2.1 Física de los detectores gaseosos

Un detector gaseoso consta de un par de electrodos (ánodo y cátodo) conectados a un alto voltaje en una atmósfera de gas apropiado. La radiación que incide sobre el gas genera ionizaciones, denominadas ionizaciones primarias, como se observa en la figura 1. Los iones y electrones generados fluyen hacia el electrodo correspondiente, por acción del campo eléctrico. Los electrones al ser acelerados pueden, a su vez, generar ionizaciones secundarias y procesos de avalancha, logrando así un efecto de multiplicación (Sauli 1977). La carga total colectada en los electrodos constituye la señal del detector, la cual debe ser procesada (amplificación, discriminación, integración, conteo, etc.), a fin de obtener la información deseada.

Figure 1: Principio básico de operación de un detector gaseoso. La radiación incidente ioniza el gas y las cargas generadas fluyen hacia los electrodos, por la acción del campo eléctrico, donde son colectadas formando la señal de detección. 

Avalanchas y multiplicación

El efecto de multiplicación en un detector se basa en la formación de avalanchas, las cuales dependen de la intensidad del campo eléctrico. Para un detector de alambres las avalanchas se producen muy cerca al ánodo y se asemejan a gotas, con un frente ancho de electrones y una larga cola que se va estrechando, formada por una nube de iones positivos que se desplazan lentamente hacia el cátodo.

Sofocación o "Quench" y selección del gas

Los electrones acelerados por el campo eléctrico no solamente producen ionizaciones secundarias; también pueden causar excitación de los átomos del gas, los cuales al desexcitarse emiten fotones, usualmente en el rango UV. Al interactuar estos fotones con las paredes internas del detector, el ánodo o el cátodo, pueden arrancar electrones por efecto fotoeléctrico. Estos electrones también serán atraídos por el ánodo dando origen a nuevas avalanchas, cuyo origen no guarda correlación directa con la trayectoria de la partícula detectada, por lo cual se pierde la capacidad de rastreo. Por otro lado, se puede llegar a saturar todo el volumen del detector, reduciendo así la tasa de conteo. Por ello es deseable eliminar los fotones UV mediante un gas poliatómico, aprovechando la gran cantidad de estados excitados no radiactivos, o grados internos de libertad de las moléculas orgánicas, los cuales permiten la absorción de fotones en un gran rango de energía. Este proceso de eliminación de fotones, o sofocamiento de la avalancha, es conocido en inglés como quench. El metano, en particular, cubre el rango de energía de los fotones emitidos por el Argón (Charpak 1968).

En principio, un detector gaseoso podría operar con cualquier gas; sin embargo, se elige uno con el fin de optimizar varios parámetros importantes, como: bajo voltaje de operación, alta ganancia, alta movilidad de iones, largo tiempo de vida útil y rápida recuperación, entre otros. (Flakus 1981).

Se pre'eren los gases nobles con baja energía de ionización, ya que debido a su baja reactividad química se reducen los efectos de deterioro de los electrodos y las paredes internas del detector. Dadas las consideraciones anteriores, lo más recomendable es la mezcla de un gas noble, como el argón o el xenón, con un gas poliatómico, como el metano o el dióxido de carbono.

2.2 Curva característica de respuesta

La curva característica de un detector es una gráfica en la que se presenta el número de Carga, o iones, colectados en función del voltaje entre los electrodos. La curva característica presenta diferentes zonas o regímenes de trabajo relacionados con la dinámica de las cargas dentro del detector y los procesos de avalancha y multiplicación. Estas dependen, principalmente, de la geometría de los electrodos y del gas de trabajo. La curva está dividida en las siguientes cinco zonas: 1. Zona de recombinación, 2. Cámara de ionización, 3. Contador proporcional, 4. Zona de proporcionalidad limitada, 5. Contador Geiger-Muller. Para una descripción detallada de la curva característica y los modos de operación de un detector gaseoso ver (Knoll 1989).

2.3 Cámara Proporcional Multialambres MWPC

Los contadores proporcionales son utilizados para medir la energía depositada por la radiación, pero adolecen de baja capacidad de localización espacial, limitando su función a la determinación del paso de la partícula por el detector. A fin de remediar esta deficiencia, Charpack, desarrolló la MWPC en 1967-1968, la cual consiste de un conjunto de alambres equidistantes, muy próximos entre sí, conectados al mismo potencial (ánodo); y uno, o dos planos catódicos, conectados a tierra. De esta manera, cada alambre actúa como un contador independiente, permitiendo la determinación espacial del punto de cruce de la partícula detectada.

