miniatura|Un contador Geiger-Müller de tipo banco en "dúas pezas", que utiliza un detector cilíndrico de ventá frontal conectado a un módulo electrónico con lectura analóxica. O contador Geiger, tamén coñecido como detector Geiger ou contador Geiger-Müller, é un dos primeiros e máis simples instrumentos electrónicos capaces de detectar e medir radiación ionizante. A detección desta radiación realízase mediante o efecto de ionización producido nun tubo Geiger-Müller, que lle da nome a este detector de partículas. miniatura|Contador Geiger en calma. miniatura|Son de alerta do contador Geiger. É usado en ámbitos como a protección radiolóxica, a física experimental, a industria nuclear e a dosimetría radioactiva. É un instrumento particularmente célebre debido aoseu extenso uso como instrumento portátil para medir radiación, xa que debido á súa sinxeleza é moi barato de producir. Debido a isto, tamén se ten chamado coloquialemente a todo tipo de dosímetro como “contador Geiger”, aínda que este non sexa exactamente un dosímetro.
Aínda que xa apenas se emprega como detector na investigación punteira de física de partículas debido á súa simpleza, a súa invención a inicios do século XX supuxo un salto cualitativo na detección de partículas. Dende entón iniciouse unha carreira para desenvolver novos e mellores detectores de partículas que chega ata a actualidade, dando como resultado grandes hitos tecnolóxicos como os colosais detectores do CERN.
Historia miniatura|Contador de partículas de Rutherford e Geiger (1908). As partículas alfa procedentes dunha fonte no tubo de disparo (firing tube) permitíanse pasar a través da abertura "D" cara ao recipiente de detección, que era un tubo de latón con un fío coaxial central "B" a un potencial relativo de 1320 voltios de corrente continua. A abertura tiña unha ventá de mica para que o recipiente de detección puidese funcionar a unha presión absoluta de 2-5 mm de mercurio. Estas condicións permitían a creación dunha descarga de Townsend para cada partícula alfa que entraba no recipiente. A taxas de conteo moi baixas, estas rexistrábanse como "impulsos" (kicks) na agulla dun electrómetro. Hans Wilhelm Geiger estudou física e matemáticas na Universidade Friedrich-Alexanders de Erlangen, Baviera. O 23 de xullo de 1906 expuxo a súa tese de doutoramento nesta mesma universidade sobre o estudo de descargas eléctricas a través de gases.
Pouco tempo despois recibiu unha bolsa de investigación da Victoria University of Manchester (actual Universidade de Manchester) e comezou a traballar como asistente de Arthur Schuster. En 1907 Schuster xubilouse, e Geiger comezou a traballar co seu sucesor, Ernest Rutherford. Un ano despois, Geiger e Ernest Marsden realizaron baixo a dirección de Rutherford o famoso experimento da lámina de ouro. Aínda que este experimento é coñecido por permitir a Rutherford presentar un novo modelo atómico, que lle levou a gañar o Premio Nobel de Química de 1908, durante o seu desenvolvemento tiveron que deseñar un detector primitivo de partículas alfa. miniatura|Ernest Rutherford (á dereita) e Hans Geiger no laboratorio de física da Universidade de Manchester (arredor de 1912). Durante os anos seguintes seguiron refinando este experimento, e en 1913 Geiger presentou unha versión mellorada do detector que deseñara con Rutherford, que permitía detectar partículas alfa e beta. Este aparello sería o prototipo do contador Geiger moderno e era coñecido como o “contador de punta” (Spitzenzähler). O funcionamento destes detectores de partículas baseábase na avalancha de Townsend, un fenómeno descuberto e estudado por John Sealy Townsend entre 1897 e 1901, que consistía na ionización de moléculas gaseosas debido a impactos con ións.
En 1914 Geiger volveu a Alemaña para proseguir as súas investigacións en radiación no Instituto Nacional Alemán de Ciencia e Tecnoloxía de Berlín. Non obstante, o inicio da Primeira Guerra Mundial obligouno a alistarse no exército como oficial de artillería. Tras a fin da guerra, Geiger retornou á vida académica, atopando postos primeiro na Universidade de Kiel e logo na Universidade de Tübingen, ata finalmente acadar unha cátedra de física na Technische Hochschule de Berlín en 1936.
Despois da guerra Geiger comezou a utilizar o seu “contador de punta” para realizar novos experimentos. Foi especialmente relevante o experimento Bothe-Geiger, realizado entre 1924 e 1925, no que empregou este aparello para confirmar o efecto Compton e de paso a existencia dos cuantos de luz, o que permitiu que Arthur Compton recibise o Premio Nobel de Física en 1927. miniatura|Tubo Geiger-Müller primitivo fabricado en 1932 por Hans Geiger para uso de laboratorio Foi durante a súa estadía en Kiel en 1928 cando Geiger e un dos seus estudantes de doutoramento, Walther Müller, colaboraron para mellorar o contador Geiger orixinal, aumentando a súa eficiencia, sensibilidade á radiación, durabilidade e portabilidade. Este aparello non só podía detectar mellor a radiación alfa e beta, senón que tamén a radiación gamma. Conseguiron crear un instrumento práctico para medir radiación que podía ser fabricado de forma relativamente barata. ademais, o sinal eléctrico de saída do tubo requería relativamente pouco procesamento electrónico. Na era das válvulas de baleiro supoñía unha clara vantaxe pola simpleza do mecanismo de conteo e o baixo consumo enerxético do dispositivo. Todos estes factores contribuíron á popularidade de este aparello como detector de radiación portátil.
