DETECTOR GEIGER-MLLER

Laboratorio de deteccin de radiaciones

Snchez Domnguez Sandra MarisolCastro Hernndez SergioHernndez Mora Israel Eli

26/03/2015Resumen En esta prctica utilizamos el detector GM para medir la radiacin del y obtener las regiones caractersticas de un detector Geiger-Muller. Se hizo un diagnstico de la pendiente del detector, ya que se deben de obtener conteos de 1700 a 2000 ctas/min para un voltaje aplicado de 500 V. Tambin se obtuvo la meseta de la regin en la que este detector trabaja, as como las mediciones de fondo cuando no se tiene fuente radiactiva en el detector.Objetivos Comprender el principio de funcionamiento de un detector Geiger-Muller (GM) Ubicar las regiones caractersticas de la meseta de un detector Geiger-Muller (GM)Introduccin La radiactividad o radioactividad fue un fenmeno descubierto por Henri Becquerel (1852-1908) en 1896 en un mineral de uranio. Posteriormente, Pierre y Marie Curie llevaron a cabo estudios muy importantes para el caso del radio, que les hicieron merecedores del premio Nobel junto con Becquerel (1903). Desde entonces, son innumerables los estudios y aplicaciones relacionadas con la radioactividad; sus efectos y su deteccin, para lo que se han desarrollado una amplia variedad de instrumentos. Este experimento se centra principalmente en el registro de desintegraciones radioactivas mediante el detector Geiger-Mller y su anlisis estadstico. El primer contador clasificado como Geiger fue construido por el fsico alemn Hans Geiger y el neozelands Ernest Rutherford en 1908, y slo detectaba partculas alfa. En 1928, Geiger y un estudiante llamado Walther Mller perfeccionaron el dispositivo para detectar ms tipos de radiacin. La ltima mejora sustancial del dispositivo la realiz en 1947 el fsico Sidney H. Liebson, con un menor potencial de trabajo y una mayor vida til, al introducir un gas halgeno en el tubo de deteccin. El modelo no ha variado en lo esencial hasta hoy en da, y es similar al utilizado en nuestra prctica. Los contadores Geiger se basan en la deteccin del nmero de desintegraciones, no en el tipo de radiacin incidente ni en su energa o trayectoria. Estos detectores han sido ampliamente utilizados por su sensibilidad y fcil manejo, y han sido instrumentos imprescindibles para mltiples estudios cientficos y otras aplicaciones comerciales e industriales. Como ancdota histrica, en la dcada de 1960, en plena Guerra Fra, los Estados Unidos construyeron y comercializaron multitud de contadores Geiger en un esfuerzo de preparar a los ciudadanos civiles ante un eventual ataque nuclear. En la actualidad, los detectores Geiger-Mller se siguen empleando en diferentes mbitos, desde laboratorios para estudiantes hasta en hospitales o zonas con riesgo de radiacin de cara a la proteccin radiolgica.

Figura 1.Detector Geiger MullerBsicamente, un tubo Geiger consiste de dos electrodos con un gas a baja presin entre ellos. El tubo est cerrado por una fina ventana para que a travs de ella penetre y llegue al gas la radiacin y . El electrodo externo es usualmente un cilindro, mientras que el interior (positivo) es un hilo colocado en el centro del cilindro. La diferencia de potencial entre ambos electrodos se eleva a un valor tal que, virtualmente, cualquier radiacin directamente ionizante que entra en el tubo provoca una avalancha, es decir, el tubo es muy eficiente para detectar partculas cargadas. Por el contrario, si la radiacin incidente es un fotn, es muy poco probable que interaccione con el gas y el electrn secundario provoque una avalancha, es decir, el tubo es poco eficiente para detectar fotones. Para aumentar la eficiencia, el detector se construye con una pared gruesa para favorecer la interaccin del fotn con ella, con la esperanza de que el electrn resultante penetre en el tubo y provoque la avalancha. El tubo Geiger no distingue entre tipos de partculas, y no es capaz de proporcionar el valor de sus energas; ste slo proporciona informacin sobre el nmero de partculas que han interaccionado en el detector. El voltaje del pulso de la avalancha es > 1 V en amplitud. Al ser estos pulsos tan grandes, la seal no necesita amplificarse (aunque s invertirse). En la figura 2 se presenta la amplitud del pulso en la cmara con un gas para ionizacin en funcin del voltaje aplicado. 1) Recombinacin, 2) zona de saturacin o de ionizacin, 3) regin proporcional, 4) regin proporcional limitada, 5) regin Geiger, 6) Regin de descarga.

Figura 2. Tamao del pulso en una cmara de ionizacin en funcin del voltaje aplicado.

Desarrollo experimental Interconexiones de los instrumentos del sistema de deteccinEn la figura 3 se observa el diagrama de la conexin de los instrumentos del sistema de deteccin utilizada en la practica, se utilizaron cables coaxiales con la misma impedancia, se puso todas las perillas de la fuente de alto voltaje en cero y as mantener siempre las precauciones sobre el manejo de la fuente de alto voltaje (anexo B, seccin B.3).

