Come realizzare un contatore di alfa a impulsi

Le camere a ionizzazione che lavorano nell’aria ambiente nella modalità di rilevamento della corrente sono attraenti per la loro semplicità e il basso costo, e sono ampiamente utilizzate in numerose applicazioni come il rilevamento di fumo, la dosimetria, il monitoraggio del fascio terapeutico e così via. Lo scopo di questo articolo è quello di capire come le camere a ionizzazione possono funzionare nell’aria ambiente anche in modalità di conteggio degli impulsi, un approccio che potenzialmente offre la massima sensibilità possibile nelle applicazioni come il rilevamento di particelle alfa, raggi X e raggi gamma.

Per la rivelazione di particelle alfa (o di raggi X) si possono, in linea di principio, utilizzare rilevatori gassosi che operano in aria ambiente in modalità di conteggio degli impulsi, tale da rivelare una particella alfa o un fotone di raggi X dal suo singolo impulso di carica. A differenza delle tradizionali camere di ionizzazione riempite d’aria che misurano la corrente di ionizzazione media, questo approccio offre una maggiore sensibilità e una capacità di valutare lo spettro di altezza dell’impulso della radiazione.

Naturalmente, il funzionamento di una camera riempita d’aria ambiente in modalità a impulsi è difficile perché è necessario trattare con segnali piuttosto lenti indotti da ioni negativi e positivi che si muovono lentamente, e ciò impone requisiti speciali per la geometria dei rivelatori e per l’elettronica di front-end. Per indagare sulla reale fattibilità di questo metodo, sono stati utilizzati, da alcuni fisici sperimentali, due tipi di rilevatori gassosi, costruiti intorno al 2007 e testati con successo.

Schema di una camera a ionizzazione a piastre piane parallele operante nella modalità classica “a corrente” (a sinistra), e relativa caratteristica tensione-corrente (a destra).

Il primo rivelatore era un rivelatore a filo singolo (oppure multifilo) con geometria cilindrica ed una estremità aperta, funzionante in modalità a impulsi con un guadagno di 1 (camera a ionizzazione in modalità a impulso). Il secondo rivelatore di alfa era un innovativo rivelatore con elettrodi resistivi operante in aria in modalità a valanga ad elevati guadagni (fino a 103). Quest’ultimo ha mostrato un rapporto segnale / rumore molto migliore e, come risultato, una maggiore sensibilità.

Nel seguito vedremo come realizzare il primo tipo di rivelatore, un contatore / spettrometro alfa, e poi illustreremo una tecnica diversa per realizzare il conteggio delle particelle alfa con una camera a ionizzazione operante in modalità a impulso. Se invece siete interessati alle più semplici camere a ionizzazione operanti nella modalità classica, quella a corrente, vi rinviamo ai nostri due articoli Un rivelatore versatile: la camera a ionizzazione (che trovate qui) e Come costruire una camera a ionizzazione (che trovate qui).

Un rivelatore a impulsi con guadagno unitario

La camera a filo singolo era una camera coassiale con un filo anodico polarizzato positivamente di 0,2-2 mm di diametro e con un cilindro catodico intercambiabile con diametro da 14 a 120 mm. Tutti i cilindri esterni avevano fori lungo le superfici ricoperti di pellicola di Mylar di 3 μm di spessore che poteva essere esposta a una sorgente alfa come l’Americio-241. Il filo interno era collegato a un sensibile amplificatore di carica personalizzato e un’alta tensione (HV) era applicata al cilindro esterno.

Schema della camera a ionizzazione a impulsi a geometria cilindrica e filo singolo e dell’amplificatore di carica utilizzato.

I dati dall’amplificatore erano inviati a un personal computer per essere elaborati e visualizzati dal noto software LabView. Si potevano così monitorare allo stesso tempo i segnali analogici dal rivelatore, la frequenza di conteggio e gli spettri di altezza degli impulsi. Il programma permetteva anche di rifiutare impulsi con ampiezze molto piccole e molto alte e impulsi con forma “atipica”, per esempio segnali molto stretti o che non raggiungono il massimo a un terzo della durata dell’impulso.

