Come costruire una camera a ionizzazione

Le prime camere a ionizzazione sono stati gli elettroscopi a foglia, in cui la quantità di separazione delle foglioline diminuiva al verificarsi della ionizzazione nell’aria. Le camere a ionizzazione vere e proprie, invece, sono utilizzate da circa novant’anni per misurare la radioattività. Questo articolo è destinato all’uso come guida pratica alla realizzazione fai-da-te di semplici camere a ionizzazione, ed è indirizzato a tutti coloro che sono interessati alla radioattività, e in particolare alla misurazione delle radiazioni ionizzanti particellari (raggi beta e alfa) più che di quelle legate ai fotoni (ovvero gamma e X).

Le camere a ionizzazione possono funzionare in due diverse modalità: (1) a corrente o (2) a impulso. In questo articolo vedremo la costruzione del primo tipo di di camere a ionizzazione, che sono una sorta di “evoluzione” dell’elettroscopio e che sono utili per misurare la radiazione gamma, X e quella beta (elettroni veloci). Le camere a ionizzazione a impulso (illustrate qui), sono utili per la rivelazione della radiazione alfa (nuclei di elio) e beta (elettroni veloci), e vengono usate anche nei rivelatori di radon.

La semplicità e la sensibilità dei rivelatori a ionizzazione li rendono ideali per un progetto di scienza amatoriale. È possibile realizzare una camera a ionizzazione operante in aria libera con pochi componenti di facile reperibilità. Le piccole correnti ioniche vengono misurate meglio con un circuito amplificatore molto semplice. Tali correnti sono proporzionali alla quantità di radiazione presente e alla tensione applicata, perciò è necessaria una piccola sorgente per ottimizzare il funzionamento del sistema.

Schema di una camera a ionizzazione a piastre piane parallele e relativa caratteristica tensione-corrente.

Dato che esistono varie possibili implementazioni di una camera a ionizzazione e che per costruirne una è necessario conoscere bene il loro principio di funzionamento, invito il lettore a leggere prima, come semplice introduzione all’argomento, il mio articolo Un rivelatore versatile: la camera a ionizzazione, che puoi trovare qui. Tale articolo ti aiuterà anche a capire l’utilità di questo tipo di rivelatori per lo scienziato dilettante che si vuole avvicinare all’affascinante settore della fisica nucleare.

Progettazione generale di una camera a ionizzazione

I componenti essenziali della camera a ionizzazione sono i suoi due elettrodi di raccolta: l’anodo e il catodo (l’anodo è caricato positivamente rispetto al catodo). Nella maggior parte dei casi, ma non in tutti, la parete della camera esterna funge da catodo. La differenza di potenziale tra l’anodo e il catodo è spesso nell’intervallo da 100 a 500 volt. La tensione più appropriata dipende da un certo numero di cose, come la dimensione della camera (maggiore è la camera, maggiore è la tensione richiesta).

Come si vede in figura, nella regione operativa della camera a ionizzazione la corrente prodotta (dovuta alla ionizzazione) è costante sull’intervallo di tensione applicata, poiché a causa della sua intensità di campo elettrico relativamente basso la camera a ionizzazione non ha alcun effetto moltiplicativo. Ciò la distingue dal tubo Geiger-Müller o dal contatore proporzionale, nei quali gli elettroni secondari – e in definitiva le valanghe multiple – amplificano notevolmente la carica della corrente ionica originale.

I vari regimi di ionizzazione in un rivelatore a gas.

All’aumentare della tensione applicata agli elettrodi, verrà raggiunto un punto in cui ogni ione negativo generato sarà attratto e raccolto dall’anodo; questo è chiamato “livello di saturazione”. La tensione di saturazione richiesta aumenterà di un po’ per livelli di radiazione più alti. Il trucco è mantenere la tensione applicata agli elettrodi abbastanza alta da raggiungere la saturazione, ma abbastanza bassa in modo da non entrare nella regione proporzionale. Pertanto, è utile che essa sia regolabile.

Gli ioni sono presenti naturalmente nell’aria, con gli ioni positivi che generalmente superano gli ioni negativi con un rapporto di 1,2: 1. In genere, l’aria esterna pulita contiene 2000-3000 ioni per cm3, che equivalgono dunque a circa 1000-1500 elettroni cm3. All’interno di un edificio con ventilazione naturale, il numero scende al di sotto di 500 cm3 e nella maggior parte delle case livelli di ioni d’aria al di sopra di 200 per cm3 (pari a circa 100 elettroni/cm3) sono rari.

