Contador Geiger

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Hans Geiger estudou física na Universidade de Munique e serviu uma temporada no exército alemão antes de prosseguir estudos de pós-graduação em Erlangen, obtendo seu doutorado em 1906. No ano seguinte ele se mudou para a Inglaterra para se tornar assistente de laboratório de Rutherford na Universidade de Manchester. Hans Geiger e Ernest Marsden em 1909, ao realizarem o experimento da folha de ouro sob a supervisão de Rutherford, dispararam um feixe de partículas alfa (núcleos de hélio) contra camadas de folhas de ouro com apenas alguns átomos de espessura, o que posteriormente levou ao modelo atômico de Rutherford. Porém, não havia um método eficiente para medir as cintilações, e em 1911 ele inventou um dispositivo para contar partículas alfa radioativas. Utilizou um tubo de Crookes como sendo um dos elétrodos, e um fio fino no meio do tubo, como um segundo elétrodo. Quando fosse aplicada uma tensão, qualquer radiação alfa que passasse pelo gás ionizado daria origem a uma avalancha de elétrons que poderia ser medida.

Basicamente esses dispositivos consistem em um cilindro de metal fechado em ambas as extremidades, uma das quais é fechada com uma película fina (geralmente mica), que constitui a janela do detector. No eixo do cilindro é colocado um fio metálico rígido e o interior do tubo é preenchido com uma mistura de um gás inerte a baixa pressão (em geral argônio) e um gás de congelamento, que pode ser vapor de um composto orgânico ou de halogênio, cuja função é inibir a ionização desenfreada do gás. Entre o fio central (ânodo) e o corpo cilíndrico (cátodo) é aplicada uma grande diferença de potencial. Quando uma radiação entra no detector, o gás é ionizado, provocando a formação de íons e elétrons livres. O forte campo elétrico criado entre os eletrodos do tubo acelera os íons positivos em direção ao cátodo e os elétrons em direção ao ânodo. Perto do ânodo, na "região de avalancha", os elétrons ganham energia suficiente para ionizar moléculas adicionais do gás e criar um grande número de avalanchas de elétrons que se espalham ao longo do ânodo e de forma eficaz em toda a região da avalancha. Este é o "efeito de multiplicação de gás ", que dá ao tubo a sua principal característica de ser capaz de produzir um impulso de saída significativo de um único evento ionizante, gerando assim um pulso elétrico que é registrado no circuito contador.

Os métodos de detecção de radioatividade se baseiam na interação das partículas carregadas ou da radiação eletromagnética com a matéria, destacando-se entre esses métodos, os que as baseiam na ionização de gases, como os contadores proporcionais, câmaras de ionização e tubos Geiger-Müller, por sua simplicidade e praticidade. Nesses dispositivos, quando uma partícula eletricamente carregada ou um fóton de alta energia penetra no compartimento de detecção (tubo) onde está o gás, há a ionização das moléculas do mesmo, criando pares elétron-cátion. Se uma diferença de potencial é aplicada entre dois eletrodos nesse gás, o campo elétrico gerado leva à separação desses pares, conduzindo os cátions para o cátodo e os elétrons para o ânodo, resultando assim no colhimento de carga pelos eletrodos. No entanto, como os elétrons possuem uma massa muito inferior à dos cátions, atingem mais rapidamente o ânodo, podendo, nesse processo, em função da diferença de potencial aplicada, ganhar energia cinética suficiente para provocarem mais ionizações durante o seu trajeto, a chamada ionização secundária. Inicia-se assim um processo de multiplicação de cargas.

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Em dispositivos contadores que contenham gases puros, os íons positivos podem migrar por um longo caminho, antes de serem neutralizados ao chegar ao cátodo, onde se combinam com os elétrons do metal. Existem dois mecanismos através dos quais um elétron adicional pode ser emitido como resultado desta neutralização: Este elétron adicional resultará em outra descarga, ao menos que algo previna isso, ou seja, que esse processo seja extinto (quenching). Essa descarga múltipla pode ser evitada através do circuito externo ao tubo GM. O circuito causará o quenching, desde que a resistência do circuito seja aumentada para cerca de 10 8 {\displaystyle 10^{8}} ohms ou maior. Com esta disposição, a tensão entre o cátodo e o coletor cai abaixo do valor necessário para manter a descarga, por causa do acumulo de elétrons no colector. Isto é possível pelo fato de que a constante de tempo do circuito de entrada é longo quando comparado com o tempo de recolhimento dos íons positivos. Este circuito tem a grande desvantagem de ter longos tempos de resolução, estes sendo da ordem de milissegundos ou superior.