Il rivelatore poteva funzionare tranquillamente con aria ambiente aperta o, se necessario, essere “lavato” con un gas, come ad es. l’argon. Dato che l’amplificatore era ottimizzato per segnali indotti lenti, aveva un valore piuttosto alto di sensibilità a varie vibrazioni, compreso il rumore acustico, che influisce sul rapporto segnale / rumore. Per risolvere il problema acustico, la camera è stata sospesa all’interno della scatola metallica di schermatura a delle corde di gomma.

Schema della camera a ionizzazione a impulsi sospesa da corde di gomma.

L’attività della sorgente di Americio-241 rivestita con un film in mylar di 3 μm è stata misurata con un dosimetro costituito da uno scintillatore BaF2 collegato a un tubo fotomoltiplicatore (PM). Il conteggio delle particelle alfa è stato effettuato previa eliminazione dei conteggi extra causati dai fotoni da 60 keV emessi dall’Americio-241. Queste misurazioni hanno rivelato che la sorgente alfa utilizzata produceva un tasso di conteggio di 132 conteggi / sec, confermata da un rivelatore di alfa commerciale.

Dopo le calibrazioni, sono state fatte misurazioni con rivelatori a filo singolo utilizzando catodi di vari diametri D e tutti riempiti di aria ambiente. Le misurazioni sono state eseguite in due diverse condizioni: (a) A tensione costante V = costante = -6 kV applicata al cilindro catodico; (b) a campo elettrico costante vicino al filo dell’anodo (E = costante, corrispondente a -6 kV di tensione applicata se il diametro del catodo era D = 20 mm; a grandi diametri la tensione applicata era logaritmicamente aumentata con D).

Un impulso all’uscita del preamplificatore personalizzato prodotto da una particella alfa.

Un preamplificatore “veloce” commerciale professionale usato per rivelatori di fisica delle particelle è insensibile ai segnali lenti sui fili dell’anodo indotti da ioni negativi e positivi, perciò tutte le misurazioni sono state eseguite con il preamplificatore sensibile alla carica “lento” personalizzato illustrato all’inizio. Ad esempio, la figura precedente mostra il segnale delle particelle alfa rilevato da questo amplificatore e quella qui sotto mostra gli spettro dell’altezza dell’impulso.

Il rivelatore è stato anche testato come misuratore di radon (figura qui sotto). Le tracce degli alfa del radon sono distribuite in modo casuale all’interno del volume del rivelatore e in molti casi i loro segnali erano inferiori alla soglia elettronica del sistema di conteggio, che è stata impostata sufficientemente alta per tagliare il rumore acustico parassita. Di conseguenza, la sensibilità del rivelatore era di 40 Bq/m3 per 10 min di misura e di 7 bq/m3 per un tempo di misurazione di 6 ore.

Spettri dell’altezza dell’impulso misurati con la camera di ionizzazione a impulso a filo singolo azionata in aria, una volta calibrata con la sorgente radioattiva.

Efficienza e confronto con la modalità “a valanga”

Il massimo dell’efficienza ottenibile per il rilevamento delle particelle alfa nell’aria è stato di circa il 14% (≈18 conteggi/sec) e la curva dell’efficienza era più alta a diametri catodici maggiori nel caso di un campo elettrico costante vicino al filo dell’anodo. Il calo dell’efficienza verso un D maggiore può essere attribuito all’aumento della ricombinazione elettronica nella regione del campo elettrico debole vicino al catodo e il più piccolo contributo degli ioni positivi alla formazione della forma dell’impulso.

Tuttavia, per il caso di particelle alfa che vengono create in modo uniforme nel volume del gas (che è ad esempio il caso del rilevamento del radon nell’aria) la curva di efficienza dipenderà molto meno da D. Pertanto, in questo caso sarà più favorevole, per ottenere un’elevata sensibilità di rilevamento del radon, utilizzare rilevatori con catodo di grandi diametri fino a 120 mm, e applicare delle tensioni piuttosto elevate, dell’ordine di 8 kV (se non compare la moltiplicazione a valanga).