In presenza di una sorgente radioattiva, come ad es. il Polonio-210 che è un emettitore di particelle alfa, queste collidono con le molecole d’aria strappando loro gli elettroni, cioè ionizzandole, ed eccitandole (in alto). In basso, le ionizzazioni e le eccitazioni prodotte invece da un fotone gamma.

La corrente elettrica, espressa in ampere (A), è una misura del numero di elettroni che passano in un dato punto in un circuito elettrico nell’unità di  tempo. Un ampere equivale a 6,281 x 1018 elettroni, perciò i 100 elettroni presenti in 1 cm3 di aria secca genererebbero una corrente di soli 1,5 x 10-17 ampere per ogni cm3 di volume della camera. Per un tipica camera a ionizzazione portatile (volume del rivelatore di circa 300 cm3), verrebbe generato un flusso di corrente di 4,8 x 10-14 ampere.

Questo livello di corrente è una quantità estremamente piccola e difficile da misurare con precisione. Tale limitazione è il motivo per cui le camere a ionizzazione non vengono in genere utilizzate per misurare bassi livelli di radiazione (ad es. vicino al fondo naturale). Un metodo usato per superare questa limitazione è quella di pressurizzare il gas nel volume della camera. Il gas più denso avrà più interazioni con la radiazione incidente, creando così una corrente più grande per una data quantità di fotoni.

L’energia media w per produrre una coppia elettrone-ione varia per materiali differenti, ma è piuttosto costante per i gas. La tabella qui sotto mostra i valori tipici di w per una serie di gas, insieme alla loro energia di prima ionizzazione. È interessante notare che w è sempre più grande del potenziale di prima ionizzazione. Questo succede perché gli elettroni prodotti nella ionizzazione primaria spesso hanno l’energia sufficiente per produrre una ulteriore ionizzazione, detta secondaria.

Energia di prima ionizzazione (colonna centrale) ed energia media w per produrre una coppia elettrone-ione in una serie di gas.

Nelle camere a ionizzazione che utilizzano l’aria ambiente come gas di rilevamento perché è economica e ampiamente disponibile, l’aria viene scaricata attraverso un essiccatore per raggiungere la qualità dell’aria secca richiesta. L’essiccante deve essere modificato (o essiccato per riscaldamento) periodicamente per assicurare il corretto funzionamento del rivelatore. Le variazioni della pressione atmosferica (o della temperatura) influiscono sulla densità dell’aria e quindi sull’“efficienza” della camera.

Nelle camere a ionizzazione è dunque fondamentale – altrimenti si può avere una mancata risposta alla radiazione – l’essiccante, perciò anche una camera funzionante con aria ambiente dovrebbe essere sigillata. Esso 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 solitamente è scelto di un tipo cambia colore quando assorbe un certo livello di umidità.

Un essiccante di facile reperibilità e non tossico che è senza dubbio consigliabile per le camere a ionizzazione è il gel di silice, perché cambia colore quando assorbe l’umidità, passando dal normale arancione / giallo di quando è secco al verde di quando si è saturato di umidità per il 15% del suo peso. Tenete conto che l’aria può contenere fino a 4 g per metro cubo di vapore acqueo, quindi da ciò potete stimare la quantità di essiccante necessario per la vostra camera.

Curve di saturazione di una camera di ionizzazione quando riempita con aria (a sinistra) e Argon (a destra). La distanza fra la sorgente da 925 MBq di Americio-241 e il centro della camera a ionizzazione era di 200 mm. Le barre di errore sono più piccole delle dimensioni dei simboli.

Lo spessore del parete della camera a ionizzazione (o almeno della sua estremità se la si usa come rivelatore direzionale) dovrebbe essere sufficientemente sottile da consentire la penetrazione di fotoni a basso energia (ad es. 10 keV) e di particelle beta nella camera di rilevamento. Un’estremità della camera ha di solito una sottile finestra che viene esposta rimuovendo un cappuccio. Ciò consente di rivelare le particelle beta per la determinazione del tasso di dose beta.

