Come costruire un rivelatore proporzionale

In questo articolo vedremo come si possa realizzare, usando una semplice lattina di birra e un’adeguata strumentazione elettronica, un rivelatore proporzionale a gas utilizzabile per acquisire spettri X e gamma da sorgenti radioattive nella regione 10-100 keV. Le particelle di questa energia, infatti, sono abbastanza alte per entrare nel rilevatore attraverso la parete della lattina e abbastanza basse affinché alcuni dei fotoni vengano assorbiti nel gas. La costruzione di questo rilevatore proposto da alcuni fisici è ideale per studenti delle università o per scienziati dilettanti che vogliono cimentarsi in questo campo.

Un rivelatore proporzionale a gas opera con lo stesso principio di una camera di ionizzazione, con l’aggiunta dell’amplificazione del gas, come illustrato nel nostro articolo Un rivelatore discriminatore: il contatore proporzionale, che trovi qui. Il campo elettrico radiale tra il catodo e l’anodo è generato applicando un’alta tensione positiva (HV) all’anodo. Un fotone o una particella carica che entra nella camera ionizza il gas e gli elettroni (ioni) si muovono verso l’anodo (catodo) inducendo un impulso elettrico.

Se la tensione applicata agli elettrodi è sufficientemente alta, nella regione vicino al filo dell’anodo si verificherà un campo elettrico sufficientemente forte di circa 100 kV/cm e di conseguenza anche una ionizzazione secondaria e valanghe di Townsend. Questo processo è comunemente indicato come “amplificazione del gas”. Tale amplificazione può aumentare l’altezza in tensione del segnale in uscita di un fattore 103, 104 o addirittura oltre, cadendo così nel range dei millivolt.

Figura schematica del contatore proporzionale proposto nel testo.

Il termine “proporzionale “indica che il numero totale di coppie elettrone-ione è proporzionale al numero delle coppie primarie di ioni e elettroni create dalla radiazione incidente. L’energia della radiazione incidente può essere misurata se si verifica esattamente una valanga per coppia primaria elettrone-ione. Una speciale miscela di gas, costituita principalmente da un gas nobile, viene utilizzata nei contatori proporzionali (e in quelli Geiger) per avere delle prestazioni ottimali.

I gas nobili, infatti, possono venire eccitati ed emettere fotoni che possono far rilasciare elettroni dal materiale del rilevatore attraverso l’effetto fotoelettrico. Questi elettroni causano ulteriori valanghe che possono distorcere il segnale primario. Per sopprimere tali impulsi spurii, vengono aggiunti alcuni gas molecolari anti-quenching, come l’anidride carbonica (CO2) o il metano. Una miscela di gas comunemente impiegata ha il 90% di argon, il 10% di metano, ed è nota come P-10.

Gli elettroni della valanga si spostano piuttosto rapidamente (<1 ns) verso l’anodo rispetto agli ioni positivi, molto più lenti (> 1 s). Ciò porta ad un rapido aumento del segnale causato dagli elettroni e ad un aumento molto più lento causato dagli ioni. L’ammontare della carica indotta dagli elettroni è però molto piccola rispetto alla quantità indotta dagli ioni. Per avere una carica proporzionale all’energia della radiazione, occorre che la tensione applicata agli elettrodi cada nel regime proporzionale.

Grafico dell’intensità del campo elettrico all’anodo di un contatore proporzionale, che mostra il confine della regione delle valanghe.

Infatti, se viene applicata una tensione molto alta al rivelatore proporzionale, questo funziona come contatore Geiger-Muller. In questo regime, ogni coppia primaria elettrone-ione non solo creerà una ionizzazione a valanga ma anche fotoni ad alta energia che sono emessi da atomi eccitati. Ciò provoca un piena scarica elettrica che può essere facilmente elaborata con una semplice elettronica. Tuttavia, il carattere proporzionale del segnale del rivelatore viene perso.