Figura 3. Esquema del montaje del equipo experimental y las interconexiones respectivas.

Procedimiento Se seleccion la polaridad positiva de la fuente de alto voltaje, el cable coaxial de salida de sta, se conect a la entrada HV del inversor de pulsos, el cable coaxial que sale del detector GM se conect a la entrada GM TUBE del inversor de pulsos, la salida del SCALER del inversor de pulsos se conecta con un cable coaxial a un conector T, este conector a su vez se conecta al amplificador espectroscpico, en la salida que queda libre del conector tipo T, se coloca un cable coaxial que va conectado al osciloscopio. Se conecta la salida OUT_UNI del amplificador al contador, y para terminar, se conect el reloj y el contador con un cable coaxial, desde la terminal GATE del contador, hasta a la terminal GATE del reloj; estos ltimos dispositivos, tambin se conectaron en paralelo mediante un cable de cinco pines.

Posicin de los controles de cada instrumento se colocaron siguiendo las instrucciones del apartado 4.3.2 del cuadernillo.

Verificacin de la seal en el osciloscopio.

Una vez verificada todas las conexiones, y revisando que todos los cables tengan la misma impedancia, se coloc la fuente radiactiva de 8 c, encendiendo la fuente de alto voltaje y aplicando 500V al detector GM. El contador debe registrar una medida entre 1500 y 2000 ctas/minutos, si el valor se sale del rango, se debe presionar el botn RESET del contador SCALER y despus START hasta que obtengamos un valor dentro del establecido.La figura 4 muestra la verificacin de la seal dada por el detector GM despus de haber pasado por el inversor de pulsos.

Figura 4. Seal generada por el detector GM.1) En la tabla 1 se registraron los datos de tiempo con su respectivo voltaje, de 15 puntos de la seal observada en la figura 4.2) Se grafic los datos de voltaje contra tiempo (periodo).

Tabla1. Tiempo &voltaje de la seal que sale del inversor de pulsos.tiempo (s)voltaje (volts)

13

12.8

33.72

63.34

73.2

92.8

122.5

142.28

172

221.66

291.36

421.08

560.96

810.92

1270.88

Figura 5. Tiempo & Voltaje de la seal de salida del inversor de pulsos

3) El detector GM trabaja en la zona Geiger; en dicha zona se generan altos campos elctricos debido a que Vo es relativamente grande y en consecuencia aumenta la intensidad para cada ionizacin secundaria y su capacidad para crear avalanchas. Bajo las condiciones adecuadas, una primera avalancha puede generar al menos una segunda avalancha (en una posicin diferente dentro del tubo) y como consecuencia una propagacin en cadena. No obstante para grandes valores del campo elctrico, los procesos de creacin de avalanchas pueden incrementarse rpidamente y en principio desarrollar un nmero exponencial de avalanchas en un periodo relativamente corto de tiempo. Es por eso que en la grafica 1 se puede observar como en la zona del detector se produce una seal, que en un lapso de tiempo muy corto alcanza un mximo de voltaje ya que en este mximo se est produciendo la ionizacin secundaria y despus la curva comienza a decaer ya que esta en descarga.Obtencin de la meseta GM.

Tabla 2. Conteo de la fuente contra voltaje aplicado.

VOLTAJE (V)FONDO F-B ( ctas/min)3

2900

3005

3100

32041

3303435

3403437

3503793

3603866

3703910

3803803

3904029

4004920

4105347

4205996

4304995

4405426

4505613

4605063

4705255

4805708

4905315

5005591

5105336

5205674

5305428

5405301

5505776

5605763

5705822

5805911

5906397

6006011.516129

6106437.516129

6205764.516129

6306301.516129

6406011.516129

6506517.516129

6605955.516129

6705736.516129

6806021.516129

6906341.516129

7005607.516129

Figura 6. Ctas /min corregidas por fondo & voltaje aplicado al GM (2), y aplicando el mtodo de mnimos cuadrados (4)

Se disminuy el voltaje a 280 V, se retir la fuente radiactiva, y se midi la radiacin de fondo (background), registrando los resultados en la Tabla 2. Se coloc nuevamente la fuente radiactiva y registrar las CPM obtenidas, registrando los datos en la tabla 2. Partiendo de 280 V, se repitieron los pasos anteriores para cada 10 V de aumento en la fuente de alto voltaje. No se debe de exceder de 700V de voltaje.

1) Se realiz la correccin de los datos debido al fondo, y se registr los resultados en la tabla 2.2) Se graficaron las ctas/min corregidas por fondo, contra voltaje aplicado al GM, Figura 6.3) La correccin de datos debido al fondo se realiza para obtener la radiacin efectiva de la fuente ya que el detector tambin registra la radiacin natural, es decir que el valor obtenido con el detector (una vez colocada la fuente radiactiva) de cuentas representa el valor de la radiacin proveniente de la fuente y del ambiente, es por esta razn que se deben registrar por separado los valores de la radiacin de fondo y restarlos a los obtenidos para obtener los valores de cuentas efectivos de la fuente.

