.

Cámara de ventilación

Estas cámaras son normalmente cilíndrica y operan a presión atmosférica, pero para evitar la entrada de humedad de un filtro que contiene un desecante está instalado en la línea de ventilación. Esto es para detener la humedad se acumule en el interior de la cámara, que de otro modo sería introducido por el efecto de "bomba" de cambio de presión de aire atmosférico. Estas cámaras tienen un cuerpo cilíndrico hecho de aluminio o plástico de unos pocos milímetros de espesor. El material se selecciona para que tenga un número atómico similar a la de aire de modo que la pared se dice que es "equivalente de aire". Esto tiene el efecto de asegurar que el gas en la cámara está actuando como si se tratara de una porción de un volumen de gas infinitamente grande, y aumenta la precisión mediante la reducción de las interacciones de gamma con el material de la pared. Cuanto mayor es el número atómico del material de la pared, mayor será la probabilidad de interacción. El espesor de la pared es un equilibrio entre mantener el efecto de aire con una pared más gruesa, y el aumento de la sensibilidad mediante el uso de una pared más delgada. Estas cámaras suelen tener una ventana final de un material lo suficientemente delgada como mylar, de modo que las partículas beta pueden penetrar en el volumen de gas y ser detectado. La radiación gamma entre los dos a través de la ventana final y las paredes laterales.

Cámara de sellado de baja presión

Estos son similares en construcción a la cámara de ventilación, pero están sellados y operan en o alrededor de la presión atmosférica. Ellos contienen un gas de llenado especial para mejorar la eficiencia de detección como electrones libres son capturados fácilmente en cámaras llenas de aire con ventilación por el oxígeno neutral que es electronegativo, para formar iones negativos. Estas cámaras también tienen la ventaja de no requerir un orificio de ventilación y el desecante. La ventana final beta limita la presión diferencial entre la presión atmosférica que puede ser tolerada, y los materiales comunes son de acero inoxidable o de titanio con un espesor típico de 25 micras.

Cámara de alta presión

La eficiencia de la cámara se puede aumentar aún más por el uso de un gas de alta presión. Normalmente, una presión de 8-10 atmósferas se puede utilizar, y se emplean distintos gases nobles. Los resultados más altos de presión en una mayor densidad de gas y por lo tanto una mayor probabilidad de colisión con el gas de llenado y la creación de par iónico por la radiación incidente. Debido al aumento de espesor de pared requerido para soportar esta alta presión, sólo la radiación gamma puede ser detectado. Estos detectores se utilizan en medidores de reconocimiento y de vigilancia ambiental.

Cámaras de Investigación y calibración

Una primera versión de la cámara de iones se utilizó por Marie y Pierre Curie en su trabajo original en el aislamiento de materiales radiactivos. Desde entonces, la cámara de iones ha sido una herramienta ampliamente utilizada en el laboratorio para fines de investigación y calibración. Para hacer esto una amplia variedad de formas de la cámara a medida, el uso de algunos líquidos como el medio ionizado, se han desarrollado y utilizado. Cámaras de ionización son utilizados por los laboratorios nacionales para calibrar patrones primarios, y también para transferir estas normas a otras instalaciones de calibración.

Tipos de instrumentos

De mano

Cámaras de ionización son ampliamente utilizados en metros de la encuesta de radiación de mano para medir la radiación beta y gamma. Ellos son particularmente preferidos para las mediciones de tasa de dosis alta y para la radiación gamma que dan una buena precisión para energías por encima de 50-100 keV.

Existen dos configuraciones básicas: la unidad "integral" con la cámara y la electrónica en el mismo caso, y el "dos piezas" instrumento que tiene una sonda de la cámara de iones independiente unido a la pieza electrónica por un cable flexible.

La cámara del instrumento integrante es generalmente en la parte delantera de la caja hacia abajo, y los instrumentos para beta/gamma hay una ventana en la parte inferior de la carcasa. Esto por lo general tiene un escudo de deslizamiento que permite la discriminación entre la radiación gamma y beta. El operador cierra el escudo de excluir beta, y puede calcular con ello la velocidad de cada tipo de radiación.

Algunos de mano instrumentos generan clics audibles similares a la producida por un contador de GM para ayudar a los operadores, que utilizan la información de audio en estudio de la radiación y los controles de contaminación. A medida que la cámara de iones funciona en el modo de corriente, no en modo de pulso, esto se sintetiza a partir de la tasa de radiación.