Funzionamento e impiego dei rivelatori proporzionali

Sebbene i rivelatori proporzionali siano più comunemente usati per quantificare l’attività alfa e beta, sono anche usati per il rilevamento dei neutroni e, in una certa misura, per la spettroscopia a raggi X. Gli impulsi prodotti da un contatore proporzionale sono maggiori di quelli prodotti da una camera a ionizzazione. Ciò significa che il contatore proporzionale viene azionato più comodamente nella modalità a impulsi (le camere a ionizzazione di solito funzionano nella modalità a corrente).

La dimensione dell’impulso in uscita da un contatore proporzionale dipende essenzialmente dalle seguenti due cose: (1) Tensione di esercizio. Maggiore è infatti la tensione di esercizio, maggiore diventa ogni valanga e maggiore è l’impulso; (2) Energia depositata nel gas del rivelatore. Maggiore è l’energia depositata nel gas del rivelatore da una particella di radiazione incidente, maggiore è il numero di coppie di ioni primari, maggiore è il numero di valanghe e maggiore è l’impulso.

Il diagramma seguente mostra una particella carica che attraversa il gas del rivelatore. Vengono prodotte, in questo caso, quattro coppie di ioni primari (e quattro valanghe risultanti). Di solito accade che molte più coppie ioniche siano prodotte dalla radiazione incidente rispetto alle quattro qui mostrate. Tieni presente che le quattro valanghe contribuiscono a un singolo impulso. A differenza di un Geiger, qui la dimensione dell’impulso riflette l’energia depositata dalla radiazione incidente nel gas del rivelatore.

La generazione di valanghe di Townsend in un contatore proporzionale.

Pertanto, è possibile distinguere gli impulsi più grandi prodotti dalle particelle alfa dagli impulsi più piccoli prodotti dai beta o dai raggi X / gamma, come accade con le camere a ionizzazioni operanti in modalità a impulso. Ed esistono tre tipi generali di contatori proporzionali: (1) A flusso di gas – con finestra (ad es., contatori alfa-beta di laboratorio) – senza finestre (ad es., spettrometri X, misurazione del trizio); (2) Ad aria (solo conteggio alfa); (3) Sigillati (ad es. rivelatori di neutroni BF3, He-3).

In generale, il gas proporzionale non dovrebbe contenere componenti elettronegativi come l’ossigeno (che nell’aria è presente per il 21%). Altrimenti, gli elettroni diretti verso l’anodo si combineranno con il gas elettronegativo. Se ciò accade, va all’anodo uno ione negativo anziché un elettrone e, a differenza dell’elettrone, lo ione negativo non riuscirà a produrre una valanga. Il risultato è che l’impulso è probabilmente troppo piccolo per superare la soglia impostata ed essere contato.

Nonostante quanto sopra, l’aria viene talvolta utilizzata come gas proporzionale per il conteggio delle radiazioni (in realtà particelle) alfa. L’aria non potrebbe servire come gas proporzionale per il rilevamento beta perché le particelle beta producono molte meno coppie di ioni nel gas rispetto agli alfa. Poiché più elettroni viaggiano verso l’anodo a seguito di un’interazione alfa nel gas, c’è una maggiore possibilità che alcuni di essi evitino di interagire con l’ossigeno e producano una valanga.

Una lattina può essere usata per realizzare un contatore proporzionale. L’articolo originale di ricerca che ha ispirato il presente contributo divulgativo “senza fronzoli”, e dal quale molte delle figure presentate sono tratte.

Inoltre, se il rilevatore è progettato in modo tale che gli elettroni non debbano viaggiare lontano verso l’anodo, ci sono meno possibilità che interagiscano con l’ossigeno. L’utilizzo dell’aria come gas proporzionale consente l’uso di una finestra sottile senza la necessità di un sistema di flusso del gas. Tuttavia, è essenziale che l’aria sia asciutta. In condizioni di elevata umidità, i contatori proporzionali funzionanti ad aria tendono a generare degli impulsi spurii.