4) Se aplic el mtodo de mnimos cuadrados en la figura 6 para obtener la recta que representa la meseta del detector GM.

5) Voltaje de umbral: 330 V este valor corresponde al voltaje mnimo que se aplic para que el detector empiece a registrar un nmero apreciable de cuentas. El valor proporcionado por el fabricante (segn el manual de laboratorio) es de 500 V.6) Voltaje de ruptura: no se observa el valor del voltaje de ruptura (valor mximo aplicable antes de que se d el efecto avalancha). Se propone el voltaje mximo aplicado 700V ya que no se puede observar el voltaje de roptura.

7) longitud de la meseta: slo se puede establecer como (700 330) V = 370 V.

8) pendiente de la meseta: se presenta en la ecuacin de la lnea de ajuste en la figura 6 y = 6.4949x + 2013.5 con m = 6.4949

9) Regin de descarga contina: Queda fuera del rango de datos obtenidos. 10) Voltaje de operacin: De la misma manera, queda fuera del rango de datos obtenido, dado por el voltaje de 700 V.Conclusiones Se comprendi el funcionamiento del detector GM, de la misma manera se analizaron las regiones caractersticas de la meseta de este detector GM.Despus de observar la grfica y considerando los valores que no se pudieron obtener, queda la duda respecto del voltaje de ruptura. Habra sido bastante interesante haber obtenido este valor y hacer una correspondencia con toda la teora revisada antes de realizar la prctica. Adems se tendra una mejor caracterizacin del detector GM utilizado en el laboratorio.Ciertamente quedan varias dudas derivadas de tener un lmite establecido para operar el equipo utilizado: los resultados no son convincentes en el sentido de no tener idea de qu tan cerca o lejos estamos del valor; no tener los datos proporcionados por el fabricante nos dejan sin una referencia que pudiera servirnos para estimar dicho valor y hacer mejoras en la experimentacin; en la figura 6 puede observar claramente el comportamiento de la zona Geiger pero queda duda de hasta dnde termina dicha zona.

Problemas 1. Un detector proporcional con un nodo de radio 0.003cm y con un ctodo de radio de 1cm, est lleno con agua P-10 con una presin de una atmsfera. Si el gas P-10 tiene una constante K=4.8x104 V/cm-atm y necesita una diferencia de potencial (V) de 23.6 eV para que un electrn se mueva. Calcule el voltaje requerido para que se obtenga un factor de multiplicacin del gas de 1000.

Igualando la ecuacin 1 a cero se tiene que:

Con ayuda de la ecuacin 2 y utilizando Excel para poder obtener el valor del voltaje, se tiene que el valor de este corresponde a:V=1792.4889 v.Con un valor en la igualdad de la ecuacin 2 de -0.00093984 que es aproximadamente 0.2. Calcule el voltaje con el cual el detector proporcional del problema anterior puede entrar a la regin de operacin Geiger. Considere que se forman 3 tomos excitados para cada par de iones en una avalancha tpica y que la subsecuente desexcitacin fotnica tiene una probabilidad de 10-5de crear una avalancha adicional.Para conocer el voltaje necesitamos conocer primero el factor de multiplicidad, el cual lo obtenemos mediante la siguiente formula con la siguiente formula:

De la misma manera que en el problema anterior, igualamos la ecuacin 1 con cero y con ayuda de Excel obtenemos el valor del factor de multiplicidad, el cual corresponde a:M=1286.74421Por lo cual utilizando los datos y la ecuacin 2 del problema 1, pero ahora cambiando el factor de multiplicidad del gas por el obtenido anteriormente, se tiene que el valor del voltaje es de:V=1820.7667 vCon un valor de -3.016E-06 que es aproximadamente cero.

3. Un detector GM opera con gas a una presin de media atmsfera, el movimiento de iones libres es 1.5x10-4m2atm/sV. El umbral elctrico calculado para iniciar la formacin de la avalancha es 2x106V/m. si el gas se usa en un tubo cilndrico con un radio del nodo igual a 0.005cm y radio del ctodo igual a 2cm, calcule el tiempo transcurrido para que un electrn viaje del ctodo a la regin de multiplicacin cuando se aplica 1500V al detector GM.Mediante la siguiente ecuacin:

E igualando a cero:

Para poder obtener to utilizamos Excel igual que los problemas anteriores, con lo cual se obtiene que el tiempo en que tarde un electrn en viajar del ctodo a la regin de multiplicacin es:to = 3.3493x10-2 segundoCon el cual la ecuacin (2) nos da un valor de -1.9959x10-16 que es aproximadamente cero.