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DE FISICA
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FÍSICA NUCLEAR

Respuesta del ejercicio 30
Cámaras de ionización y los contadores proporcionales

Muchos instrumentos dedicados a la detección de radiaciones nucleares se basan en el comportamiento, en un campo eléctrico, de los pares iónicos formados por las partículas ionizantes a su paso a través de un gas. Este comportamiento varía con el gradiente de potencial del campo eléctrico. Representando en una gráfica la carga recolectada frente al voltaje aplicado, se obtiene una curva con seis regiones diferenciadas de las que tres de ellas son las que se emplean en diversos tipos de instrumentos para medir radiaciones nucleares.

Una de las regiones es llamada de la cámara de ionización y son varios los instrumentos destinados a la medida de radiaciones nucleares que operan en ella.

Las medidas con cámara de ionización se agrupan en dos tipos generales, a saber, integradores y no integradores. En los instrumentos integradores, la carga total transportada por cierto número de partículas ionizantes es colectada durante un determinado periodo de tiempo. En cambio, los dispositivos no integradores – o contadores – registran por separado cada una de las partículas capaces de producir ionización.

Los dispositivos integradores se dividen a su vez en dos clases, electrostáticos y electrodinámicos o indicadores de corriente. Los de tipo electrostático se denominan frecuentemente electroscopios debido a que se basan en el mismo principio que el electroscopio de láminas de oro.

En los dispositivos electrodinámicos se establece entre los electrodos un potencial constante mediante una batería. Cuando llega a la cámara una radiación ionizante, en dosis suficientemente elevada , los iones y electrones producidos son barridos continuamente hacia los correspondientes electrodos y aparece una corriente constante. La intensidad de esta corriente iónica constituye una medida directa del ritmo de entrada de las partículas ionizantes y, por tanto, de la intensidad de las radiaciones.

Para la detección de neutrones rápidos, la cámara de ionización se llena con hidrógeno o un hidrocarburo gaseoso y , aparte del gas o en sustitución del mismo, pueden forrarse las paredes interiores de la cámara con una sustancia hidrogenada, por ejemplo, parafina o polietileno.

Para la detección de neutrones lentos puede recubrirse uno de los electrodos, o los dos, con el isótopo boro – 10 que posee gran sección eficaz para la reacción con neutrones lentos.

Para su empleo en el control de reactores, las cámaras de ionización deben reunir ciertas condiciones especiales. La cámara ha de ser pequeña, puesto que se necesitan muchas en un reactor, a pesar de lo cual debe entregar una corriente iónica razonablemente grande, para que la respuesta sea rápida y uniforme. estas dos condiciones significan que la cámara debe colocarse en una región de flujo neutrónico alto y, como consecuencia de ello, se plantean problemas muy graves en cuanto a deterioros por la radiación, sobre todo en los aislantes.

Con el fin de solventar esas dificultades, se han desarrollado cámaras de ionización destinadas a operar en regiones de flujo neutrónico relativamente bajo. En algunos de estos instrumentos los electrodos son paralelos y en forma de taza, proporcionando así una gran superficie dentro de un pequeño volumen.

La cámara de ionización compensada suele emplearse para la medida del flujo neutrónico en presencia de rayos gamma. Consta básicamente de tres electrodos paralelos que suelen tener forma de taza y por recubrimiento con boro de las superficies internas de uno de los volúmenes que se forman permiten medir el flujo neto de neutrones.

Modificando adecuadamente el circuito de salida de una cámara de ionización integradora, puede lograrse que el instrumento indique el logaritmo del flujo neutrónico o de la densidad. Este tipo de instrumento es de especial utilidad en la puesta en marcha de un reactor, durante cuya operación la densidad neutrónica cubre un intervalo muy amplio. Su funcionamiento se basa en el hecho de que dentro de ciertos límites de corrientes, el voltaje a través de un diodo es proporcional al logaritmo de la corriente que pasa por él.

Cuando el circuito de una cámara de ionización tiene una constante de tiempo pequeña, comparada con el tiempo que transcurre entre la llegada a la cámara de dos partículas ionizantes sucesivas, la corriente no es continua sino pulsante. Cada impulso representa la entrada de una partícula ionizante en la cámara de ionización. Conectando esta cámara de impulsos a un amplificador y a un registrador es posible contar los impulsos individuales y, por consiguiente, el número de partículas.

Una de las grandes ventajas de la cámara de impulsos es que puede utilizarse para medir densidades neutrónicas en presencia de intensidades considerables de partículas beta y rayos gamma, tales como las que existen en un reactor funcionando. Si la cámara de ionización es pequeña, el número de pares iónicos producidos indirectamente por un neutrón será muy superior al de los producidos por entrada de una partícula beta o un fotón γ. los impulsos de tensión serán, por consiguiente, mucho mayores.

Para la detección de neutrones pueden introducirse (como hemos anteriormente en el caso de cámaras proporcionales) en la cámara de impulsos un recubrimiento de boro o bien llenarla con trifluoruro de boro gaseoso. Sin embargo, lo más habitual es recubrir el interior de la cámara o la superficie electródica con un compuesto de uranio enriquecido en U-235. En este último caso, el instrumento recibe el nombre de cámara de fisión. La llegada de un neutrón lento provoca la fisión del uranio y los fragmentos de fisión resultantes producen en el gas considerable ionización. El impulso debido a los fragmentos de fisión es tan grande que no hay dificultad en discriminarlos, incluso en presencia de impulsos “amontonados” procedentes de rayos gamma. Naturalmente, esta característica es muy importante inmediatamente después de la parada del reactor, cuando la intensidad de la radiación gamma es considerable.

Otra de las regiones consideradas en el proyecto de instrumentos de medida es la llamada región proporcional. El empleo de esta región para contar partículas ionizantes presenta ciertas ventajas. En primer lugar, por ser grande la amplificación interna, se necesita menos amplificación externa para que los impulsos de tensión sean lo suficientemente grandes y puedan accionar un contador o una escala. En segundo lugar, un contador proporcional bien proyectado posee un tiempo de recuperación muy pequeño, lo que hace posible ritmos de cuentas muy altos. Como el grado de amplificación interna aumenta con el voltaje entre electrodos, cabe la posibilidad, operando a tensiones moderadas, de contar partículas muy ionizantes en presencia de otras con ionización específica baja.

La región proporcional podría utilizarse, en principio, para un instrumento integrador que midiese la corriente iónica. Sin embargo, la idea no es práctica, porque su realización exigiría un control muy riguroso del campo eléctrico entre los electrodos. Es por ello que siempre se emplea el contador de impulsos.
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tema escrito por: José Antonio Hervás