Uso di una lattina per fare un contatore proporzionale

Si può costruire un contatore proporzionale economico a partire da una comune lattina di birra (diametro di 6,5 cm), che è in alluminio e fungerà da catodo. Lo spessore della sua parete è abbastanza sottile (0,19 mm) per un basso assorbimento energetico dei raggi X e gamma che entrano nel volume del gas, e non è quindi necessario alcun ulteriore ingresso-finestra. L’intensità dei fotoni >20 keV oltrepassata la parete della lattina è inalterata, mentre quella dei fotoni da 10 keV è ridotta di circa il 50%.

Ciò è illustrato nella seguente figura, che mostra il rapporto tra l’intensità fotonica (I) trasmessa dopo il passaggio attraverso il materiale del rivelatore e l’intensità del fotone incidente (I0) in funzione dell’energia del fotone. La curva nera continua mostra il risultato dell’assorbimento nella parete sottile di alluminio e quella tratteggiata l’assorbimento in 6 cm di gas argon. Moltiplicando queste due curve si ha una stima approssimativa dell’efficienza del rivelatore per fotoni di energia tra 5 e 60 keV.

L’intensità relativa dei fotoni rispetto all’energia incidente a causa dell’assorbimento nella parete sottile della lattina in alluminio (curva continua) e assorbimento nel gas argon spesso 6 cm (curva tratteggiata). L’efficienza stimata del rivelatore è mostrata dalla curva linea-punto.

La lattina per bevande può venire aperta dal lato superiore utilizzando con cura una sega a tazza. Una piccola area all’esterno della lattina va irruvidita con la carta vetrata per esporre l’alluminio nudo. Delle coperture di Acrylglass possono essere usate come tappi di chiusura della lattina. Nella copertura di Acrylglass della lattina va praticato il foro di 3 mm per l’ingresso del gas e va fatto il foro, più piccolo (1,2 mm), per il filo dell’anodo. L’estremità del filo di terra va invece saldata sulla lattina.

L’esperienza mostra che è meglio prima inserire con attenzione il filo dell’anodo attraverso la lattina in modo che colleghi le due coperture alle estremità. Il filo sottile dell’anodo può essere ottenuto prendendo un singolo filo da un normale cavo elettrico. La lattina è stata poi chiusa e serrata tirando con attenzione il filo attraverso la lattina dall’estremità opposta. Per garantire la tenuta al gas, possono venire applicati adesivi epossidici bicomponenti a tenuta di gas oppure della colla a caldo.

Per connettere il catodo, un cavo classificato per uso ad alta tensione, da 2 mm, è stato saldato all’alloggiamento metallico del connettore HV. Una mini-spina a banana può essere attaccata all’altra estremità del cavo per il collegamento alla presa fissata alla parete della lattina. Può verificarsi una scarica se viene utilizzato un cavo non classificato per l’alta tensione nel collegamento dell’anodo, poiché la maggior parte dei cavi non classificati HV sono classificati solo fino a 500 V.

Come appare il rivelatore proporzionale realizzato con la lattina. (fonte: articolo citato)

È bene saldare il connettore HV direttamente sull’uscita del filo dell’anodo, come può essere. Ciò riduce il livello di rumore e aumenta la semplicità del rivelatore. A questo punto possiamo riempire (a un ritmo di 20 ml/min) il rivelatore sigillato con una miscela di gas P10 (Ar 90% / metano 10%) per rimuovere l’ossigeno dell’aria, che è altamente elettronegativo e cattura alcuni degli elettroni primari dal processo di ionizzazione, causando la perdita del carattere proporzionale del contatore. L’uscita del gas del rilevatore viene scaricata nell’atmosfera tramite un tubo sufficientemente lungo.

Elettronica del rivelatore e calibrazione del sistema

Come elettronica, sarà necessario disporre di: un oscilloscopio; un preamplificatore; un amplificatore in grado di fornire guadagni compresi tra 5 e 1200; un alimentatore per alta tensione (HV), in grado di fornire fino a 5 kV con una corrente limite di 1 mA (l’uso di correnti più elevate costituisce un grande pericolo!); un analizzatore multicanale (MCA, descritto nel ns. articolo che trovi qui). Il segnale in uscita dall’amplificatore va in parallelo all’oscilloscopio e all’analizzatore multicanale interfacciato al computer.

