Tubo Geiger – Müller

El tubo Geiger-Müller o tubo G-M es el elemento sensor del instrumento contador Geiger utilizado para la detección de radiaciones ionizantes. Fue nombrado en honor a Hans Geiger, quien inventó el principio en 1908, y Walther Müller, quien colaboró con Geiger en el desarrollo de la técnica más adelante en 1928 para producir un práctico tubo que podía detectar una serie de diferentes tipos de radiación.

Es un detector de ionización gaseosa y utiliza el fenómeno de avalancha de Townsend para producir un pulso electrónico fácilmente detectable a partir de un solo evento de ionización debido a una partícula de radiación. Se utiliza para la detección de radiación gamma, rayos X y partículas alfa y beta. También puede adaptarse para detectar neutrones.

Hans Geiger, Físico alemán (1882 - 1945) Inventor del contador Geiger para medir la radiactividad.
Hans Geiger, Físico alemán (1882 – 1945) Inventor del contador Geiger para medir la radiactividad.

Aunque es un detector robusto y barato, el G-M es incapaz de medir eficientemente altas tasas de radiación, tiene una vida finita en zonas de alta radiación y no puede medir la energía de radiación incidente, por lo que no se puede generar información espectral y no hay discriminación entre los tipos de radiación; por ejemplo, entre las partículas alfa y beta.

Historia

Hans Geiger se mudó a Inglaterra para trabajar con Ernest Rutherford. En ese momento, Rutherford estaba preocupado por la partícula alfa. Su origen aún no estaba claro y la carga que llevaba era aún incierta. Había una necesidad apremiante de poner el fenómeno sobre una base cuantitativa.

Geiger asumió la tarea de medir la dispersión de las partículas alfa por finas películas de metal. Trabajó con un tubo de vacío de 2 m de largo con una pantalla fluorescente en un extremo, una muestra de cloruro de radio en el otro y una pequeña rendija entre ambos. Geiger se puso a trabajar contando los destellos que vio en una pantalla fluorescente.

Hans Geiger y Ernest Rutherford

Se sentó, hora tras hora, en total oscuridad, mirando a través de un pequeño microscopio enfocado en una sección de 1mm2 de pantalla, contando. Cuando Rutherford lo intentó, duró sólo unos minutos, y luego se maravilló de la extraordinaria persistencia de su colega. Geiger produjo hermosas curvas que mostraban cómo la distribución de los destellos se ampliaba a medida que aumentaba el número de hojas de oro interpuestas.

Pero contar a ojo era demasiado ineficiente para ser práctico y Geiger y su jefe se preocuparon por si cada evento se registraba en sus pantallas de fósforo; si no lo hacían, las mediciones serían consistentemente bajas. Buscando una alternativa, Geiger puso sus esperanzas en el rastro de iones que dejaba la estela de cada partícula. Pero la carga producida era demasiado pequeña para medirla de forma fiable. ¿Podría ser amplificada?

Como detectar la radiación más eficientemente

En 1899, John Townsend había demostrado cómo la ionización de un gas se incrementaba a través de colisiones con moléculas de gas neutro. A bajas presiones y con un campo eléctrico suficiente, la formación de iones negativos condujo a una cascada de ionización que amplificó el evento inicial en al menos dos órdenes de magnitud.

Walther Müller
Walther Müller

El detector de Geiger explotó esta idea. Consistía en un cilindro de latón con un cable aislado que corría axialmente por su centro. En un extremo había una corta longitud de tubo de vidrio, cerrado en un extremo con una fina lámina de mica. Con la cámara de latón parcialmente evacuada y el tubo a alta tensión, el cable central se cargaba incluso en ausencia de radiactividad. Así que Geiger lo conectó a un condensador cargado por un lado con una pequeña cantidad de material radiactivo para permitir que esta carga se filtrara continuamente.

Al colocar una fuente radiactiva al otro lado de la ventana de mica, cada partícula alfa que entraba en la cámara de detección era señalada por una patada aguda en la aguja del electrómetro, seguida de la fuga de la carga hasta cero.

Pero lo mejor estaba por venir. Como se sabía que las partículas beta estaban dispersas en amplios ángulos, se le dio a la carne de cañón de posgrado en forma de Ernest Marsden la imposible tarea de ver si las partículas alfa no podrían hacer lo mismo. Con la fuente y la lámina colocadas en ángulos con la pantalla, se observó una dispersión de gran ángulo.

Geiger refinó su tubo con la ayuda del estudiante graduado Walther Müller. Las nuevas versiones eran más portátiles y sensibles a más tipos de radiaciones ionizantes, y se utilizaron ampliamente para innumerables aplicaciones.

Principio de operación de un tubo Geiger – Müller

Un tubo Geiger – Müller consiste en una cámara llena de una mezcla de gases a una baja presión de aproximadamente 0,1 atmósfera. La cámara contiene dos electrodos, entre los cuales hay una diferencia de potencial de varios cientos de voltios.

Contador Geiger, equipado con un tubo Geiger – Müller
Contador Geiger, equipado con un tubo Geiger – Müller

Las paredes del tubo son metálicas o tienen su superficie interior recubierta con un material conductor o un alambre espiral para formar el cátodo, mientras que el ánodo es un alambre montado axialmente en el centro de la cámara.

Cuando la radiación ionizante incide en el tubo, algunas moléculas del gas de relleno se ionizan directamente por la radiación incidente, y si el cátodo del tubo es un conductor eléctrico, indirectamente por medio de electrones secundarios producidos en las paredes del tubo, que migran al gas. Esto crea en el gas iones cargados positivamente y electrones libres, conocidos como pares de iones.

Esquema de funcionamiento de un tubo Geiger – Müller
Esquema de funcionamiento de un tubo Geiger – Müller

El fuerte campo eléctrico creado por el voltaje a través de los electrodos del tubo acelera los iones positivos hacia el cátodo y los electrones hacia el ánodo.

Cerca del ánodo, en la “región de las avalanchas”, donde la intensidad del campo eléctrico aumenta exponencialmente a medida que se acerca al ánodo, los electrones libres ganan suficiente energía para ionizar moléculas de gas adicionales por colisión y crear un gran número de avalanchas de electrones.

Estos se propagan a lo largo del ánodo y efectivamente por toda la región de la avalancha. Este es el efecto de “multiplicación de gas” que da al tubo su característica clave de ser capaz de producir un pulso de salida significativo a partir de un único evento ionizante original.

Caja de un contador Geiger para búsqueda de uranio y minerales radioactivos
Caja de un contador Geiger para búsqueda de uranio y minerales radioactivos

Este corto e intenso pulso de corriente puede ser medido como un evento de conteo en forma de un pulso de voltaje desarrollado a través de una resistencia eléctrica externa. Esto puede ser del orden de los voltios, lo que hace que el procesamiento electrónico posterior sea sencillo.

Para más información Geiger’s tube