Física atómica y nuclear

LD
Hojas
de Física
Física atómica y nuclear
Física de rayos X
Detección de rayos X
P6.3.1.3
Detección de rayos X con una
cámara de ionización
Objetivos del experimento
g Detección de radiación X con una cámara de ionización llena con aire y medición de la corriente de ionización IC.
g Estudio de la relación entre la corriente de ionización IC y la tensión del capacitor UC, y verificación de la
característica de saturación.
g Estudio de la relación entre la corriente de saturación de ionización y la corriente de emisión I del tubo de rayos X a
una alta tensión del tubo U constante.
g Estudio de la relación entre la corriente de saturación de ionización y la alta tensión del tubo U a una corriente de
emisión I constante.
Principios
En la detección de rayos X, un haz de rayos X atraviesa un
diafragma y choca con un capacitor de placas de modo tal
que no cae directamente sobre las placas. Esto evita la
falsificación de los resultados de la medición debido al
efecto fotoeléctrico en el capacitor de placas. Los rayos X
ionizan parte del volumen gaseoso del capacitor. Cuando se
aplica una tensión UC al capacitor, los portadores de carga
llevan electrones o iones que son recogidos en las placas
del capacitor. La corriente generada en el capacitor de este
modo corresponde a la corriente de ionización IC del circuito
exterior, que se puede medir con un amplificador de
medición.
La radiación X se detecta gracias a sus efectos físicos. Por
ejemplo, los rayos X ennegrecen las películas fotográficas y
ocasionan que el aire y otros gases se vuelvan conductores
de la electricidad. El efecto fotoeléctrico se observa en la
superficie de los metales, y algunas substancias
fluorescentes presentan luminiscencia. Todos estos
fenómenos son originados por la ionización de los átomos o
moléculas de la materia transiluminada.
Respecto de la detección cuantitativa de rayos X, se puede
explotar su efecto ionizante, por ejemplo, mediante la
medición de la corriente de ionización en un capacitor de
placas lleno con aire u otro gas. Debido a su diseño y
construcción, este tipo de disposición se denomina cámara
de ionización.
A bajos niveles de tensión UC, cada vez menos portadores
de carga se recombinan en el volumen de gas a medida
que UC aumenta, y cada vez más portadores de carga son
recogidos en las placas del capacitor. De este modo, la
corriente de ionización IC aumenta junto con la tensión UC.
Cuando la tensión UC aumenta por encima de un valor
determinado, la corriente IC alcanza un valor de saturación,
dado que se capturan todos los portadores de carga
formados por la radiación incidente por unidad de tiempo
(con excepción de las pérdidas insignificantes por
recombinación). Este valor de saturación es un indicador de
la intensidad de la radiación X incidente.
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LD Hojas de Física
- Alce el capacitor de placas hasta la cámara de
experimentación del aparato de rayos X e introduzca los
tarugos de montaje en los zócalos de montaje.
Asegúrese de que las placas del capacitor están
paralelas a la placa base del aparato de rayos X; de no
ser así, realice las correcciones necesarias.
Materiales
1 aparato de rayos X
o
1 aparato de rayos X
554 811
554 812
1 capacitor de placas para rayos X
554 840
1 fuente de alimentación de 450 V CC
1 electrómetro amplificador
1 resistencia STE de 1 GΩ y 0,5 W
522 27
532 14
577 02
- Introduzca los dos cables en el canal libre hasta que
aparezcan por el lado derecho del aparato de rayos X.
Montaje eléctrico:
- Conecte el cable al polo positivo de la fuente de
alimentación de 450 V CC y conecte el cable adaptador
BNC / 4 mm al electrómetro amplificador equipado con la
resistencia de 1 GΩ.
1 voltímetro, U ≤ 300 V de CC,
resistencia de entrada ≥ 10 MΩ
1 voltímetro, U ≤ 10 V de CC
1 cable blindado BNC / 4 mm
p. ej. 531 100
p. ej. 531 100
575 24
- Ponga a tierra el electrómetro amplificador conectándolo
al terminal negativo del amplificador de 450 V CC.
Cables para conexiones
- Use un voltímetro para medir la tensión del capacitor UC,
y otro para medir la tensión de salida del amplificador de
electrómetro UE.