Risultati delle misurazioni del fondo di radon con una camera di ionizzazione a impulsi a filo singolo illustrata in precedenza: 1-Tasso di conteggio misurato in laboratorio, 2-tasso di conteggio misurato nel seminterrato, 3-il contatore a filo singolo è stato “lavato” con aria fresca presa dall’esterno dell’edificio.

Si noti infatti che, nel caso di fili anodici sottili (<0,25 mm) e di una tensione applicata V > 4 kV, il segnale (e quindi il rapporto segnale / rumore) ha iniziato ad aumentare rapidamente con la tensione a causa della comparsa della moltiplicazione a valanga. D’altra parte, la ionizzazione primaria indotta dai fotoni ad es. a 6 keV è molto più piccola che per le particelle alfa. Pertanto, per ottenere le stesse ampiezze di segnale per i fotoni a 6 keV e particelle alfa sono richiesti guadagni maggiori per i fotoni.

L’efficienza di rilevamento di alfa, con un rivelatore a impulsi in aria libera in modalità a valanga ad elevati guadagni (fino a 103), può essere dell’ordine dell’80% o più, cioè 4 volte superiore rispetto alle misurazioni con la camera illustrata a guadagno unitario. Un tale rivelatore consente di rivelare non solo le singole particelle alfa, ma anche singoli fotoni di raggi X ad alta energia. Inoltre, può venire progettato in modo da non essere molto sensibile alle vibrazioni rispetto alla camera a ionizzazione a impulsi.

Il numero di elettroni prodotti in funzione del potenziale elettrico applicato nei rivelatori riempiti di gas. Si notino i diversi regimi al crescere della tensione, che permettono di passare da un guadagno unitario (regione della camera a ionizzazione a corrente) fino a un guadagno di 1000 volte (regione del contatore proporzionale).

L’impiego delle valanghe in aria per aumentare il rapporto segnale / rumore è stato attentamente studiato. Si è scoperto che il funzionamento in aria non è molto stabile e che le valanghe iniziali possono facilmente trasformarsi in scariche tramite un meccanismo di feedback dei fotoni. Probabilmente per questo motivo l’impiego delle valanghe nell’aria non è stata finora sfruttato in alcun dispositivo pratico (mentre lo è, naturalmente, nei noti contatori Geiger, che usano un gas come argon o elio).

In effetti, i test con camere a ionizzazione a geometria cilindrica ed a filo singolo che operano in aria con modalità “a valanga” mostrano che possono essere raggiunti guadagni vicini a 103 con radiazioni gamma (per le misurazioni dei gamma si può usare, ad esempio, un campione di Cobalto-60); tuttavia l’operazione delle camere a ionizzazione a impulsi a questo guadagno di gas si è dimostrato instabile. Pertanto, l’uso del regime a valanga andrebbe limitato alla rivelazione degli alfa con elevata efficienza.

Una valanga di elettroni scatenata nel regime proporzionale da un singolo elettrone, in teoria (a sinistra) e in pratica (simulazione con il metodo Montecarlo).

Una tecnica di conteggio degli alfa più sofisticata

In passato, si presumeva che il conteggio di particelle alfa in una camera a ionizzazione che usasse l’aria come gas di riempimento potesse essere basato solo sulla raccolta di ioni, poiché gli elettroni prodotti nella traccia delle alfa formano rapidamente ioni negativi nei gas elettronegativi. Ciò porta a risoluzioni temporali non soddisfacenti, dell’ordine di un millisecondo. Sembrava quindi che il problema degli impulsi lenti a causa dei lunghi tempi di raccolta degli ioni non potesse essere risolto.

Infatti, si tratterebbe di rilevare la tensione degli impulsi causati dal movimento dei lenti ioni carichi tra elettrodi opposti. La velocità di tale operazione era ritenuta essere limitata dalla velocità di deriva degli ioni, che è di circa 103 cm/sec a pressione atmosferica e con un’intensità del campo elettrico applicato di 1 kV/cm. Quindi il tempo totale di raccolta della carica per gli ioni è dell’ordine di un millisecondo nelle camere a ionizzazione tradizionali, che spesso lavorano a tensioni anche inferiori.

