Come realizzare un contatore a scintillazione

I contatori Geiger sono un popolare rivelatore di radiazioni ionizzanti e possono ancora rivelarsi utili per proteggersi da queste. Tuttavia, non sono l’unica tecnologia in circolazione per rilevare le radiazioni. I rivelatori a scintillazione sono un metodo alternativo usato dai fisici per realizzare contatori più efficienti. Funzionano impiegando cristalli che emettono luce, o scintillano, in presenza di radiazioni ionizzanti. Questa luce viene quindi passata a un tubo fotomoltiplicatore, che in risposta emette una cascata di elettroni. L’intensità di questo segnale rappresenta il livello di radioattività rilevata.

Uno scintillatore è un materiale che converte l’energia persa dalla radiazione ionizzante in impulsi di luce. Gli impulsi di luce emessi dal materiale scintillante possono essere rilevati da un rilevatore di luce sensibile, spesso un tubo fotomoltiplicatore (PMT). Nella maggior parte delle applicazioni di conteggio a scintillazione, la radiazione ionizzante è sotto forma di raggi X, raggi γ e particelle α o β che variano in energia da poche migliaia di elettronvolt (eV) a diversi milioni di elettronvolt (da keV a MeV).

Il fotocatodo del PMT, che si trova sul retro della finestra d’ingresso, converte la luce (fotoni) in cosiddetti fotoelettroni. I fotoelettroni vengono quindi accelerati da un campo elettrico verso i dinodi del PMT dove ha luogo il processo di moltiplicazione. Il risultato è che ogni impulso luminoso (scintillazione) produce un impulso di carica sull’anodo del PMT che può essere successivamente rilevato da altre apparecchiature elettroniche, analizzato o conteggiato con uno scaler o un misuratore di frequenza.

Schema di un apparato che usa un rivelatore a scintillazione con tubo fotomoltiplicatore. Può essere usato per realizzare un contatore a scintillazione o anche uno spettrometro gamma.

Modi alternativi per convertire la luce a scintillazione in un segnale elettrico sono fotodiodi al silicio (PD) o fotomoltiplicatori al silicio (SiPM). Ad esempio, proprio un fotomoltiplicatore al silicio è stato usato per realizzare un semplice rivelatore autocostruibile dei muoni dei raggi cosmici, come illustrato nell’articolo Come costruire un rivelatore di muoni, che puoi trovare qui. La combinazione di uno scintillatore e di un rivelatore di luce è chiamata rivelatore a scintillazione.

Quello che fai con l’uscita del rivelatore a scintillazione è una tua scelta. Potresti collegarla a un semplice oscilloscopio, a un contatore di impulsi (che è il progetto presentato in questo articolo), a un analizzatore multicanale (MCA) commerciale, o a qualunque cosa. Realizzare un analizzatore multicanale fai-da-te per la spettroscopia gamma è qualcosa di considerevolmente più complesso di quanto è illustrato qui, ma certamente questo articolo è propedeutico anche per quel tipo di applicazione.

In effetti, in caso di un evento di scintillazione (luce), si può anche semplicemente rilevare con un oscilloscopio la caduta di tensione: se usate alta tensione per alimentare il fotomoltiplicatore, ciò può essere fatto progettando e usando un opportuno partitore di tensione (ma fatto con resistenze del tipo per alte tensioni!) a cui collegare la sonda di un oscilloscopio, o più semplicemente usare uno speciale puntale per alte tensioni. Altrimenti, danneggerete irreparabilmente il vostro oscilloscopio.

Come potrebbe apparire su un oscilloscopio USB un evento di scintillazione, acquisito sullo strumento tramite una sonda ad altissima impedenza per la misurazione di alte tensioni. In questo caso, il segnale è verso il basso (essendo un impulso negativo) e dura circa 2 microsecondi.

I rivelatori a scintillazione hanno diversi vantaggi rispetto al più comune contatore Geiger-Muller. Possono essere molto più sensibili alle piccole quantità di radiazione e sono più sensibili alle radiazioni gamma rispetto ai tubi Geiger-Muller. Tuttavia, in genere sono considerati più difficili da usare e più costosi da costruire. Se sei però interessato a misurare accuratamente piccole quantità di radiazioni, od a fare spettrometria di raggi gamma, questa potrebbe essere la soluzione giusta per te.

