La pequeña amplitud de pulso que se encuentra en las cámaras de iones se puede remediar utilizando detectores llenos de gas de una manera diferente. Un contador proporcional utiliza el fenómeno de la multiplicación de gases para aumentar el tamaño del pulso en factores de cientos o miles. Como resultado, los pulsos de contador proporcional están en el rango de milivoltios en lugar de microvoltios y, por lo tanto, se pueden procesar mucho más fácilmente.

La multiplicación de gas es una consecuencia del movimiento de un electrón libre en un campo eléctrico fuerte. Cuando la fuerza del campo está por encima de aproximadamente 104 voltios por centímetro, un electrón puede ganar suficiente energía entre colisiones para causar ionización secundaria en el gas. Después de tal colisión ionizante, existen dos electrones libres en lugar del original. En un campo eléctrico uniforme en estas condiciones, el número de electrones crecerá exponencialmente a medida que se dibujen en una dirección opuesta a la del campo eléctrico aplicado. El crecimiento de la población de electrones termina solo cuando alcanzan el ánodo. La producción de tal lluvia de electrones se denomina avalancha de Townsend y se desencadena por un solo electrón libre. El número total de electrones producidos en la avalancha puede alcanzar fácilmente 1.000 o más, y la cantidad de carga generada en el gas también se multiplica por el mismo factor. La avalancha de Townsend tiene lugar en un lapso de tiempo de menos de un microsegundo bajo las condiciones típicas presentes en un contador proporcional. Por lo tanto, esta carga adicional contribuye normalmente al pulso que se observa a partir de la interacción de un cuántico incidente único.

En un contador proporcional, el objetivo es que cada electrón libre original que se forma a lo largo de la trayectoria de la partícula cree su propia avalancha Townsend individual. Por lo tanto, se forman muchas avalanchas para cada partícula cargada incidente. Uno de los objetivos de diseño es mantener cada avalancha del mismo tamaño para que la carga total final que se crea permanezca proporcional al número de pares de iones originales formados a lo largo de la pista de partículas. La proporcionalidad entre el tamaño del pulso de salida y la cantidad de energía perdida por la radiación incidente en el gas es la base del término contador proporcional.

Prácticamente todos los contadores proporcionales se construyen utilizando un ánodo de alambre de pequeño diámetro colocado dentro de un cátodo más grande, típicamente cilíndrico, que también sirve para encerrar el gas. En estas condiciones, la intensidad del campo eléctrico no es uniforme y alcanza grandes valores en las inmediaciones de la superficie del cable. Casi todo el volumen del gas se encuentra fuera de esta región de campo alto, y los electrones se forman en una posición aleatoria en el gas por la deriva de radiación incidente hacia el cable sin crear ionización secundaria. A medida que se acercan al cable, se someten al campo eléctrico en continuo aumento, y eventualmente su valor se vuelve lo suficientemente alto como para causar el inicio de una avalancha de Townsend. La avalancha crece hasta que todos los electrones llegan a la superficie del alambre. Como casi todas las avalanchas se forman bajo condiciones de campo eléctrico idénticas, independientemente de la posición en el gas donde se formó originalmente el electrón libre, se cumple la condición de que sus intensidades sean las mismas. Además, la alta intensidad de campo eléctrico necesaria para la formación de avalanchas se puede obtener utilizando voltajes aplicados entre el ánodo y el cátodo de no más de unos pocos miles de voltios. Cerca de la superficie del cable, la intensidad del campo eléctrico varía inversamente con la distancia desde el centro del cable, por lo que existen valores de campo extremadamente altos cerca de la superficie si el diámetro del cable se mantiene pequeño. El tamaño del pulso de salida aumenta con el voltaje aplicado al tubo proporcional, ya que cada avalancha es más vigorosa a medida que aumenta la fuerza del campo eléctrico.

Para sostener una avalancha de Townsend, las cargas negativas formadas en ionización deben permanecer como electrones libres. En algunos gases hay una tendencia a que las moléculas de gas neutro capten un electrón extra, formando así un ion negativo. Debido a que la masa de un ion negativo es miles de veces mayor que la masa de un electrón libre, no puede ganar suficiente energía entre colisiones para causar ionización secundaria. Los electrones no se adhieren fácilmente a moléculas de gas noble, y el argón es una de las opciones comunes para el gas de relleno en contadores proporcionales. Muchas otras especies de gas también son adecuadas. Sin embargo, el oxígeno se une fácilmente a los electrones, por lo que el aire no se puede usar como gas de relleno proporcional en circunstancias normales. Por lo tanto, los contadores proporcionales deben estar sellados contra fugas de aire o funcionar como detectores de flujo de gas continuo en los que cualquier contaminación del aire se expulsa del detector al hacer circular continuamente el gas de llenado a través del volumen activo.

Para contadores proporcionales de tamaño normal, solo las partículas cargadas pesadas u otras radiaciones de penetración débil pueden detenerse completamente en el gas. Por lo tanto, se pueden usar para mediciones de energía de partículas alfa, pero no para partículas beta de mayor alcance u otros electrones rápidos. Los electrones de baja energía producidos por las interacciones de rayos X en el gas también pueden detenerse por completo, y los contadores proporcionales también encuentran aplicación como espectrómetros de rayos X. A pesar de que los electrones rápidos no depositan toda su energía, el proceso de multiplicación de gases resulta en un pulso que generalmente es lo suficientemente grande como para registrar, y por lo tanto, los contadores proporcionales se pueden usar en sistemas de conteo simples para partículas beta o rayos gamma.

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