Se si usano campi elettrici simili (pari ad esempio a 6 kV per una camera a ionizzazione cilindrica da 12 cm di diametro) – che è proprio il caso della camera a ionizzazione a impulsi di cui abbiamo illustrato in precedenza la costruzione – se ci si mantiene nella modalità a guadagno unitario, cioè a potenziali inferiori a quelli della modalità a valanga, sorge il problema discusso prima della sensibilità dell’amplificatore fai-da-te utilizzato a vibrazioni varie ed al rumore acustico.

Il tempo di risoluzione può essere però reso inferiore a un millisecondo grazie all’uso di tecniche di differenziazione e di modellazione dell’impulso. Usando queste tecniche, è stato possibile, ad esempio, raggiungere tempi di risoluzione di 0,1 msec nel conteggio delle particelle alfa da una sorgente di Polonio-210. Questa limitata velocità di conteggio è particolarmente svantaggiosa quando si usa l’aria, poiché essa è elettronegativa per l’elevata concentrazione di ossigeno.

Una sorgente di alfa, il Polonio-210, per uso di laboratorio (calibrazione, etc.).

È ben noto che velocità di conteggio molto più elevate (e dunque tempi di risoluzione assai più brevi, dell’ordine di pochi microsecondi), possono essere raggiunti in camere a ionizzazione contenenti gas non elettronegativi, nelle quali l’operazione di conteggio è basata sulla raccolta degli elettroni. Tuttavia, l’aria è il gas di riempimento più conveniente per un contatore basato su una camera a ionizzazione, perciò sarebbe altamente desiderabile poter raggiungere velocità di conteggio più alte in aria.

In seguito, per fortuna, è stato mostrato che il movimento degli elettroni prima dell’attaccamento fra gli elettroni stessi produce una netta salita iniziale nel profilo dell’impulso che, anche se piccola, può essere rilevata e utilizzata per il conteggio ad alta velocità. Risoluzioni temporali dell’ordine di pochi microsecondi, con buoni rapporti segnale / rumore, possono venire realizzate nell’aria atmosferica, perciò è possibile ottenere velocità di conteggio simili a quelle in gas non-elettronegativi.

In effetti, si può stimare che in aria (dunque una miscela azoto-ossigeno) a pressione atmosferica, e per campi elettrici dell’intensità di 1 kV/cm, gli elettroni viaggino in media a una distanza dell’ordine di un millimetro prima di aggregarsi fra loro, il che significa, per particelle alfa da 5 MeV, poter dar luogo a una differenza di potenziale di 50 μV. L’impulso corrispondente, a causa dell’elevata velocità di spostamento degli elettroni singoli, dovrebbe raggiungere l’altezza appena stimata in circa 0,1 μsec.

I due problemi delle camere a ionizzazione ad aria: la ricombinazione fra ioni positivi e ioni negativi (problema risolvibile collocandosi a un opportuno potenziale) e l’aggregazione fra elettroni a formare ioni negativi.

Questo impulso può essere preso come una funzione a gradino per un amplificatore di strumentazione con banda sufficientemente larga che dà luogo a un’uscita con un tempo di salita dell’impulso inferiore a 1 μsec. È noto che tali amplificatori possono essere fatti operare con un livello di rumore di ingresso di pochi microvolt. Perciò, vi è la possibilità di usare la componente “elettronica” dell’impulso alfa per un conteggio veloce nell’aria e le osservazioni hanno confermato tali aspettative.

Una possibile implementazione pratica

Pertanto, è possibile costruire una camera di ionizzazione con conteggio degli impulsi utilizzante l’aria atmosferica come gas di riempimento, ad es. per misurare la concentrazione di radon nell’aria attraverso la sua attività alfa. Il problema con gli impulsi lenti a causa dei lunghi tempi di raccolta degli ioni può venire risolto con una struttura degli elettrodi appositamente progettata e un’elettronica di modellazione dell’impulso ottimizzata per la massima risoluzione energetica e velocità di conteggio.

Differenze nella rivelazione degli alfa e dei beta con una camera a ionizzazione a impulso. Gli impulsi beta sono più bassi e più larghi (figura a sinistra), e il potenziale da applicare alla camera è un po’ più elevato (figura a destra).

