Un rivelatore discriminatore: il contatore proporzionale

Un contatore proporzionale non è altro che una camera a ionizzazione modificata: una alla quale viene applicata una tensione più elevata, rendendo il campo elettrico vicino al filo assiale abbastanza intenso da accelerare gli elettroni in avvicinamento a energie così elevate che le loro collisioni con le molecole di gas provocano un’ulteriore ionizzazione. Questo effetto, chiamato “moltiplicazione dei gas”, rende l’impulso elettrico in uscita proporzionale alla ionizzazione prodotta dalla radiazione in ingresso nel contatore, e consente quindi la differenziazione tra particelle di varia natura ed energia.

Un contatore proporzionale, noto anche come rivelatore proporzionale, è un dispositivo elettrico che rileva vari tipi di radiazioni ionizzanti. La tensione del rivelatore viene regolata in modo che le condizioni corrispondano alla cosiddetta “regione proporzionale” della ionizzazione nei rivelatori a gas. In questa regione, la tensione è sufficientemente alta da fornire agli elettroni primari un’accelerazione ed energia sufficienti in modo che possano ionizzare atomi aggiuntivi del mezzo.

Questi ioni secondari (amplificazione del gas) vengono anche accelerati, provocando un effetto noto come “valanga Townsend”, che crea un unico grande impulso elettrico. I contatori proporzionali gassosi operano solitamente in campi elettrici elevati dell’ordine di 10 kV/cm e raggiungono fattori di amplificazione tipici di circa 105. Poiché il fattore di amplificazione è fortemente dipendente dalla tensione applicata, la carica raccolta (segnale di uscita) dipende dalla tensione applicata, che deve essere costante.

In un contatore proporzionale, molti elettroni (10 – 10.000) raggiungono l’anodo per ciascuna coppia di ioni primari prodotta nel gas. Il motivo è che l’elettrone di ciascuna coppia di ioni primari crea ulteriori coppie di ioni “secondari” man mano che si avvicina all’anodo. Queste coppie di ioni secondari sono prodotte in quella che viene chiamata “valanga”.

Questa è una differenza sottile ma importante con le camere a ionizzazione, che producono una corrente proporzionale al numero di elettroni raccolti ogni secondo, la corrente viene mediata e usata per dare una lettura su un display in Bq o μSv/h. I contatori proporzionali, invece, amplificano ciascuna delle singole raffiche di ionizzazione, in modo che ogni evento ionizzante venga rilevato separatamente. Misurano quindi il numero di eventi ionizzanti (motivo per cui sono chiamati contatori).

Il rivelatore proporzionale, a differenza del contatore,  è un rivelatore a gas la cui caratteristica fondamentale è la sua capacità di misurare l’energia della radiazione incidente, producendo un impulso di uscita del rivelatore proporzionale all’energia della radiazione assorbita dal rivelatore a causa di un evento ionizzante. Pertanto può essere usato anche per ottenere uno spettro, come nello spettrometro a raggi X autocostruito illustrato in un altro nostro articolo che puoi trovare qui.

Il rivelatore proporzionale è ampiamente utilizzato laddove è necessario conoscere i livelli di energia della radiazione incidente, ad esempio nella discriminazione tra particelle alfa e beta, o nella misurazione accurata della dose di radiazione dei raggi X. Sia il contatore proporzionale che il rivelatore proporzionale utilizzano una combinazione dei meccanismi di un tubo Geiger – Müller e di una camera di ionizzazione e operano in una regione di tensione intermedia tra questi due altri tipi di rivelatori.

La regione di tensione in cui operano i contatori proporzionali (è quella al centro). Si noti come il segnale prodotto sia oltre 1000 volte più grande rispetto alle camere a ionizzazione, per cui il rapporto segnale / rumore è nettamente migliore.

I vantaggi dell’amplificazione della carica

Il processo di amplificazione della carica migliora notevolmente il rapporto segnale-rumore del rivelatore e riduce la successiva amplificazione elettronica richiesta. Quando gli strumenti vengono azionati nella regione proporzionale, la tensione deve essere mantenuta costante. Se una tensione rimane costante, anche il fattore di amplificazione del gas non cambia. Gli strumenti di rilevamento basati su un contatore proporzionale sono molto sensibili ai bassi livelli di radiazione.