Come scegliere lo scintillatore che ci serve

Poiché l’intensità dell’impulso di luce emesso da uno scintillatore è proporzionale all’energia della radiazione assorbita, quest’ultima può essere determinata misurando lo spettro dell’altezza dell’impulso. Per rilevare la radiazione nucleare con una certa efficienza, la dimensione dello scintillatore dovrebbe essere scelta in modo tale da assorbire la frazione desiderata della radiazione. Per radiazioni penetranti, come i raggi γ, è necessario un materiale ad alta densità.

Inoltre, gli impulsi luminosi prodotti nello scintillatore devono passare il materiale per raggiungere il rivelatore di luce. Ciò impone vincoli alla trasparenza ottica del materiale di scintillazione. Aumentando il diametro dello scintillatore, aumenta l’angolo solido sotto il quale il rivelatore “vede” la sorgente. Ciò aumenta l’efficienza di rilevamento. La massima efficienza di rilevamento si ottiene con i “contatori a pozzo” in cui il campione viene inserito all’interno di un pozzo nello scintillatore.

Un contatore a scintillazione “a pozzo”  (in questo caso un modello usato in medicina nucleare) aumenta l’efficienza di rilevamento.

Lo spessore dello scintillatore è l’altro fattore importante che determina l’efficienza di rilevamento. Per le radiazioni elettromagnetiche, lo spessore per arrestare il 90% della radiazione in arrivo dipende dall’energia dei raggi X o γ. Per gli elettroni (ad es. quelli veloci, cioè le particelle β) lo stesso è vero ma si applicano dipendenze diverse. Per particelle più grandi (ad esempio particelle α o ioni pesanti) uno strato molto sottile di materiale blocca già il 100% della radiazione.

Lo spessore di uno scintillatore può essere usato per creare una sensibilità selezionata del rivelatore per un tipo distinto (o energia) di radiazione. I cristalli di scintillazione sottili (ad es. 1 mm di spessore) hanno una buona sensibilità per i raggi X a bassa energia ma sono quasi insensibili alle radiazioni di fondo a maggiore energia. Scintillatori di grande volume con finestre d’ingresso relativamente spesse non rilevano raggi X a bassa energia ma i gamma ad alta energia vengono misurati in modo efficiente.

È utile capire la fisica che governa ciò che accade nello scintillatore. Le radiazioni elettromagnetiche possono interagire con la materia tramite: (1) effetto fotoelettrico; (2) effetto Compton o (3) produzione di coppie. L’effetto 3 si verifica solo con energie superiori a 1,02 MeV. In pratica, tutti gli effetti hanno la possibilità di verificarsi, essendo questa probabilità proporzionale all’energia della radiazione e al numero atomico (valore Z) dell’assorbitore (materiale scintillante).

L’importanza dei diversi effetti di interazione radiazione-materia al variare dell’energia della radiazione ionizzante in questione.

Nell’effetto fotoelettrico, tutta l’energia della radiazione viene convertita in luce. Questo effetto è importante quando si determina l’energia effettiva dei fotoni dei raggi X o dei raggi gamma. Più bassa è l’energia e più alto è il valore Z, maggiore è la possibilità di effetti fotoelettrici. Nelle applicazioni reali, però diversi processi di interazione radiazione-materia svolgono un ruolo. E ciò lo vediamo bene se andiamo a fare lo spettro in energia con uno spettrometro a scintillazione.

La figura qui sotto, ad esempio, mostra un tipico spettro dell’altezza dell’impulso misurato con un cristallo scintillatore NaI (Tl) di 76 mm di diametro, 76 mm di altezza in cui viene rilevata la radiazione emessa da una sorgente di Cesio-137, un noto isotopo radioattivo che ha un tempo di dimezzamento di circa 30 anni. Sono indicati il picco del fotopicco, del massimo Compton e del backscatter. Le linee intorno a 30 keV sono raggi X di Bario emessi anch’essi dalla sorgente.

Interpretazione dello spettro della radiazione emessa da una sorgente di Cesio-137, un isotopo radioattivo, così come rivelato da uno spettrometro gamma a scintillazione.

