Come calibrare e usare una camera a ionizzazione

La camera a ionizzazione è un tipo di rivelatore che rileva vari tipi di radiazioni ionizzanti: radiazioni particellari (alfa e beta) o fotoniche (raggi gamma e X). Tuttavia, proprio a seconda del tipo di radiazione che si intende rivelare, variano le modalità di utilizzo, di indicazione delle misure rilevate, di calibrazione. In questo articolo vedremo quindi come si usa in pratica una camera a ionizzazione come quelle che possiamo facilmente autocostruire, in modo da trarre il meglio da tale strumento, che di fatto è perfettamente complementare ai contatori Geiger ed ai rivelatori a scintillazione.

I raggi gamma hanno pochissimi problemi a penetrare nelle pareti metalliche di una camera a ionizzazione. Pertanto, questi strumenti possono essere utilizzati per rilevare radiazioni gamma e raggi X, cioè fotoni di alta energia, e per questo viene usato un tubo senza finestrella (che serve invece per rivelare particelle beta e alfa). Le camere di ionizzazione hanno una buona risposta uniforme alle radiazioni su una vasta gamma di energie e sono i mezzi preferiti per misurare alti livelli di radiazioni gamma.

Le camere a ionizzazione sono strumenti eccellenti per la quantificazione dei livelli di radiazione X e/o gamma di pochi mR/ora o più. Sono anche eccellenti per discriminare tra radiazione di fotoni e di particelle beta misurando accuratamente entrambi i componenti. Sono anche lo strumento migliore disponibile per quantificare alti livelli di X, gamma e radiazione beta. Non dovrebbero essere invece utilizzate abitualmente per scansione di superficie o per personale o attrezzature che si muovono.

Una camera a ionizzazione realizzata da Pierre Curie nel 1895.

Le camere a ionizzazione pressurizzate sono più sensibili ai bassi tassi di esposizione, ma potrebbero essere troppo grandi per venire facilmente utilizzate come strumenti portatili, e con esse non è possibile discriminare tra radiazione beta e gamma, e generalmente devono essere lasciate in posizione per molte ore o giorni al fine di fare una misura. Le camere a ionizzazione possono essere usate anche per misurare i livelli di radiazioni alfa, cioè di particelle alfa (ovvero nuclei di elio).

Alcuni semplici test preliminari per lo strumento

Se realizziamo una camera a ionizzazione – di cui abbiamo illustrato i criteri di progettazione e costruzione nell’articolo Come costruire una camera a ionizzazione, che puoi trovare qui – sarà interessante testarla quantitativamente, per soddisfazione ma anche per cercare di perfezionarla. Allo scopo ci basteranno, in generale, misurazione relative, non assolute. Ma per un impiego un po’ più serio dello strumento, cioè per poter fare misurazioni assolute, occorrerà procedere alla sua calibrazione.

Innanzitutto, misuriamo il livello di “fondo”. Gli ioni sono presenti naturalmente nell’aria (2000-3000 ioni per cm3). Essi sono formati principalmente dal decadimento di elementi radioattivi presenti in tracce nell’aria, nel terreno o nei materiali da costruzione. Altre fonti includono la carica triboelettrica causata da cascate o onde oceaniche (principalmente piccoli ioni negativi), temporali (aumenti temporanei), il fuoco e, nella parte superiore dell’atmosfera, il passaggio di raggi cosmici e la radiazione solare.

Produzione di piccoli ioni nell’atmosfera a partire da molecole neutre.

Ogni frazione di secondo, dunque, i raggi cosmici spogliano gli elettroni da alcune delle molecole normalmente neutre nella nostra atmosfera. La ionizzazione è innescata anche dalla luce ultravioletta solare, dagli incendi e dal decadimento radioattivo di alcuni elementi. Questi processi lasciano alcune molecole d’aria cariche positivamente e contemporaneamente creano una nebbia diffusa di elettroni, ma tutte queste particelle sono estremamente scarse rispetto al totale.

Infatti, delle circa 2,5 x 1019 molecole che risiedono in ogni centimetro cubo d’aria all’interno della tua casa, solo un 200 portano una carica negativa in eccesso, mentre 250 sono caricate positivamente (le concentrazioni sono fino a 10 volte più alte all’esterno della casa). Gli ioni nell’aria all’interno della tua casa potrebbero generare nella camera a ionizzazione una corrente di soli 10-15 ampere, che per diventare un segnale rilevabile deve passare attraverso una resistenza enorme: di circa 10 gigaohm.