En la figura 2 se ilustra la geometría de la MWPC y las líneas de campo eléctrico en su interior. Los electrones se desplazan a lo largo de las líneas de campo, hacia los ánodos, muy cerca de los cuales se produce la multiplicación por avalanchas (Knoll 1989). Por su parte, los iones positivos se desplazan en la dirección contraria, hacia los planos catódicos.

Figure 2: Estructura básica y líneas de campo eléctrico en la MWPC [²]. El campo eléctrico se intensifica en la cercanía de los ánodos, donde ocurren las avalanchas y efecto de multiplicación. En el resto del volumen el campo eléctrico es bastante uniforme. 

3.1 Construcción de la Cámara MWPC

Se construyó el prototipo con base en los criterios y parámetros reportados por Alfaro (2005) y Sauli (1978). Los ánodos se hicieron de alambre de tungsteno recubierto en oro, por ser buen conductor eléctrico y resistente al bombardeo de partículas (Grupen 2008); el recubrimiento en oro impide la oxidación. La longitud de los alambres fue de 50 mm y diámetro de 25 µm. El espaciamiento entre ellos se tomó en 5mm, a fin de facilitar la realización de los puntos de soldadura en el soporte de baquelita.

La figura 3 (derecha) muestra una foto del circuito electrónico, conformado por una placa de baquelita de 100 mm x 100 mm x 1mm, con una ventana de 65 mm x 35 mm, sobre la cual se soldaron 12 alambres. El cátodo consiste en una segunda placa de baquelita recubierta de cobre, ubicada a 4 mm, debajo del plano de los alambres, soportada por cuatro espaciadores de teflón.

Figure 3: Detalle de la Cámara MWPC construida. Diagrama (izquierda), con el detector dentro de la caja hermética de acrílico, la cual contiene 2 conexiones para el flujo de gas, alimentación de alto voltaje (HV) y salida de la señal eléctrica. Circuito electrónico (derecha), conformado por 12 alambres conectados a la línea de alto voltaje mediante una resistencia R (1.5 MΩ). Del otro extremo se conectan los alambres a un condensador y una resistencia a tierra. La señal de salida se toma de los condensadores. El cátodo es la placa inferior de baquelita recubierta de cobre, la cual se conecta a tierra. 

El detector se colocó dentro de una caja hermética de acrílico transparente, en una atmósfera del gas de trabajo. Las dimensiones externas de la caja son 200 x 200 x 50 mm³, la tapa superior se fija con tornillos y se sella con una junta redonda de goma. La caja contiene dos racores, uno para la entrada y el otro para la salida del gas. En la caja se instalaron también los conectores de alto voltaje y salida de la señal, como se ilustra en la figura 3 (izquierda).

El circuito eléctrico de polarización y lectura de la señal, para cada ánodo, se ilustra en la figura 4. Cada ánodo es conectado a un condensador C de 220 pF, a fin de desacoplar la señal del alto voltaje; este va en serie con una resistencia r, de 50 Ω, que acopla la impedancia del detector con la entrada de los módulos electrónicos. La fuente de alto voltaje se conecta a los ánodos por el otro extremo, a través de una resistencia R de 1.5 MΩ, a fin de limitar la corriente, en caso de chispas. Para la caracterización del detector los condensadores de los 12 alambres se conectaron en paralelo, sumando así las señales de todos los ánodos en una sola salida.

Figure 4: Circuito eléctrico de polarización y lectura. Cada ánodo se encuentra conectado a una resistencia (r = 50 ) y un condensador de desacople (c = 220 pF). La fuente de alto voltaje se conecta al otro extremo del alambre, mediante una resistencia R = 1.5 M, para controlar la corriente, en caso de chispas. 

3.2 Gas de llenado

Se eligió como gas principal el argón, ya que es el más utilizado en los detectores gaseosos por ser un gas noble, de fácil ionización y bajo costo.

Por otro lado, se utilizó aire y metano, a modo de comparación. Como gas de sofocamiento, se eligió el metano, ya que cubre el rango de energía de los fotones emitidos por el argón (Sauli 1977).