- Enchufe el aparato de rayos X a la red eléctrica y
enciéndalo.
Realización del experimento
a) Corriente de ionización IC en función de la tensión del
capacitor UC:
Montaje
Realice el montaje del experimento como se muestra en la
Fig. 1. La Fig. 2 muestra las conexiones eléctricas del
capacitor de placas y del electrómetro amplificador para
determinar la corriente de ionización.
- Fije la corriente de emisión I = 1,0 mA.
Montaje mecánico:
- Para registrar una serie de mediciones, aumente la
tensión del capacitor UC en pasos de 0 V a 300 V y
determine la corriente de ionización IC para cada paso
desde la tensión UE a la salida del electrómetro
amplificador:
- Fije la alta tensión del tubo U = 15 kV, y encienda la alta
tensión con el botón HV ON/OFF.
- De ser necesario, desmonte el colimador del aparato de
rayos X y retire todo elemento experimental de la cámara
del aparato de rayos X.
- Conecte el cable adaptador BNC/4 mm a la placa inferior
del capacitor (zócalo BNC) con el enchufe BNC y
conecte el cable para conexiones a la placa superior del
capacitor (enchufe hembra de seguridad).
IC =
UE
1 GΩ
- Tome nota de los resultados de la medición.
- Aumente la alta tensión del tubo U en pasos desde 5 kV
a 35 kV, repita la serie de mediciones para cada paso y
tome nota de los resultados de las mediciones (ver tabla
1).
Notas de seguridad
El aparato de rayos X cumple con todas las normas
vigentes para equipos de rayos X; es un dispositivo
totalmente protegido para usos educativos, y es del tipo
cuyo uso en escuelas está permitido en Alemania (NW
807 / 97 Rö).
b) Corriente de saturación de ionización IC en función
de la corriente de emisión I:
- Fije la alta tensión del tubo U = 35 kV.
La protección integrada y las medidas del blindaje
reducen la intensidad de dosis local en el exterior del
aparato de rayos X a menos de 1 µSv/h. Este valor se
encuentra en el orden de magnitud de la radiación de
fondo natural.
- Fije la tensión del capacitor UC ≥ 140 V, de modo que se
alcance el valor de saturación de la corriente de
ionización IC (ver valores medidos para el punto “a”).
- Aumente la corriente de emisión I en pasos desde 0 mA
hasta 1 mA y determine la corriente de ionización IC
correspondiente.
g Antes de comenzar a utilizar el aparato de rayos X,
verifique que no se encuentre dañado y asegúrese de
que la alta tensión se interrumpa cuando se abren las
puertas corredizas (ver Hoja de Instrucciones para el
aparato de rayos X).
- Tome nota de los resultados de la medición.
c) Corriente de saturación de ionización IC en función
de la alta tensión del tubo U:
g No permita el acceso de personas no autorizadas al
aparato de rayos X.
- Fije la corriente de emisión I = 1,0 mA.
Evite el sobrecalentamiento del ánodo del tubo de rayos X
de Mo.
- Aumente la alta tensión del tubo U en pasos desde 5 kV
hasta 35 kV y determine la corriente de ionización IC
correspondiente.
- Fije la tensión del capacitor UC ≥ 140 V.
g Al encender el aparato de rayos X, asegúrese de que
el ventilador en la cámara del tubo esté girando.
- Tome nota de los resultados de la medición.
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P6.3.1.3
LD Hojas de Física
Ejemplo de medición
a) Corriente de ionización IC en función de la tensión del
capacitor UC:
Tabla 1: Corriente de ionización IC en función de la tensión
del capacitor UC; valores de alta tensión del tubo U1 = 15
kV, U2 = 20 kV, U3 = 25 kV, U4 = 30 kV y U5 = 35 kV; y
corriente de emisión I = 1,0 mA.