Quindi puoi usare la tua camera a ionizzazione autocostruita per misurare la ionizzazione di fondo. Quando sei pronto per utilizzare il tuo dispositivo, blocca prima l’apertura in modo che l’aria non passi. Alimenta il circuito di alta tensione e l’amplificatore. Il voltmetro potrebbe indicare, ad esempio, 0,2 millivolt, che corrisponde al valore di circa 200 ioni per centimetro cubo, e la lettura dovrebbe aumentare se si toglie il coperchio alla camera e si tiene una fiamma vicino all’ingresso.

Una fiamma può essere usata per produrre ioni e testare una camera aperta.

Il dispositivo dovrebbe rilevare circa il 60 percento degli ioni presenti, cioè i soli elettroni. Con una camera a ionizzazione ventilata, è possibile osservare come cambia il numero di ioni durante il giorno, nel corso dell’anno e durante i grandi temporali. Se la finestrella è trasparente, puoi provare a ionizzare l’aria con una lampada UV. E poiché il gas radon aumenta il numero di ioni in uno spazio chiuso, è possibile utilizzare questo rivelatore come metodo di test per questo elemento pericoloso.

Tipicamente, sono necessari 32,5-35 eV per produrre una coppia ione-elettrone nell’atmosfera, con una spesa media di 34 eV per coppia di ioni nella parte inferiore dell’atmosfera. Tali energie, pertanto, possono essere facilmente ottenute con una lampada UV o con un laser, che quindi possono essere impiegati, in alternativa o per semplice curiosità, per testare una camera a ionizzazione. Lascio a voi il compito di stimare la capacità di ionizzazione della luce UV-B (395 nm) o di un laser verde (532 nm) da 50 mW.

Qui mi limito solo a ricordare che l’energia di un singolo fotone dipende dalla sua lunghezza d’onda: ai 395 nm dei raggi UV, la sua energia è di 3,13 eV (e per gli UV-C di 4,7 eV), mentre ai 532 nm del laser verde è di 2,3 eV. In una fiamma, invece, la quantità di ionizzazione dipende dalla temperatura, tanto è vero che le fiamme a temperatura più alta contengono abbastanza elettroni e ioni liberati da poter essere considerate come un plasma. Nei fulmini, sono le forti correnti elettriche che causano la ionizzazione.

Una torcia a raggi UV può essere usata per ionizzare l’aria? Scopritelo sperimentalmente con la vostra camera a ionizzazione!

Si potrebbe testare lo strumento anche avvicinandolo alla macchina a raggi X di un dentista o ad un dispositivo medico che impiega raggi gamma o raggi X per la terapia. Il vantaggio nell’uso dei raggi X è che si potrebbe conoscere più precisamente la massima energia applicata e si potrebbe testare la macchina su bassi livelli di energia. Tuttavia, l’uso dei raggi X è sconsigliabile per una persona non esperta, e anche con le sorgenti radioattive occorre usare varie precauzioni (distanze, schermature, guanti, etc.).

Una camera a ionizzazione “a pozzo” calibrata viene comunemente usata per misurare l’attività (e il tempo di dimezzamento) degli isotopi radioattivi. A livello internazionale, questo è un potente strumento che consente al sistema di riferimento internazionale (SIR) di misurare gli emettitori di raggi γ e di stabilire e mantenere l’uniformità mondiale delle misurazioni della radioattività. Le camere di ionizzazione servono come standard secondario in molti laboratori di standard nazionali.

Calibrazione di una camera a ionizzazione

Le camere a ionizzazione, come tutti i rilevatori di radiazioni, devono venire calibrate prima di essere usate per la prima volta e poi di nuovo periodicamente. Questa operazione è spesso annuale, ma potrebbe essere più frequente in alcuni casi. Se viene effettuata una riparazione sostanziale allo strumento, come la sostituzione di un misuratore una modifica di una finestra beta di mylar, deve essere eseguita una ritaratura. La procedura di calibrazione è composta da due parti.

Un contatore di ioni commerciale.