Instalado

Para las mediciones de procesos industriales y de enclavamiento con niveles sostenidos de radiación, la cámara de iones es el detector preferido. En estas aplicaciones sólo la cámara está situado en la zona de medición, y la electrónica está situado remotamente para protegerlo de la radiación y está conectado por cable. Instrumentos instalados pueden ser utilizados para la medición de gamma ambiental para la protección del personal y, normalmente, hacen sonar una alarma por encima de un ritmo preestablecido, aunque el instrumento tubo Geiger Muller se prefiere en general cuando no se requieren altos niveles de precisión.

Precauciones generales de uso

La humedad es el principal problema que afecta a la exactitud de cámaras de ionización. Volumen interno de la cámara debe mantenerse completamente seco, y el tipo ventilado utiliza un desecante para ayudar con esto. Debido a las corrientes muy bajas generadas, cualquier corriente de fuga parásita debe mantenerse a un mínimo con el fin de preservar la precisión. Humedad higroscópica invisible en la superficie de los dieléctricos de cables y conectores puede ser suficiente para provocar una corriente de fuga que inundará actual cualquier ion inducida por la radiación. Esto requiere una limpieza escrupulosa de la cámara, de sus terminaciones y cables, y posterior secado en un horno. "Anillos de la Guardia" se utilizan generalmente como una característica de diseño en los tubos superiores de tensión para reducir las fugas a través oa lo largo de la superficie de los aisladores conexión del tubo que pueden requerir una resistencia en el orden de 1013Ohms.

Para aplicaciones industriales con electrónica remota, la cámara de ionización se encuentra en un recinto separado que proporciona protección mecánica y contiene un desecante para eliminar la humedad que pudiera afectar a la resistencia de terminación.

En instalaciones en las que la cámara es una larga distancia desde la electrónica de medición, las lecturas pueden ser afectados por la radiación electromagnética externa que actúa sobre el cable. Para superar este un módulo convertidor de locales a menudo se utiliza para traducir las corrientes de cámara muy bajas de iones a un tren de impulsos o señal de datos relacionados con la radiación incidente. Estos son inmunes a los efectos electromagnéticos.

Aplicaciones

La industria nuclear

Cámaras de ionización son ampliamente utilizados en la industria nuclear, ya que proporcionan una salida que es proporcional a la dosis de radiación Ellos encuentran amplio uso en situaciones en las que se está midiendo una tasa constante de dosis alta, ya que tienen una mayor vida útil de funcionamiento de los tubos de Geiger-Mller estándar , que sufren de gas se rompen y generalmente se limitan a una vida de cerca de 1.011 eventos de conteo. Además, el tubo Geiger Muller no puede operar por encima de aproximadamente 104 cuentas por segundo, debido a los efectos del tiempo muerto, mientras que no existe una limitación similar sobre la cámara de iones.

Detectores de humo

La cámara de ionización ha encontrado uso amplio y beneficioso en los detectores de humo. En un detector de humo, el aire ambiente se le permite entrar libremente en la cámara de ionización. La cámara contiene una pequeña cantidad de americio-241, que es un emisor de partículas alfa, que producen una corriente constante de iones. Si el humo entra en el detector, interrumpe esta corriente porque los iones chocan las partículas de humo y se neutralizan. Esta caída en la corriente se dispara la alarma. El detector también tiene una cámara de referencia que está sellado pero se ioniza de la misma manera. La comparación de las corrientes de iones en las dos cámaras permite la compensación de los cambios debidos a la presión del aire, la temperatura o el envejecimiento de la fuente.

Medición de la radiación médica

En la física médica y la radioterapia, las cámaras de ionización se utilizan para asegurar que la dosis suministrada a partir de una unidad de terapia o radiofármaco es lo que se pretende. Los dispositivos utilizados para la radioterapia son llamados dosímetros "de referencia", mientras que los utilizados para los radiofármacos son llamados radioisótopos calibradores de dosis. Una cámara tendrá un factor de calibración establecido por un laboratorio nacional de normas como la NPL en el Reino Unido, o va a tener un factor determinado por la comparación con una cámara estándar de transferencia a las normas nacionales en el sitio del usuario.

Orientación sobre el uso de aplicaciones

En el Reino Unido, el HSE ha publicado una guía de usuario en la selección del instrumento de medición de la radiación correcta para la aplicación de que se trate. Esto cubre todas las tecnologías de instrumentos de radiación, y es una guía comparativa útil para el uso de los instrumentos de la cámara de iones.