L’efficienza di rilevamento totale (ovvero la cosiddetta “efficienza di conteggio”) di uno scintillatore dipende dalle dimensioni, dallo spessore e dalla densità del materiale di scintillazione. Tuttavia, l’efficienza di conteggio del fotopicco – importante per esempio per la spettroscopia di raggi gamma – è una funzione forte e aumenta con il numero atomico (Z) del materiale dello scintillatore. A energie inferiori a 100 keV, le interazioni elettromagnetiche sono dominate dall’effetto fotoelettrico.

Gli elettroni veloci (particelle β) possono essere retrodiffusi da un materiale, il che implica che non viene persa energia nel processo di interazione e la particella non viene rilevata. La frazione di retrodiffusione è proporzionale allo Z del materiale. Per NaI (Tl), la frazione di backscatter può raggiungere il 30%! Ciò implica che per un rilevamento efficiente di elettroni, materiali a bassa Z come scintillatori di plastica o ad es. CaF2:Eu o YAP:Ce sono preferibili. Anche il materiale della finestra è importante.

Quando si seleziona un rivelatore per particelle cariche, la considerazione principale è il tipo di particella da rilevare. Quelle debolmente penetranti sono elettroni a bassa energia, protoni, particelle α e ioni pesanti. Essi perdono energia attraverso le interazioni di Coulomb con gli elettroni atomici nella materia circostante. Il tasso di perdita di energia nella materia aumenta all’aumentare della carica e della massa della particella, ma diminuisce la conversione dell’energia delle particelle in luce di scintillazione.

Una sorgente radioattiva osservata collegando l’uscita di un rivelatore a scintillazione con tubo moltiplicatore all’ingresso di un’oscilloscopio tramite una sonda per alte tensioni (altrimenti lo distruggete!).

Il numero di fotoni prodotti da una particella α di 5,4 MeV rappresenta solo una frazione di quelli prodotti da un fotone gamma con la stessa energia. Questa frazione varia per scintillatore e il cosiddetto rapporto alfa / gamma può variare tra circa 0,1 (negli scintillatori con materiali organici) e 0,8 per alcuni alogenuri alcalini. Separata dall’energia emessa e dallo scintillatore specifico, la risoluzione dell’energia per le particelle dipende anche dal trattamento superficiale del materiale.

Per rilevare la particelle cariche debolmente penetranti, devono essere considerati anche i seguenti aspetti. La finestra di ingresso del rivelatore dovrebbe essere molto sottile, per ridurre al minimo la perdita di energia all’interno di essa. Le finestre in mylar alluminizzato vengono normalmente utilizzate a questo scopo. Lo spessore delle finestre in mylar può variare tra 2 μm e 100 μm. Gli strati di mylar alluminizzato a doppia faccia da 2 micron non sono però mai ermetici al 100%.

Infine, le particelle cosiddette “minimamente ionizzanti” sono solitamente cariche singole con una massa bassa e un’alta energia. La loro perdita di energia per unità di lunghezza del percorso è piccola. Esempi comuni di particelle minimamente ionizzanti sono i muoni cosmici e gli elettroni veloci (cioè le particelle β). In uno scintillatore di plastica, le particelle minimamente ionizzanti perdono diversi MeV per cm di materiale. Le applicazioni includono calorimetria e spettroscopia elettronica.

I principali tipi di radiazione/particelle ionizzanti esistenti in natura (cioè non prodotte artificialmente) e le relative interazioni con la materia. 

Il materiale e lo spessore della finestra d’ingresso, nel caso di particelle minimamente ionizzanti, di solito non sono invece così importanti, poiché tali particelle normalmente passano attraverso la finestra e l’intero scintillatore. Nel caso dei muoni, ad esempio, poiché le energie depositate sono grandi, dei piccoli PMT singoli sono sufficienti per discriminare il segnale del muone sopra lo sfondo di raggi gamma, ed eventuali “scudi di soppressione dei muoni” possono essere costruiti all’interno dello scintillatore di plastica.

Come costruire un contatore a scintillazione

La cosa più semplice da fare con gli eventi di scintillazione è contarli. Per questo sarebbe necessario un buon segnale per alimentare un microcontroller, come ad esempio Arduino. Poiché tutto ciò che ho all’uscita di un rivelatore a scintillazione è un impulso di tensione negativo, devo elaborarlo per renderlo “commestibile” per il microcontrollore. Se usassi un tubo fotomoltiplicatore (PMT), potrei usare allo scopo il seguente circuito, che è sostanzialmente un comparatore-discriminatore.