Nelle camere a ionizzazione pressurizzate, il gas utilizzato può essere ancora aria, ma viene pressurizzato a circa sei volte la pressione atmosferica (ovvero a 6 bar). Ciò fornisce una maggiore efficienza per la rilevazione della radiazione fotonica, in modo tale che possono essere accuratamente quantificati i livelli ambientali di radiazione. Il problema è che la parete della camera deve essere resa più spessa per contenere il gas a pressione, quindi si perdono i raggi gamma e X sotto circa 40 keV.

Realizzazione di camere a ionizzazione a elettrodi piani

Vediamo come è fatta, in concreto, una camera di ionizzazione per procedere alla sua realizzazione. La figura qui sotto mostra lo schema di una camera a ionizzazione, a piatti piani paralleli (per realizzare i quali possiamo usare le basette in vetronite ricoperte di rame per i circuiti stampati), adatta per sorgenti di una certa intensità. La figura mostra anche la curva ideale corrente-tensione applicata per due sorgenti, rispettivamente, di bassa e di alta intensità poste fra i piatti in questione o vicino ad essi.

Schema di una camera a ionizzazione a piatti paralleli (in alto) e tipiche curve tensione-corrente per differenti intensità della sorgente (sotto), che permettono di capire il metodo illustrato nel testo.

A una bassa tensione applicata, c’è una perdita di carica dovuta alla ricombinazione di elettroni e ioni positivi. Come la tensione viene aumentata, la corrente che fluisce attraverso la resistenza R dalla raccolta di carica aumenta finché non raggiunge un valore limite: la corrente di saturazione. Ad una tensione molto alta la corrente comincia a risalire di nuovo, a causa dell’effetto di moltiplicazione delle ionizzazioni nel gas. La corrente è misurata sempre come tensione Vs ai capi della resistenza R.

Dunque, dovrai cercare sperimentalmente di collocarti nel regime di tensione applicata e di corrente corretti. A tale scopo devi poter regolare il potenziale applicato, partendo da un valore basso fino ad arrivare al “pianerottolo”. Dato che la corrente è misurata però sotto forma di tensione Vs ai capi della resistenza R, ti accorgerai di essere nel regime corretto quando, per una data intensità della radiazione ionizzante (costante), Vs non continua ad aumentare ma si stabilizza.

La tensione ai capi di R è data dal prodotto I x R, dove I è la corrente (di ionizzazione) da misurare. Quindi, I = Vs / R. Le correnti di interesse giacciono in un intervallo che va da 10-8 a 10-14 ampere (A). Si noti, inoltre, che con questo metodo la carica viene continuamente “consumata” dalla resistenza. Il metodo appena illustrato richiede l’uso di resistenze molto alte per avere un’elevata sensibilità. Comunque, nella maggior parte dei casi, non è consigliabile usare resistenze più grandi di 1012 ohm.

Schema di una camera a ionizzazione a piatti piani paralleli. Il design a piastre piane è preferito perché ha un volume attivo ben definito e garantisce che gli ioni non si accumulino sugli isolanti e causino una distorsione del campo elettrico. Si noti la presenza degli elettrodi “di guardia”, la cui utilità verrà illustrata più avanti.

In pratica, se si vuole misurare il “fondo” di ionizzazione naturale presente nell’aria ed avere un segnale rilevabile (con la successiva amplificazione), si può usare una resistenza da 100 gigaohm (1011 ohm). Quando viene forzato attraverso una resistenza così grande, il piccolo segnale genererà circa 100 microvolt, che un amplificatore operazionale ad alta impedenza – o meglio ancora un amplificatore di strumentazione (a cui abbiamo dedicato un articolo che puoi trovare qui) – può ingrandire.

Come strumento per rivelare la piccolissima tensione ai capi della resistenza R, si potrebbe usare un cosiddetto elettrometro, come indicato nello schema precedente. Ne esistono molti tipi diversi, che vanno da strumenti meccanici fatti a mano storici a moderni dispositivi elettronici di alta precisione, con impedenza di ingresso di 1014 ohm. Uno strumento più semplice ma correlato, l’elettroscopio, funziona secondo principi simili ma indica solo l’entità relativa di tensioni o cariche.