Finalmente, se usó la mezcla 90% Ar + 10% CH4 conocida como P10, la cual es de uso frecuente, en particular en cámaras proporcionales (Alfaro 2005).

3.3 Fuente de radiación

A falta de una fuente radiactiva de suficiente actividad, se usaron los muones cósmicos, como fuente de radiación, lo cual es frecuente en la caracterización de detectores (Sauli 1978). Estos presentan un alto nivel de penetración y a su vez de interacción con el gas, generando así una señal eléctrica adecuada (Sharma 2001).

El flujo de muones cósmicos sobre la tierra está muy bien caracterizado (Grupen 2011), y se conoce que a nivel del mar es de (1 muón)/ (cm²xmin). Este flujo presenta una pequeña variación para ángulos polares inferiores a 45 grados, sin embargo esta variación fue ignorada en este trabajo tomando el valor de flujo arriba anotado.

3.4 Montaje Experimental

El montaje para la caracterización del detector (figura 5), consta de un soporte metálico de instrumentos con módulos electrónicos de procesamiento de pulsos, tablero de control de flujo de gas con flujometros de esfera, tanques de gas y un soporte para el detector. Los módulos electrónicos utilizados (NIM) incluyen: amplificador CAEN N914, contador Camberra 512, discriminador CAEN N841, analizador multicanal CAEN N957, dos fuentes duales de alto voltaje Ortec 556H y osciloscopio digital LeCroy Wavesurfer MXS-B.

Figure 5: Montaje de caracterización del detector. Conformado por un soporte metálico de instrumentos, tablero de control de flujo de gas, soporte del detector y tanques de gas. 

4.2 Análisis de pulsos y rango de voltajes de operación

Se analizaron los pulsos adquiridos directamente con el osciloscopio. Para esta medición, en la figura 6 el bloque de instrumentación consiste únicamente del osciloscopio. Los pulsos obtenidos fueron todos de polaridad negativa. Al aumentar el voltaje se observa una variación de la altura y la forma de los pulsos y al sobrepasar el voltaje máximo de operación, los pulsos se deforman. Los rangos de voltaje de operación, sin chispas, se resumen en el cuadro 1.

Table 1: Rangos de voltaje de operación para cada mezcla de gas Mezcla de Gas. 

4.3 Curva Característica

Para esta medición, el bloque de instrumentación del circuito de la figura 6, consiste en un amplificador (Ö10) seguido del osciloscopio. Se registró el promedio de 100 muestras en el osciloscopio, y para cada voltaje se calculó el número de cargas colectadas utilizando la ecuación:

donde A es el área bajo la curva del pulso, r la resistencia (50 Ω) y e la carga del electrón. Los pulsos se analizaron "off-line" integrando numérica-mente para hallar el área, mediante un código de programación en C⁺⁺, el cual permitió mayor precisión. La figura 7 muestra los resultados obtenidos.

Figure 7: Curva característica. Se pueden observar los rangos de voltaje en los que opera la MWPC, con diferentes tipos de gas. Se tiene el mínimo de voltaje de operación con 100% Ar en 1400 V, el máximo voltaje de operación con aire a 4600 V y máxima ganancia ~ 10¹¹, para la mezcla P-10. 

Análisis

4.4 Curva de Conteo Vs. Voltaje o curva Plateau

Para esta medición se utilizó el circuito de la figura 6, compuesto por un amplificador (^x10) seguido de un discriminador y luego el contador. Antes de iniciar el conteo se ajusto el valor de discriminación 2ara cada mezcla, entre 120 mV y 250 mV, a fin de disminuir el ruido electrónico y de fondo. El conteo se realizó en intervalos de tiempo de 10 s, 30 s o 60 s, dependiendo de la mezcla utilizada.

Se tomaron 3 datos para cada voltaje y se calculó el promedio, en cuentas por segundo (CPS). La figura 8 presenta estos resultados.

Figure 8: Cuentas por segundo en función del voltaje o curva plateau. De estas curvas se determina el voltaje óptimo de operación (VOP), como el 25% del Plateau [⁹]. El aire presenta un comportamiento errático, sin punto estable de operación. 

En el cuadro 2 se resumen los parámetros que gas. Se encontró un mayor conteo para el aire y caracterizan la curva de conteo para cada tipo de un menor conteo para el metano.