Schema del setup di misurazione. Se il preamplificatore non ha un disaccoppiamento capacitivo integrato di HV e segnale è facile costruire una scatola di disaccoppiamento separata utilizzando il circuito mostrato qui.

Una parte essenziale di un rivelatore è la riduzione del rumore. Un foglio da cucina in alluminio è altamente efficace nella schermatura. Per lo studio del rumore, l’alta tensione può venire aumentata lentamente fino a valori ben superiori a 1 kV, mentre il flusso del gas P10 attraverso il rilevatore viene mantenuto costante a 60 ml/min. Il rumore è osservabile con l’oscilloscopio e un foglio di alluminio avvolto attorno alla testate del rivelatore, in modo da avere un contatto efficace con il catodo (massa).

Ciò dovrebbe ridurre il rumore ad ampiezze inferiori a 100 mV per un guadagno di 120. Per testare il rivelatore, si può usare l’isotopo Americio-241, che può essere ottenuto da un rivelatore di fumo commerciale del tipo a ionizzazione. Per le misurazioni, le sorgenti possono venire messe sopra il rilevatore. Un semplice collimatore di piombo può essere utilizzato per ridurre l’accumulo di segnali se l’attività della sorgente è troppo alta. Un esempio di un tipico segnale rivelato è mostrato in figura.

Segnale dal rivelatore visto sull’oscilloscopio quando una sorgente di Ferro-55 è posta davanti al rivelatore. Le scale orizzontali e verticali sono rispettivamente di 50 s / divisione e 100 mV / divisione. Il tempo di modellazione e il guadagno dell’amplificatore utilizzato in questa misurazione era rispettivamente di 3 μsec e di 120.

Per calibrare l’elettronica un segnale di test negativo da un generatore di impulsi può venire inviato al preamplificatore e all’oscilloscopio. Il segnale di prova è un impulso a coda con un forte bordo discendente e un lento aumento. Viene usato un impulso negativo poiché il segnale dal filo anodico del contatore proporzionale è negativo. L’ampiezza dell’impulso di prova viene misurata con l’oscilloscopio. La risposta della catena elettronica, con guadagno 120, può essere registrata con il MCA.

Misurazione pratica degli spettri X e gamma

La tensione di polarizzazione può venire aumentata fino a quando un segnale chiaro viene visto sull’oscilloscopio quando la sorgente Americio-241 è posto sopra il rilevatore. L’alimentazione ad alta tensione (HV) e il guadagno dell’amplificatore sono stati regolati per osservare l’intero spettro dell’isotopo sull’intera gamma del MCA. A una tensione di 2,25 kV e un guadagno di 120, gli spettri di entrambi gli isotopi possono venire registrati insieme allo spettro di fondo da poi sottrarre.

Per ogni spettro, i picchi più importanti vengono utilizzati per calibrare la scala energetica della misura. Dalle tabelle degli isotopi comuni e dalla tabella dei nuclidi, è noto che il decadimento di Ferro-55 è accompagnato da importanti emissioni di raggi X di 6-6,5 keV, originate dal processo di rilassamento del “figlio” 55Mn. La risoluzione energetica del rivelatore non è però sufficiente per separare queste emissioni per il grande volume di gas della lattina e per la disomogeneità del filo dell’anodo.

Lo spettro di energia ottenibile per il Ferro-55.

Ma soprattutto il rivelatore ha difficoltà a rivelare i possibili picchi intorno a 10 keV o ad energie inferiori,  anche applicando una completa sottrazione del fondo di radiazione. Poiché le transizioni negli spettri energetici dipendono dall’energia, come sappiamo i fotoni a bassa energia hanno una maggiore attenuazione nella parete di alluminio rispetto a quelli ad alta energia. L’effetto di attenuazione può in teoria venire corretto, altrimenti lo spettro è affidabile solo per energie > 20 keV.