L’aggiunta di un piano di massa riduce l’effetto dell’elettricità statica sulla misurazione. Il portare una forte sorgente di radiazioni (come ad es. quella di particelle alfa dell’Americio-241 contenuto in certi rivelatori di fumo) vicino alla camera a ionizzazione potrebbe generare una tensione dell’ordine di 70-160 mV su un comune multimetro. Ma se vuoi misurare radiazioni molto più deboli, devi aumentare il volume della camera e/o incrementare la tensione di uscita con un amplificatore di strumentazione.

La piccola tensione misurata da una camera a ionizzazione a piatti piani paralleli senza amplificatore ma con una sorgente di particelle alfa vicina.

Infatti, come abbiamo visto in precedenza, la corrente producibile dagli ioni normalmente presenti nell’aria, cioè “di fondo”, in assenza di sorgenti ionizzanti particolari, in una camera a ionizzazione tipica (ad es. cilindrica) di 300 cm3 è dell’ordine di 4,8 x 10-14 ampere. Se uso una resistenza R da 1012 ohm, la tensione misurabile ai suoi capi dovrebbe essere di circa 5 mV, ma non la posso misurare direttamente perché i normali multimetri hanno un’impedenza di ingresso di solo 1 Mohm.

Pertanto, prima di effettuare la misurazione, dovrò amplificare la tensione in questione con un amplificatore di strumentazione (acquistabile ad es. qui), con il quale posso aumentarla fino a 1000 volte. A questo punto posso misurala con un comune multimetro economico, ma posso anche decidere di inviare il tutto in ingresso ad Arduino per realizzare un grafico nel tempo (se però avvicino una sorgente radioattiva, supero il limite di tensione di 5V accettato da Arduino e lo brucio!).

Come costruire una camera a geometria cilindrica

Per le camere a ionizzazione la geometria piana viene spesso preferita perché è il design più facile da analizzare matematicamente. Ad ogni modo, anche le camere con cilindri coassiali sono assai facili da costruire e la maggior parte di quelle in commercio sono di questo tipo. In tali camere, gli isolatori che separano i due cilindri devono avere una conduzione di corrente trascurabile. Proprio per evitare “perdite” di corrente, si dovrebbero usare sempre “anelli di guardia”.

Importanza dell’anello di guardia in una camera a ionizzazione cilindrica. Senza l’anello di guardia, la corrente misurata attraverso la resistenza di carico R è la somma della corrente di ionizzazione e della corrente dovuta alle perdite (leakage). L’anello di guardia fa sì che quest’ultima corrente venga diretta verso terra e quindi non si sommi all’altra corrente.

Come mostrato  in figura, gli anelli di guardia servono a due scopi. Quando l’anello di guardia è collegato a terra, qualunque perdita nell’alta tensione è trasferita a terra anziché al collettore. In questo modo, la perdita di corrente del collettore viene fortemente ridotta. Inoltre, l’anello di guardia definisce il volume attivo della camera, perciò conviene che sia abbastanza vicino all’elettrodo interno, così da massimizzare il volume attivo. La maggiore perdita di corrente, pertanto, è ora quella causata dal cavo.

Una semplice camera a ionizzazione cilindrica realizzabile da un dilettante non è altro che un filo nudo (bloccato attraverso un foro) posto al centro di una lattina di metallo: non sono richiesti gas o sigillature particolari. Il filo deve essere ben isolato dalle pareti della camera e la parete metallica in fondo alla camera non occorre rimuoverla. Per prestazioni ottimali è probabilmente una buona idea aggiungere un essiccante all’interno della lattina per mantenere bassa l’umidità, ma all’inizio non è necessario.

Schema di una camera a ionizzazione a geometrica cilindrica collegata a un semplice elettrometro basato su un amplificatore operazionale.

La camera è più comunemente riempita di normale aria secca ma altri gas o l’aria in pressione possono dare maggiore sensibilità. Una tensione DC viene applicata tra il contenitore esterno e l’elettrodo centrale per creare un campo elettrico. Tipicamente, la lattina esterna ha la maggior parte del potenziale rispetto alla terra in modo che il circuito sia vicino al potenziale di terra. Il filo centrale viene tenuto vicino a 0 volt e viene misurata la piccola corrente risultante nel filo centrale.

La tensione di lavoro richiesta è generalmente inferiore a 100 volt ed è spesso solo di pochi volt, a seconda delle dimensioni della camera. La corrente risultante è estremamente bassa. Le semplici camere ad aria a pressione ambiente che illustreremo nel seguito rispondono principalmente alle particelle beta e, se possono penetrare all’interno della camera, alle particelle alfa. La maggior parte degli altri raggi non causano una ionizzazione sufficiente per poter essere facilmente rilevata.