UC
V
I C (U1)
I C (U 2 )
I C (U 3 )
I C (U 4 )
I C (U 5 )
nA
nA
nA
nA
nA
0
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
10
0,07
0,23
0,33
0,42
0,52
20
0,10
0,38
0,62
0,87
1,07
30
0,12
0,48
0,90
1,30
1,62
40
0,13
0,52
1,08
1,66
2,15
50
0,13
0,54
1,20
1,97
2,60
60
0,13
0,55
1,25
2,17
3,05
70
0,13
0,54
1,28
2,28
3,35
80
0,13
0,54
1,30
2,35
3,55
90
0,13
0,53
1,30
2,42
3,65
100
0,13
0,53
1,30
2,45
3,75
110
0,12
0,52
1,30
2,45
3,80
120
0,12
0,52
1,30
2,47
3,85
130
0,12
0,51
1,28
2,47
3,90
140
0,11
0,50
1,28
2,45
3,90
160
0,11
0,48
1,25
2,47
3,95
180
0,11
0,47
1,23
2,45
3,90
200
0,10
0,45
1,20
2,43
3,95
250
0,095
0,42
1,18
2,37
3,90
300
0,090
0,42
1,15
2,35
3,90
3
Fig. 1
Montaje del experimento para medir la corriente de
ionización en un capacitor de placas.
Fig. 2
Conexión del capacitor de placas y del electrómetro
amplificador para determinar la corriente de ionización.
Fig. 3
Corriente de ionización IC en función de la tensión del
capacitor UC.
P6.3.1. 3
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b) Corriente de saturación de ionización IC en función
de la corriente de emisión I:
Tabla 2: Valor de saturación de la corriente de ionización IC
en función de la corriente de emisión I del tubo de rayos X, y
alta tensión del tubo U = 35 kV
I
mA
IC
nA
I
mA
IC
nA
0,0
0,02
0,5
2,10
0,1
0,48
0,6
2,45
0,2
0,92
0,7
2,80
0,3
1,30
0,8
3,20
0,4
1,72
0,9
3,55
1,0
3,90
Fig. 5 Valor de saturación de la corriente de ionización IC en
función de la alta tensión del tubo U.
Evaluación
a) Corriente de ionización IC en función de la tensión del
capacitor UC:
A valores constantes de alta tensión del tubo U y corriente
de emisión I, la corriente de ionización IC al principio
aumenta en forma proporcional a la tensión del capacitor UC
(ver Fig. 3). Luego aumenta cada vez menos a medida que
aumenta UC y al final alcanza su valor de saturación
(meseta). Cuanto mayor sea la alta tensión del tubo U,
mayor será también el valor de saturación. La tensión del
capacitor UC en la que se alcanza el valor de saturación
también aumenta junto con U.
b) Corriente de saturación de ionización IC en función
de la corriente de emisión I:
Fig. 4
Valor de saturación de la corriente de ionización IC en
función de la corriente de emisión I del tubo de rayos X
c) Corriente de saturación de ionización IC en función
de la alta tensión del tubo U:
Tabla 3: Valor de saturación de la corriente de ionización IC
en función de la alta tensión del tubo U, y corriente de
emisión I = 1,0 mA
U
kV
IC
nA
U
kV
IC
nA
5,0
0,02
20,0
0,49
7,5
0,02
22,5
0,81
10,0
0,02
25,0
1,25
12,5
0,03
27,5
1,82
15,0
0,10
30,0
2,40
17,5
0,26
32,5
3,10
35,0
3,90
A valores constantes de alta tensión del tubo U, el valor de
saturación de la corriente de ionización IC es, en buena
aproximación, proporcional a la corriente de emisión I (ver
Fig. 4) y por lo tanto a la intensidad de la radiación X
incidente.
c) Corriente de saturación de ionización IC en función
de la alta tensión del tubo U:
La corriente de ionización aumenta en forma no
proporcional a la alta tensión del tubo U, dado que hay cada
vez más cuantos de energía disponibles para ionizar el aire
en el capacitor de placas (ver experimento P6.3.3.2).
Resultados
La corriente de ionización de una cámara de ionización
muestra una característica de saturación. El valor de
saturación de la corriente de ionización se puede usar para
cuantificar el efecto ionizante, y por lo tanto la intensidad de
la radiación X.
A valores constantes de alta tensión del tubo, el valor de
saturación de la corriente de ionización es proporcional a la
intensidad de la radiación X. El valor de saturación de la
corriente de ionización aumenta en forma no proporcional a
la alta tensión del tubo.
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