Sebbene le camere a ionizzazione possano venir fatte funzionare in modalità a impulsi, l’ampiezza del segnale ottenibile è estremamente piccola. Ad esempio, quando una particella carica quale una particella alfa di 1 MeV deposita tutta la sua energia all’interno della camera, il numero di coppie di ioni prodotte è 2,86 × 104 per un valore di 35 eV / coppia di ioni. La capacità di un tipico rilevatore, 10-10 F, porta all’ampiezza dell’impulso di 46 μV, che è evidentemente assai piccola.

Pertanto, in quel caso si richiede un sofisticato preamplificatore a basso rumore e un’elettronica per l’elaborazione degli impulsi, come illustrato nel ns. articolo Come realizzare un rivelatore di alfa a impulsi, che trovi qui. Se la radiazione incidente è un elettrone veloce o un fascio di raggi gamma, allora l’ampiezza dell’impulso è ancora più piccola. Un contatore proporzionale utilizza il fenomeno della moltiplicazione del gas per aumentare la dimensione dell’impulso di fattori di centinaia o migliaia di volte.

L’impulso all’uscita dal preamplificatore, nell’ordine dei millivolt, prodotto da una particella alfa in una camera a ionizzazione operante in modalità a impulso.

Di conseguenza, le altezze degli impulsi del contatore proporzionale sono nell’intervallo dei millivolt anziché dei microvolt, e quindi gli impulsi possono essere elaborati molto più facilmente. Mediante opportune disposizioni funzionali, modifiche e polarizzazione, il contatore proporzionale può essere usato per rilevare la radiazione alfa, beta, gamma o neutronica in campi di radiazione misti. Inoltre, i contatori proporzionali sono in grado di identificare le particelle e di misurare la loro energia (spettroscopia).

L’impulso in uscita da questo tipo di rivelatore operante in regime proporzionale, infatti, dipende dal tipo di radiazione, ma, cosa importante, dipende dall’energia della radiazione incidente. L’altezza dell’impulso riflette difatti l’energia depositata dalla radiazione incidente nel gas del rivelatore (come nei rivelatori a scintillazione). Pertanto, è possibile distinguere gli impulsi più grandi prodotti dalle particelle alfa dagli impulsi più piccoli prodotti dalle particelle beta o dai raggi gamma.

Mentre le camere a ionizzazione possono essere utilizzate in modalità corrente o impulso, i contatori proporzionali (proprio come i contatori Geiger) sono quasi sempre utilizzati in modalità impulso. I rivelatori di radiazioni ionizzanti possono essere utilizzati sia per la misurazione dell’attività di radioisotopi che per la misurazione della dose alla quale si è esposti. Con la conoscenza dell’energia necessaria per formare una coppia di ioni, infatti, è possibile ottenere la dose in questione.

L’energia media per particella perduta per ogni coppia di ioni formata (W-value) per differenti gas e (a sinistra) il potenziale di prima ionizzazione (in eV).

L’argon e l’elio sono i gas di riempimento più utilizzati (sono gli stessi gas impiegati anche nei tubi dei contatori Geiger) e consentono il rilevamento di radiazioni alfa, beta e gamma. Per il rilevamento dei neutroni, Elio-3 e BF3 (trifluoruro di boro) sono i gas più comunemente utilizzati. Per scopi speciali sono state utilizzate altre miscele di gas, come una miscela di gas equivalente ai tessuti biologici composta da 64,4% di metano, 32,4% di anidride carbonica e 3,2% di azoto.

Funzionamento di un contatore proporzionale

Il contatore proporzionale ha un catodo e un anodo fra cui è mantenuta una certa tensione (superiore a 1000 V) e il dispositivo è caratterizzato da una capacità che è determinata dalla geometria degli elettrodi. In un contatore proporzionale il gas di riempimento della camera è un gas inerte che viene ionizzato dalla radiazione incidente e un gas di raffreddamento per garantire che ogni scarica a impulsi termini; una miscela comune è il 90% di argon, il 10% di metano, nota come P-10.