Una comune lattina usata per realizzare una camera a ionizzazione cilindrica.

Se si usa una comune lattina di metallo di quelle che contengono il caffè (diametro circa 14 cm), la lunghezza del filo può essere di 10 cm, abbastanza corta da assicurare che non tocchi il coperchio. L’apertura della camera può essere coperta dal coperchio originale, da una pellicola di alluminio (carta argentata) o da uno schermo metallico, a seconda dell’esperimento. Lasciare l’estremità aperta farà entrare troppo campo elettrico disperso nella maggior parte degli ambienti.

Infatti, i principali colpevoli del “rumore” che disturba le misurazioni sono il campo elettrico sempre presente, a bassa frequenza, collegato alla rete elettrica di casa e il cambiamento dei campi elettrostatici a causa del movimento vicino alla camera. Perciò, i circuiti dell’elettrometro saranno estremamente sensibili ai campi elettrici vaganti, di conseguenza una schermatura è obbligatoria: in pratica, basta inserire l’elettronica in un recipiente di metallo (con i fori per i fili) collegato a terra.

Difatti, il modo più semplice per realizzare una camera a ionizzazione è quello di usare un elettrometro fai-da-te, come ad es. quello illustrato in figura. La lattina è collegata alla tensione positiva della batteria tramite un resistenza da 4,7k, mentre un comune multimetro è collegato tra il collettore del transistor (un normale transistor di tipo Darlington NPN) e il terminale positivo della batteria. Il multimetro è posto sulla scala da 1 volt per la maggior parte delle misurazioni.

Schema dell’elettrometro fai-da-te utilizzabile per una camera a ionizzazione.

Quando una particella alfa o beta passa attraverso la camera, diversi atomi vengono ionizzati e la tensione positiva sulla lattina attira gli elettroni. Gli atomi caricati positivamente vagano verso il filo centrale più negativo e, al contatto, recuperano i loro elettroni mancanti. Questo processo provoca un flusso di corrente nella base del transistor che viene amplificato di un fattore vicino a 30.000. Questa corrente più elevata scorre attraverso la resistenza del multimetro, producendo la tensione indicata.

La resistenza mostrata nello schema del nostro circuito può essere qualsiasi valore superiore a 1k; essa limita semplicemente la corrente in caso di corto circuito. Una lettura di 10 mV corrisponderebbe a circa 200.000 elettroni al secondo. Anche fonti radioattive deboli producono un gran numero di ioni; perciò, come sorgente per testarlo, potete usare il cloruro di potassio (KCl), che è usato anche in campo alimentare e contiene Potassio-40, un isotopo debole emettitore beta (al 90%) e gamma (al 10%).

Schema di decadimento del Potassio-40, un isotopo debolmente radioattivo contenuto anche nelle banane e in altri cibi, e dunque ideale per testare la nostra camera a ionizzazione.

Senza una fonte radioattiva, la lettura del contatore si assesta a 50 mV. Posizionando una reticella per lanterna (contenente Torio-232, che è debolmente radioattivo ed emettitore di particelle alfa) vicino all’ingresso della camera si ottiene una lettura di poco meno di 150 mV. Il semplice circuito mostrato ha tuttavia serie limitazioni. È estremamente sensibile alla temperatura ambiente e un leggero riscaldamento causerà un grande aumento della lettura dello zero e del guadagno.

Dovrebbe venire quindi scelto un moderno transistor a piccolo segnale poiché i transistor più vecchi o più grandi probabilmente avranno troppa corrente di dispersione. Nonostante queste limitazioni, il semplice circuito può essere utilizzato per rilevare livelli di radiazione insolitamente elevati, osservando cambiamenti improvvisi come quando si avvicina un oggetto radioattivo vicino alla finestra della camera. Il divertimento sarà provare a creare uno strumento più sensibile, ad es. con l’amplificatore di strumentazione.

Schema di base di una camera a ionizzazione cilindrica per uso professionale. Si noti l’impiego del connettore BNC e dunque di cavo coassiale schermato fra la camera e l’elettronica a cui verrà collegata (ad es. un amplificatore di strumentazione).