Il primo passo di una calibrazione della camera a ionizzazione è la pre-calibrazione. Questo è un compito da effettuare per assicurarsi che lo strumento sia meccanicamente solido, sia correttamente “azzerato” con l’alimentazione disattivata, che la finestra beta non sia perforata, che le batterie e gli indicatori di controllo delle batterie funzionino regolarmente, che l’essiccante sia attivo. Il rilevatore viene poi esposto più volte a una sorgente della stessa intensità, per assicurarsi che risponda in modo coerente.

Nel secondo passo, la camera a ionizzazione viene esposta a un campo di radiazione noto, calibrato, uniforme, solitamente da Cesio-137 (isotopo radioattivo che è un forte emettitore gamma, oltre che di particelle beta), a intensità che fornirà misurazioni di circa il 20% e l’80% del fondo scala. La camera a ionizzazione viene regolata in modo che ciascuno di questi punti sia all’interno di un ± 10% del valore noto. La calibrazione di questi due punti viene eseguita su tutte le scale.

Un problema di fondo legato sia alla calibrazione che alla misurazione con le camere a ionizzazione è causato dal fatto che le particelle alfa sono più ionizzanti delle particelle beta e dei raggi gamma, quindi più corrente viene prodotta nella regione della camera di ionizzazione dagli alfa rispetto ai beta ed ai gamma. I raggi gamma depositano una quantità significativamente inferiore di energia nel rivelatore rispetto ad altre particelle. Perciò, dovrò calibrare la camera per ogni tipo di radiazione che mi interessa.

La diversa corrente di ionizzazione prodotta dai vari tipi di radiazione ionizzante nella “regione di ionizzazione” mostrata in figura.

Come sorgente di particelle beta, puoi usare il cloruro di potassio (KCl), un debolissimo emettitore beta: emette particelle beta nell’89% dei decadimenti, che sono β, e raggi gamma nel restante 11% dei decadimenti, che avvengono per cattura elettronica (EC). Per ogni data quantità di potassio, solo lo 0,012% è costituito dall’isotopo Potassio-40, che è quello radioattivo- L’attività è di 1,5 pCi/g di potassio, ovvero di 0,032 Bq/mg. Il potassio è anche la principale sorgente di radioattività naturale nell’uomo.

Affinché le particelle alfa e beta vengano rilevate dalle camere a ionizzazione, queste devono avere una finestra “terminale” sottile: cioè abbastanza sottile da consentire la penetrazione delle particelle alfa e beta. Tuttavia, una finestra di quasi qualsiasi spessore impedirà a una particella alfa di entrare nella camera. La finestra è di solito fatta di mica, con una densità di circa 1,5-2,0 mg/cm2. Ma ciò non significa che una radiazione alfa non possa essere rilevata da una camera di ionizzazione.

Ad esempio, in alcuni rilevatori di fumo, è possibile incontrare radionuclidi artificiali come l’Americio-241, che è una fonte di particelle alfa, e che in teoria potremmo usare per la calibrazione della camera a ionizzazione per quanto riguarda le particelle alfa. Il rilevatore di fumo ha due camere di ionizzazione, una aperta all’aria e una camera di riferimento che non consente l’ingresso di particelle. La fonte radioattiva emette in entrambe le camere particelle alfa, che ionizzano alcune molecole d’aria.

Un rivelatore di fumo che utilizza l’Americio-241. 

La camera ad aria libera consente l’ingresso di particelle di fumo nel volume sensibile e, di conseguenza, modificare l’azione delle particelle alfa. Se infatti eventuali particelle di fumo entrano nella camera d’aria libera, alcuni degli ioni si legheranno alle particelle di fumo e non saranno disponibili per trasportare la corrente in quella camera. Un circuito elettronico rileva che si è sviluppata una differenza di corrente tra le camere aperte e le camere sigillate e fa scattare l’allarme.

Dato che le camere a ionizzazione sono sensibili alla temperatura e alla pressione atmosferica, è importante che una camera a ionizzazione venga calibrata in condizioni che riflettano almeno in modo approssimato le condizioni alle quali sara utilizzata. In alternativa, possono venire applicati fattori di correzione ottenuti dal produttore, per tener conto della diversa altitudine, pressione atmosferica e temperatura, ovvero delle diverse condizioni meteorologiche.