Durante o resto da súa vida Geiger continuou empregando este aparello, e con el foi quen de descubrir os raios cósmicos, pero non seguiu mellorando o dispositivo. Foi en 1947 cando Sidney H. Liebson desenvolveu o contador Geiger moderno, que emprega gases halóxenos de quench no interior do tubo de Geiger-Müller. Isto permitiu aumentar a durabilidade do aparello e reducir a voltaxe de traballo.
Descrición e funcionamento Un contador Geiger consta principalmente de dous compoñentes: un tubo Geiger-Müller, o elemento sensible que detecta a radiación, e un sistema electrónico que procesa o sinal que sae do tubo, mostrando a medida. Este sistema electrónico non é especialmente complexo e a súa función non presenta complexidade dende o punto de vista da física do detector, polo que se estudará principalmente o deseño e funcionamento do tubo Geiger-Müller. miniatura|Esquema dun contador Geiger con tubo do tipo "ventá final" para radiacións pouco penetrantes. Emprégase un altavoz como indicador De forma xenérica, esta compoñente do dispositivo consiste nun tubo atravesado por un fío central que contén un gas, normalmente nobre. Nunha das bases do cilindro hai unha pequena abertura pola que entrará a radiación do medio. Tanto o tubo como o fío son metálicos, e estarán conectados a unha fonte de voltaxe. Cando o contador é acendido, aplicarase unha alta diferenza de potencial entre a parede interior do tubo, que actuará como cátodo (polo negativo), e o fío central, que actuará como ánodo (polo positivo). Deste xeito formarase un campo eléctrico moi forte dende o fío central cara o parede do tubo. miniatura|Visualización da propagación das avalanchas de Townsend mediante fotóns UV. Este mecanismo permite que un único evento ionizante ionice todo o gas que rodea o ánodo ao desencadear múltiples avalanchas O funcionamento do tubo de Geiger-Müller baséase no principio de amplificación da ionización causada por partículas cargadas nun medio gaseoso. Cando unha partícula ionizante entra pola abertura do cilindro, ioniza os átomos do gas, é dicir, arráncalles electróns. O campo eléctrico produce unha forza eléctrica que acelera ás partículas cargadas dentro do tubo. Os electróns veranse atraídos polo fio central, mentres que os ións se dirixirán cara a parede interior do tubo. En función da intensidade do campo, os electróns poderán acadar a enerxía suficiente como para ionizar outros átomos durante o seu traxecto cara o fío. É dicir, que a partir de certo voltaxe aplicado aotubo, os electróns liberados pola radiación poden ionizar outros átomos, creando unha reacción en cadea coñecida como avalancha de Townsend. Pola súa parte, os ións que se dirixen ao cátodo neutralízanse ao combinarse cos electróns do material.
Polo tanto, se a voltaxe é suficiente, toda partícula ionizante producirá unha avalancha de electróns que saturará o detector. Cando esta avalancha chega aofío, xera un pulso eléctrico de magnitude constante (idealmente, no sistema real existen factores que alteran isto), independentemente do tipo de partícula que entrou no tubo e da súa enerxía. Entón é cando a electrónica do dispositivo mide estes sinais, contabilizando así as partículas que entran dentro do detector.
Isto influencia de forma notable a lectura das medidas que fai o aparello. O que o contador Geiger contabiliza é o número de eventos ionizantes detectados, e polo tanto as medidas serán taxas de conteo. É dicir, ofrece o número de contas que fai nun certo espazo de tempo. Xeralmente as unidades da medida son contas por segundo ou contas por minuto. Máis difícil de conseguir é que mostre a dosis de radiación que está recibindo, especialmente importante cando se traballa con radiación moi enerxética, como a radiación gamma. Os contadores Geiger poden detectar radiación, pero non a súa enerxía. Por este motivo deseñáronse tubos Geiger-Müller con compensación de enerxía, onde a dose medida polo aparello está directamente relacionada co número de contas medidas.
Aínda que o funcionamento básico do detector é sinxelo de entender, cando se observan os detalles destes fenómenos pódense descubrir algúns problemas que hai que ter en conta para facer unha boa medida. A resolución destes problemas foi o que mellorou a efectividade deste aparello aolongo da historia. A continuación poderanse ver as cuestións máis importantes a estudar deste aparello.
Curva característica A diferenza de potencial do detector debe elixirse de xeito que o campo eléctrico creado sexa suficiente como para que as partículas ionizantes xeren avalanchas de Townsend, pero non tanto como para xerar unha descarga continua de electróns.
Na práctica, a elección desta voltaxe de traballo realízase tras estudar a curva característica de resposta do detector. Para trazar esta curva trabállase cunha fonte de radiación que xera eventos a un ritmo constante dentro do tubo. Pódese usar unha fonte radioactiva coñecida ou a radiación de fondo. Entón comézase a medir a taxa de conteo mentres a voltaxe aplicada aotubo se vai aumentando dende un valor inicial baixo. miniatura|Curva característica de resposta dun tubo Geiger-Müller ante unha radiación constante fronte á variación da voltaxe do tubo Ao representar estas medicións pódese comprobar como o tubo non detecta absolutamente nada para voltaxes baixas, ata que a partir dunha voltaxe inicial se comezan a contar eventos dentro do aparello. Entón, a taxa de conteo crece moi rapidamente e chega a un valor máximo que se mantén aproximadamente constante. Esta rexión é coñecida como a meseta do contador Geiger, e en principio calquera voltaxe dentro desta meseta sería unha voltaxe de traballo adecuada. Se se segue aumentando a diferencia de potencial, chegarase a un punto no que a meseta remata e a taxa de conteo volve a incrementarse rapidamente. Isto débese a que dentro do tubo se comezaron a producir descargas continuas de electróns.