Il circuito del comparatore-discriminatore per fornire un segnale uscita quando quello in ingresso supera una determinata soglia di tensione, in questo caso di 0,3 V, per tenere fuori il rumore. 

Esso usa dei diodi per far sì che la corrente scorra solo nella direzione corretta, in modo da evitare che il rumore fuoriesca dallo stadio di alimentazione. Utilizza piccole correnti e il diodo Schottky BAT83 offre una caduta di tensione di circa 0,3 V. Quindi il pin del PMT “vede” Vcc-0,3 = 4,7 V. Il comparatore confronta questo con il riferimento 4,4V: una volta che la tensione scende al di sotto di esso, abbiamo un evento di scintillazione. Quindi c’è un discriminatore di rumore da 0,3 V.

I due diodi 1N4007 (caduta di tensione di circa 0,6 V alle correnti attese) bypassano la resistenza e non consentono che la tensione sul pin PMT scenda al di sotto di Vcc-0,3-2 * 0,6 = 3,5 V. Per prevenire la sovratensione, viene utilizzato un diodo Zener da 18 V. Questo dovrebbe avere un valore più elevato (ma inferiore a 30 V) per evitare perdite eccessive. Quindi l’opamp LM293 utilizzato è protetto da sovratensione e sottotensione, ma per pilotare qualcosa gli va aggiunto un buffer di guadagno unitario.

Un esempio di tubo fotomoltiplicatore in commercio (in alto) e l’impulso di tensione rivelabile alla sua uscita una volta fatti gli opportuni collegamenti elettrici (in basso).

Tuttavia, il modo più semplice per realizzare un contatore a scintillazione è probabilmente quello di usare un piccolo cristallo a scintillazione (ad es. LYSO, ma quasi qualsiasi altro materiale a scintillazione andrà bene) e un fotomoltiplicatore di silicio (SiPM) – preferibile ai tubi fotomoltiplicatori (PMT) perché più semplici da usare e anche più difficili da distruggere – che sono le uniche due parti costose del sistema. Se vuoi realizzare il contatore con Arduino, in pratica avrai bisogno delle seguenti cose:

• Un cristallo scintillatore (minimo 1 cm x 1 cm x 2 cm)
• Un fotomoltiplicatore al silicio (SiPM)
• Resistenze, condensatori
• Due op-amp “rail2rail” veloci
• Un semplice convertitore step-up DC-DC
• Un cicalino piezoelettrico
• Scheda Arduino Uno
• Schermo tastiera LCD (opzionale se si usa un PC)
• Saldatore e stagno
• Un mucchio di fili

Uno scintillatore LYSO (un cristallo scintillatore di Cerio dopato con Lutezio) simile anche per forma a quello usato in questo progetto. Rispetto al classico NaI, ha alta densità e si accoppia bene anche ai fotomoltiplicatori al silicio (SiPM).

Per misurare i lampi di luce così fiochi che si producono nel materiale scintillatore, dobbiamo ovviamente impedire a qualsiasi luce del giorno di entrare nella camera di rilevamento. Per questo motivo abbiamo costruito una scatola di cartone per racchiuderla. All’interno, abbiamo usato un pezzo di plastica spessa (perché ce l’avevo, ma andrebbe bene anche nastro adesivo o resina epossidica trasparente) e un po’ di schiuma da tappezzeria per premere il cristallo dello scintillatore contro il SiPM.

Dato che si vuole un buon accoppiamento ottico, le facce dello scintillatore che non sono rivolte verso il SiPM sono avvolte in un nastro di teflon bianco, per riflettere quanta più luce possibile verso il SiPM. Copri il materiale scintillante con un foglio di alluminio prima di chiudere la scatola. Ciò contribuirà a tenere fuori la luce diffusa. Esegui dei tagli a “V” sia sulla parte inferiore che su quella superiore della scatola, oppure un foro che dovrai poi sigillare, in modo da poter far passare i cavi fuori dalla scatola.

Fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) di varie marche. Quello usato nel progetto di contatore a scintillazione illustrato in questo articolo è della Ketek.