La misurazione dei raggi gamma o X e delle particelle beta

L’efficienza di una camera a ionizzazione nel rivelare la radiazione gamma (ad es. per il monitoraggio ambientale) può essere ulteriormente aumentata mediante l’uso di un gas ad alta pressione. Tipicamente si può usare una pressione di 8-10 atmosfere e si impiegano vari gas nobili. La pressione più elevata determina una maggiore densità del gas e quindi una maggiore possibilità di collisione con il gas di riempimento e la creazione della coppia ionica a causa della radiazione gamma incidente.

Un esempio di camera a ionizzazione pressurizzata.

Poiché il roentgen (R) è definito solo per la radiazione gamma e X, un’unità diversa deve essere utilizzata nella misurazione dell’esposizione da campi di radiazione beta. Questa unità è il rad (che sta per “dose assorbita dalle radiazioni” — poiché è tecnicamente una dose assorbita, non una velocità di esposizione). Pertanto, i campi di radiazione beta vengono misurati in rad/ora o mrad/ora, non R/h o mR/ora, nonostante ciò che possa essere stampato sul quadrante del rivelatore.

Quindi, all’apparenza sembrerebbe che, per determinare la componente beta di un campo di radiazione, basti semplicemente sottrarre il tasso di esposizione misurato con la finestra beta chiusa dal tasso di esposizione misurato con la finestra beta aperta. La componente gamma sarebbe riportata in mR/ora o R/ora e il componente beta in mrad/ora o rad/ora. Sfortunatamente, però, un fattore deve essere applicato alla componente beta per due motivi, come ora vedremo.

Innanzitutto, per una camera a ionizzazione calibrata su un campo di fotoni, la risposta non sarà identica a quella dovuta a una campo beta. In secondo luogo, i tassi di esposizione ai fotoni sono misurati per il centro del volume della camera a ionizzazione, mentre i tassi di esposizione beta vengono misurati per la finestra d’ingresso della camera a ionizzazione. Ciò in modo tale che il potenziale per la dose beta sulla pelle (o sulla lente dell’occhio) di un lavoratore possa essere valutato.

La risposta tipica di una camera di ionizzazione ai fotoni (gamma e X).

Un fattore di correzione beta (CF), in unità di rad/R, deve essere applicato alla differenza tra le letture della finestra aperta e chiusa. Il CF di solito può essere ottenuto dal produttore, ma è generalmente dell’ordine di 3-5. Inoltre, le camere a ionizzazione non dovrebbero essere generalmente utilizzate per  valutare piccoli punti di contaminazione da beta (ad es. più piccoli dell’area della finestra beta); la velocità di dose assorbita indicata sarà inferiore al vero tasso di dose assorbita.

Come esempio pratico della misurazione di gamma e beta, utilizzando una camera Ludlum Mod. 9 (CF = 3,7 rad / R), la misura in contatto con il pavimento, con la finestra aperta, è 65 mR/ora. Nello stesso punto, con la finestra chiusa, la misurazione è di 35 mR/ora. Quanto valgono le componenti gamma e beta? La componente gamma è quella lettura eseguita con la finestra chiusa, o 35 mR / ora al centro del rivelatore. La componente beta, invece, è alla finestra d’ingresso e vale:

La camera di ionizzazione può essere utilizzata, ad esempio, per la misurazione del trizio nell’aria. Questi dispositivi sono noti come “monitor del trizio in aria”. Il trizio è un isotopo radioattivo, ma emette solo deboli particelle beta. È un emettitore beta puro, ovvero è un emettitore beta senza una radiazione gamma associata. L’energia cinetica dell’elettrone varia, con una media di 5,7 keV, mentre l’energia rimanente viene trasportata dall’antineutrino elettronico quasi non rilevabile.

Un’energia così bassa degli elettroni fa sì che le particelle beta del trizio possano penetrare solo circa 6,0 mm di aria. È praticamente impossibile progettare un rivelatore le cui pareti possano essere penetrate da queste particelle beta. Pertanto, il monitor del trizio nell’aria pompa l’aria contaminata dal trizio attraverso la camera di ionizzazione, in modo che tutta l’energia delle particelle beta possa essere utilmente convertita per produrre coppie di ioni all’interno della camera.