In questo modo può essere ottenuta una risoluzione energetica di 0,25 MeV per i picchi associati al decadimento alfa del radon e dei suoi “figli”. Ciò rende possibile, ad esempio, osservare il Torio (Radon-220) in presenza di radon (Radon-222). Uno strumento del genere può essere piccolo e compatto da risultare portatile e avere una sensibilità di 1 CPM per una concentrazione di circa 50 Bq/m3 (1,4 pCi/l). Pertanto le soluzioni per la misurazione delle particelle alfa sono davvero tante.

La figura qui sotto mostra una delle tante possibili implementazioni di un contatore veloce di alfa basato su una camera a ionizzazione. L’elettrodo ad alta tensione è un disco piano del diametro di 10 cm. Per ottenere un’intensità del campo elettrico piuttosto elevata (circa 4 kV/cm), a una tensione applicata alla camera relativamente bassa (5-6 kV), la distanza fra gli elettrodi può essere scelta di circa 1 cm. Ciò, però, ha una piccola conseguenza di cui occorre essere coscienti.

Schema a blocchi di un contatore di alfa basato su una camera a ionizzazione.

Infatti, una tipica particella alfa spenderebbe in tal caso solo una piccola parte della sua energia totale (circa 5 MeV di energia), corrispondente a un range pieno di 3,8 cm nell’aria atmosferica, nella camera a ionizzazione, ed in ogni caso il grado di ionizzazione dipenderebbe dall’angolo dell’emissione. In esperimenti in cui il conteggio delle particelle alfa fosse connesso con quello della loro energia totale (ad es. per ottenere uno spettro), evidentemente tale limitazione non sarebbe accettabile.

In tal caso, occorrerebbe dunque scegliere una distanza fra gli elettrodi superiore al range pieno, che comporterebbe potenziali applicati alla camera più elevati (fino a 20 kV). Tuttavia, gli esperimenti hanno mostrato che una distanza più piccola fra gli elettrodi – come quella di 1 cm suggerita – forniscono rapporti segnale-rumore adeguati anche con la minor cessione di energia delle particelle alfa. Le fluttuazioni (ripple) nell’alta tensione fornita alla camera vengono in ogni caso smorzate con un filtro RC.

La forma dell’impulso in uscita dalla camera è invece controllata da due filtri, F1 e F2, ognuno dei quali contiene una rete RC passa-alto e passa-basso con uguali costanti di tempo. Poiché gli amplificatori hanno una larghezza di banda in eccesso di 1 MHz, hanno un effetto trascurabile sulla forma dell’impulso in uscita. In ciascun filtro, una di tre differenti costanti di tempo (1, 2 e 4 μsec) può essere scelta attraverso degli switch. La figura qui sotto mostra alcuni impulsi di uscita usando il filtro F1.

Impulsi di particelle alfa con costanti di tempo del filtro, rispettivamente, di 1, 2 e 4 μsec. Il primo impulso è dovuto al moto rapido degli elettroni prima di aggregarsi, mentre la lunga coda (la cui altezza aumenta al crescere della costante di tempo) è il contributo del lento moto degli ioni.

Come si vede, per filtri con costanti di tempo dell’ordine di un microsecondo il profilo dell’impulso dopo l’apparizione di una traccia di particella alfa nella camera può essere considerato composto da un impulso a gradino seguito da una lunga salita (in prima approssimazione lineare) dovuta al moto ionico. La parte di rapida salita e discesa dell’impulso a gradino è dovuta al breve moto degli elettroni, mentre la coda approssimativamente costante è causata dal lungo moto uniforme degli ioni.

Al crescere della costante di tempo il contributo degli ioni all’impulso diviene più grande. A causa della non uniformità della geometria della camera per differenti tracce alfa con angoli diversi entro un angolo solido di 2p, le ampiezze nell’impulso mostrano uno sparpagliamento (spread) di circa il 30%. Tuttavia, ciò non crea problemi poiché vi è un gap sufficiente tra il rumore e le più piccole ampiezze dovute agli alfa, il che permette di raggiungere un efficienza di conteggio vicina al 100%.