Il SiPM usato è un KETEK, che ha una bassa tensione di rottura di 25 V, il che rende molto economico polarizzarlo a circa 30 V. Il lato sinistro della figura è il semplice circuito di polarizzazione del SiPM, alimentato a 30 V attraverso la resistenza da 10k, con lo stadio di transimpedenza che è la resistenza da 47ohm in basso a sinistra. Questo stadio è accoppiato in modo capacitivo a (v. a destra) un discriminatore a due stadi che si attiva quando l’impulso di ingresso è abbastanza grande.

Schema del circuito elettronico da realizzare.

Un circuito discriminatore seleziona l’altezza minima dell’impulso. Quando l’impulso di ingresso supera il livello preimpostato del discriminatore, il discriminatore genera un impulso di uscita. L’ingresso del discriminatore è normalmente un segnale di un rivelatore amplificato e sagomato. Questo segnale è dunque un segnale analogico, perché la sua ampiezza è proporzionale all’energia della particella incidente. Il circuito “a diodo polarizzato” è la forma più semplice di discriminatore.

Nella figura qui sotto di questo discriminatore passivo, il diodo D1 è mostrato con il suo catodo collegato a una sorgente di tensione positiva +V. Un diodo non può condurre a meno che la tensione attraverso l’anodo sia positiva rispetto al catodo. Finché la tensione sull’anodo è inferiore a quella del catodo, il diodo D1 non conduce, e non vi è uscita. A un certo punto, la tensione dell’anodo supera il valore di polarizzazione +V e il diodo conduce. Il segnale di ingresso può dunque passare all’uscita.

Un esempio di circuito discriminatore a diodo polarizzato, con i suoi segnali associati in ingresso e in uscita. La figura illustra il modo in cui il discriminatore agisce per eliminare tutti gli impulsi che sono al di sotto del livello preimpostato. Gli impulsi di uscita di questo circuito hanno le stesse ampiezze relative degli impulsi di ingresso.

Come amplificatore operazionale, nel nostro caso andrà bene qualsiasi op-amp rail-to-rail veloce, ad es. un OPA2354. Il convertitore step-up DC-DC da 5 V a 30 V si trova facilmente in commercio, ad es. qui. Salda un filo a ciascuna estremità del lato IN (IN + e IN-) e collegali, rispettivamente, a 5 V e GND di Arduino. Analogamente per il lato OUT, il “meno” è uguale a IN- e OUT + è il bias “HV” a 30 V per il fotosensore. Ruota la vite sul trimmer multigiro blu per raggiungere l’uscita a 30 V.

Per quanto riguarda invece la parte software, suppongo che tu abbia già installato l’IDE Arduino. Carica il codice (sketch) per Arduino che trovi qui, con un copia e incolla sulla scheda Arduino, e poi collega lo schermo LCD. Installa la relativa libreria. Nota che stiamo usando uno “schermo tastiera LCD eBay” con pinout definito come lcd (8, 9, 4, 5, 6, 7). Se si utilizza un altro schermo LCD, potrebbe essere necessario regolare opportunamente i numeri dei piedini (pin) di connessione LCD nel codice.

Gli impulsi vengono di solito “allargati” (tipicamente fino a 100 microsecondi) da un rivelatore di picco hardware per essere meglio “visti” dal convertitore analogico-digitale. Nel nostro caso, il segnale viene “sagomato” per Arduino dal circuito discriminatore illustrato.

Questo codice programma l’Arduino per contare i raggi gamma (o altre particelle energetiche che scaricano almeno circa 20 keV alla volta nel cristallo) rilevate dal rivelatore a scintillazione, in conteggi al secondo (CPS). Inoltre invierà un segnale acustico se il valore è superiore a un livello CPS “sicuro” da noi fissato. Gli eventi possono anche essere monitorati sullo schermo di un computer tramite un monitor seriale quando la scheda Arduino è collegata al PC tramite un cavo USB.

Infine, puoi aggiungere al sistema il buzzer, o cicalino. Collega la sua terra al piedino Ground su Arduino, V_cc a quello della tensione di Arduino (5 V) e I/O al pin numero 3. È un cicalino attivo che necessita solo di un pin posto in stato LOW per emettere un segnale acustico. Il codice è scritto in modo tale che esso emetterà un impulso sonoro ogni secondo se i livelli di CPS sono al di sopra della soglia impostata. Puoi anche aggiungere un interruttore per disattivarlo quando ti dà fastidio.

Il contatore a scintillazione una volta realizzato.