La concentrazione di trizio nell’atmosfera è stata massima negli anni Sessanta, a seguito dei numerosi test nucleari svolti in quel periodo.

Uso pratico di una camera a ionizzazione

Le camere a ionizzazione sono ideali per le situazioni di alta esposizione e sono davvero l’unico strumento adatto quando lo spettro di energia del campo di radiazione è composto da fotoni di bassa energia, o è composto da una sconosciuta o complessa serie di energie dei fotoni. Ci sono però alcuni elementi che occorre tenere a mente. Il primo è che alcune camere a ionizzazione richiedono un tempo di riscaldamento di circa cinque minuti per stabilizzare la tensione applicata al rivelatore.

Assicurati perciò di consentire alla camera a ionizzazione di riscaldarsi prima dell’uso se il relativo manuale operativo lo richiede. Alcuni strumenti riescono a superare questo periodo di riscaldamento utilizzando una seconda batteria (installata in modo permanente sul circuito) per mantenere la camera sotto tensione per tutto il tempo. Se acquisti una camera ionica che non necessita di un tempo di riscaldamento superiore a qualche secondo, assicurati che abbia una funzione per testare il “potenziale di raccolta”.

Una volta che la camera a ionizzazione è stata accesa (e riscaldata), lo strumento deve essere “azzerato” elettronicamente. Ciò è fatto portando lo strumento in una zona a bassa radiazione, impostando lo strumento sulla scala più sensibile, e regolando la manopola “zero” finché l’ago (o l’indicatore digitale) non indica zero. Questa funzione può essere utilizzata anche per sottrarre il “fondo”. Un controllo con una sorgente dovrebbe essere eseguito ogni volta che lo strumento viene acceso.

Una nota camera a ionizzazione commerciale.

La maggior parte dei problemi con le camere a ionizzazione viene dal non cambiare (o rigenerare) l’essiccante abbastanza frequentemente. L’essiccante è di solito situato all’interno dello strumento, direttamente collegato al rivelatore. L’aria espulsa dentro e fuori la camera a ionizzazione passa attraverso l’essiccante, che cambia colore (spesso dal blu al rosa) in quanto assorbe l’umidità. L’essiccante dovrebbe venire controllato frequentemente e cambiato regolarmente.

Un noto essiccante utilizzabile nelle camere a ionizzazione è il gel di silice arancione, che cambia colore quando assorbe l’umidità. L’essiccante di una camera a ionizzazione può essere rigenerato da sé mediante essiccazione in forno a 150 °C per un paio d’ore. Non riuscire a mantenere l’essiccante secco in una camera a ionizzazione può causare una mancata risposta alle radiazioni. Si noti che la ricalibrazione dello strumento non è necessaria dopo la modifica dell’essiccante.

Il gel di silice ed il suo cambiamento di colore man mano che assorbe l’umidità.

L’altro problema comune riscontrato con le camere a ionizzazione è una finestra beta forata. Una camera a ionizzazione con una finestra beta forata non può essere considerata funzionare correttamente. Evita di avere forature nella finestra beta conservando e trasportando lo strumento con la finestra chiusa e l’estremità del tubo coperta dal tappo, e facendo attenzione quando la finestra è aperta. Se una finestra forato viene sostituita, deve essere eseguita una ricalibrazione.

Non utilizzare camere a ionizzazione con ventilazione in presenza di gas o vapori radioattivi, poiché questi migreranno nella camera del rivelatore. Anche una piccola quantità di gas radioattivo o la presenza di vapore radioattivo nella camera a ionizzazione causerà un aumento del livello di fondo (background) e invaliderà i risultati della misurazione. Anche la presenza dell’essiccante non garantire la prevenzione del fatto che del vapore al trizio possa entrare nella camera.

Infine, a differenza dei contatori Geiger-Muller, la maggior parte delle camere a ionizzazione non hanno una risposta audio perché il tasso di esposizione alla radiazione ionizzante è determinato in termini di grandezza della corrente elettrica piuttosto che in conteggi o impulsi. Un produttore (Ludlum) fornisce una risposta audio di “imitazione”. In questo, si può sentire un clic regolare, la cui frequenza è proporzionale al tasso di esposizione. Questa funzione è spesso desiderabile.