thumb|500px|Diagrama de la formación de pares iónicos, con la corriente de iones en un eje, y en el otro el voltaje aplicado en un detector de radiación cilíndrico de gas con un ánodo en forma de alambre central. El tubo Geiger-Müller o tubo G-M es el elemento de detección del instrumento denominado contador Geiger utilizado para la detección de radiación ionizante. Debe su nombre a Hans Geiger, que descubrió el principio en 1908, y a Walter Müller, que colaboró con Geiger en el desarrollo técnico en 1928 para producir un tubo práctico que podía detectar numerosos tipos de partículas radiactivas diferentes.Véase también:
Es un tipo de detector de ionización gaseosa que utiliza el fenómeno de la avalancha de Townsend para producir un pulso electrónico fácilmente detectable a partir de algo tan mínimo como un solo evento ionizante debido a la presencia de una partícula de radiación. Se utiliza para la detección de la radiación gamma, rayos X, y las partículas alfa y beta. También puede ser adaptado para detectar neutrones. El tubo opera en la región "Geiger" del par generador de iones, de acuerdo con el gráfico adjunto que muestra la corriente de iones contra el voltaje aplicado en un detector gaseoso.
Si bien es un detector robusto y de bajo coste, el tubo G-M no es capaz de medir altas tasas de radiación de manera eficiente, tiene una vida finita en las zonas de alta radiación y es incapaz de medir la energía de la radiación incidente, por lo que no se puede generar información espectral y no permite discriminar el tipo de radiación detectada.
Principio de funcionamiento thumb|300px|Visualización de la propagación de las avalanchas de Townsend desencadenadas por fotones ultravioleta. Este mecanismo permite que un único evento ionizante, ionice a su vez todo el gas alrededor del ánodo, desencadenando múltiples avalanchas. thumb|300px|Detection de rayos gamma de alta energía en un tubo blindado. Los electrones secundarios generados en el revestimiento pueden alcanzar el gas del tubo produciendo avalanchas. Avalanchas múltiples omitidas para una mayor claridad El tubo se compone de una cámara llena de un gas inerte a baja presión (de aproximadamente 0,1 atmósferas). Esta contiene dos electrodos, entre los cuales existe una diferencia de potencial de varios cientos de voltios. Las paredes del tubo son o bien de metal o tienen su superficie interior recubierta con un conductor para formar el cátodo, mientras que el ánodo es un hilo en el centro de la cámara.
Cuando la radiación ionizante golpea el tubo, algunas moléculas del gas se ionizan, ya sea directamente por la radiación incidente o indirectamente por medio de los electrones secundarios producidos en las paredes del tubo. Esto crea iones cargados positivamente y electrones libres, conocidos como pares de iones en el gas que llena la cápsula cilíndrica. El fuerte campo eléctrico creado por los electrodos del tubo acelera los iones positivos hacia el cátodo y los electrones hacia el ánodo. Cerca del ánodo, en la "región de avalancha" los electrones ganan energía suficiente para ionizar las moléculas de gas adicionales y crear un gran número de avalanchas de electrones que se extienden a lo largo del ánodo y movilizan eficazmente toda la región de avalancha. Este es el efecto "multiplicador del gas", característica clave del tubo para que sea capaz de producir un impulso de salida significativo a partir de tan solo un único evento ionizante.Glenn F Knoll. Radiation Detection and Measurement, third edition 2000. John Wiley and sons, ISBN 0-471-07338-5
Considerando sólo una avalancha a partir del evento ionizante original, entonces el número de moléculas excitadas sería del orden de 106 a 108. Sin embargo, en la práctica resulta la producción de avalanchas múltiples, con un factor de multiplicación aún mayor que puede producir alrededor de 109 a 1010 pares de iones. La creación de múltiples avalanchas se debe a la producción de fotones ultravioletas en la avalancha original, que no se ven afectados por el campo eléctrico y se mueven lateralmente con respecto al eje del ánodo para provocar nuevos eventos ionizantes por colisión con las moléculas del gas. Estas colisiones producen nuevas avalanchas, que a su vez producen más fotones, y por lo tanto más avalanchas en una reacción en cadena que se extiende lateralmente a través del gas de relleno, y envuelve el cable del ánodo. El diagrama adjunto muestra este proceso de forma gráfica. La velocidad de propagación de las avalanchas es típicamente 2-4 cm por microsegundo, de manera que para los tamaños comunes de tubos, la ionización completa del gas alrededor del ánodo tarda sólo unos microsegundos.
Este breve intenso pulso de corriente, se puede medir como un evento contable en forma de un pulso de voltaje desarrollado a través de una resistencia eléctrica externa que puede ser del orden de voltios, haciendo así más sencillo el procesamiento electrónico.
La descarga termina por el efecto colectivo de los iones positivos creados por las avalanchas. Estos iones tienen menor movilidad que los electrones libres debido a su mayor masa y permanecen en la zona del alambre del ánodo. Esto crea una "carga espacial", que contrarresta el campo eléctrico que es necesario para la generación de una avalancha continua. Para una geometría del tubo particular y una tensión de funcionamiento dada, el final de este proceso siempre se produce cuando se ha creado un cierto número de avalanchas, por lo tanto, los pulsos desde el tubo siempre son de la misma magnitud, independientemente de la energía de la partícula iniciadora. En consecuencia, no hay información sobre la energía de radiación en los pulsos, lo que significa que el tubo Geiger-Muller no puede ser utilizado para generar información espectral de la radiación incidente.
La presión del gas de llenado es importante en la generación de avalanchas. Una presión demasiado baja reduce la eficiencia de la interacción con la radiación incidente. Con una presión demasiado alta, el "recorrido libre medio" para las colisiones entre electrones acelerados y el gas de llenado es demasiado pequeña, y los electrones no pueden reunir suficiente energía entre cada colisión para causar ionización del gas. La energía adquirida por los electrones es proporcional a la relación "e/p", donde "e" es la intensidad del campo eléctrico en ese punto en el gas, y "p" es la presión del gas.
Tipos de tubo En términos generales, hay dos tipos principales de construcción de tubo Geiger.
Tipo de ventana final thumb|Esquema de un contador Geiger con tubo del tipo de "ventana final" para radiaciones poco penetrantes. Se utiliza un altavoz como indicador Para las partículas alfa, partículas beta de baja energía y rayos X de baja energía, la forma habitual es un tubo cilíndrico con una pequeña ventana. En este tipo de tubo la ventana se suele situar en una de las bases del cilindro, y se recubre de un material delgado a través del que puede pasar fácilmente la radiación de baja penetración. La mica es un material utilizado comúnmente debido a su baja masa por unidad de área. En el otro extremo se encuentra la conexión eléctrica con el ánodo.
Tubo "pancake" thumb|right|Tubo G–M tipo pancake, donde se puede ver el ánodo circular concéntrico. El tubo pancake es una variante del tubo de ventana final, diseñado para su uso para controlar la contaminación beta y gamma. Tiene más o menos la misma sensibilidad a las partículas que el tipo de ventana final, pero tiene una forma anular plana (de ahí la denominación de pancake; tortita en español) similar a un disco, con lo que el área de la ventana es más grande y se puede utilizar con un mínimo espacio para el gas. Al igual que el tubo cilíndrico de ventana final, la mica es un material utilizado comúnmente en la ventana debido a su bajo peso por unidad de área. El ánodo es normalmente multi-cable con círculos concéntricos, de modo que se extiende completamente a través del espacio del gas.
Tipo de ventanas Este tipo general es distinto al tipo de ventana final, pero tiene dos subtipos principales, que utilizan diferentes mecanismos de interacción con la radiación para obtener el recuento.
De pared gruesa thumb|Una selección de tubos G-M de pared gruesa para la detección de rayos gamma. El mayor tiene un anillo de compensación de energía; los otros no están compensados energéticamente Se utiliza para la detección de rayos gamma de alta energía. Este tipo generalmente tiene un espesor de pared total de aproximadamente 1-2 mm de acero al cromo. Debido a que la mayoría de los fotones gamma de alta energía pasará a través del gas de relleno de baja densidad sin interactuar, el tubo utiliza la interacción de los fotones en las moléculas del material de la pared para producir electrones secundarios de alta energía dentro de la pared. Algunos de estos electrones se producen suficientemente cerca de la pared interior del tubo para escapar en el gas de llenado. Tan pronto como esto sucede, la deriva de electrones al ánodo y una avalancha de electrones se produce como si el electrón libre hubiera sido creado dentro del gas. La avalancha es un efecto secundario de un proceso que se inicia dentro de la pared del tubo; y la avalancha no es el efecto de la radiación directamente en el propio gas.
De pared delgada Los tubos de paredes delgadas se utilizan para: Detección beta de alta energía, en el que la radiación beta entra a través del lado del tubo e interactúa directamente con el gas, pero la radiación tiene que ser lo suficientemente energética como para penetrar en la pared del tubo. La radiación beta de baja energía, que penetraría por una ventana final, sería detenida por la pared del tubo. Gamma de baja energía y detección de rayos X. Los fotones de energía más baja interactúan mejor con el gas de relleno, por lo que este diseño se centra en el aumento del volumen del gas de llenado mediante el uso de un tubo de pared larga y delgada y no utiliza la interacción de fotones en la pared del tubo. La transición del diseño de pared fina a pared gruesa tiene lugar en los niveles de energía de los 300-400 keV. Por encima de estos niveles se utilizan diseños de paredes gruesas, y por debajo de estos niveles el efecto directo de ionización del gas es predominante.
Detectores de neutrones Los tubos G-M no detectarán neutrones, ya que estos no ionizan el gas. Sin embargo, pueden ser producidos los tubos sensibles a los neutrones ya sea recubriendo sus paredes interiores con boro, o utilizando como gas de relleno trifluoruro de boro o helio-3. Los neutrones interactúan con los núcleos de boro, produciendo partículas alfa, o directamente con los núcleos de helio-3 que producen iones de hidrógeno, electrones y tritio. Estas partículas cargadas inician a continuación el proceso de avalancha normal.
Mezclas de gases El componente principal de la mezcla de relleno es algún gas inerte, como el helio, el argón o el neón. En algunos casos se utiliza la denominada mezcla Penning, y un gas de "extinción o moderador" compuesto por entre un 5 a 10% de un vapor orgánico, o un gas halógeno para evitar pulsaciones múltiples. El tubo G-M-halógeno fue inventado por Sidney H. Liebson en 1947 y tiene varias ventajas sobre los tubos con gases mezclados. El tubo de descarga de halógeno aprovecha un estado metaestable del átomo de gas inerte para ionizar más fácilmente las molécula del halógeno que un vapor orgánico, permitiendo al tubo operar con voltajes mucho más bajos, típicamente de 400-600 voltios en lugar de 900-1200 voltios. También tiene una vida más larga que los tubos moderados con compuestos orgánicos, debido a que los iones de halógeno pueden recombinarse, mientras que el vapor orgánico se destruye gradualmente durante el proceso de descarga (dando este último una vida de alrededor de 108 eventos). Por estas razones, el tubo relleno de halógeno es ahora el más común.
Meseta Geiger