Schema di base di un contatore proporzionale.

Per ogni elettrone raccolto nella camera, rimane uno ione gassoso caricato positivamente. Questi ioni di gas sono pesanti rispetto a un elettrone e si muovono molto più lentamente. Gli elettroni liberi sono molto più leggeri degli ioni positivi, quindi vengono attirati verso l’elettrodo centrale positivo molto più velocemente di quanto gli ioni positivi vengano attirati verso la parete della camera. La risultante nuvola di ioni positivi vicino all’elettrodo porta a distorsioni nella moltiplicazione del gas.

Alla fine gli ioni positivi si allontanano dal filo centrale caricato positivamente verso la parete caricata negativamente e vengono neutralizzati guadagnando un elettrone. Nel processo, viene emessa una certa energia, che causa un’ulteriore ionizzazione degli atomi di gas. Gli elettroni prodotti da questa ionizzazione si muovono verso il filo centrale e si moltiplicano lungo il percorso. Questo impulso di carica non è correlato alla radiazione da rilevare e può innescare una serie di impulsi.

In pratica la terminazione della valanga è migliorata dall’utilizzo di tecniche di “spegnimento” (quencing). Le molecole del gas di quencing hanno un’affinità più debole per gli elettroni rispetto al gas della camera; pertanto, gli atomi ionizzati del gas della camera prendono prontamente elettroni dalle molecole del gas di spegnimento. Le molecole ionizzate del gas di spegnimento vengono neutralizzate acquisendo un elettrone e l’energia liberata non provoca ulteriore ionizzazione, ma la dissociazione della molecola.

Alcuni tipi di gas usati nei contatori proporzionali. K è il rapporto fra campo elettrico E e pressione p del gas alla soglia della moltiplicazione a valanga. Il deltaV è la differenza di potenziale attraverso la quale un elettrone si muove tra due eventi di ionizzazione successivi.

Quando la radiazione ionizzante entra nel gas tra gli elettrodi del rivelatore, si forma un numero finito di coppie di ioni. In aria, l’energia media necessaria per produrre uno ione è di circa 34 eV, quindi una radiazione da 1 MeV completamente assorbita nel rivelatore produce circa 3 x 104 coppie di ioni. Il comportamento delle coppie ioniche risultanti è influenzato, in pratica, dal gradiente di potenziale del campo elettrico all’interno del gas e dal tipo e dalla pressione del gas di riempimento.

Sotto l’influenza del campo elettrico applicato agli elettrodi del contatore proporzionale, gli ioni positivi si sposteranno verso l’elettrodo caricato negativamente (cilindro esterno) e gli ioni negativi (elettroni) migreranno verso l’elettrodo positivo (filo centrale). Il campo elettrico in questa regione impedisce agli ioni di ricombinarsi con gli elettroni. Nelle immediate vicinanze del filo dell’anodo, l’intensità del campo diventa abbastanza grande da produrre valanghe di Townsend.

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

Questa regione di valanga si trova solo a frazioni di millimetro dal filo anodico, che a sua volta ha un diametro molto piccolo. Un obiettivo chiave del rivelatore è che ogni evento ionizzante dovuto alla radiazione incidente produca solo una valanga. I fattori di amplificazione del gas possono variare dall’unità nella regione di ionizzazione a 103 o 104 nella regione proporzionale. L’elevato fattore di amplificazione del contatore proporzionale è il principale vantaggio rispetto alla camera a ionizzazione.

Impieghi nella spettrometria e nel rivelare traiettorie

La raccolta di tutti questi elettroni produrrà una carica sugli elettrodi e un impulso elettrico attraverso il circuito di rilevamento. Ogni impulso corrisponde a un raggio gamma o interazione particellare. L’altezza dell’impulso è proporzionale al numero di elettroni originali prodotti. Ma in questo caso l’altezza dell’impulso è notevolmente amplificata dal rilevatore. Il numero di elettroni prodotti è proporzionale all’energia della particella incidente, moltiplicata per il fattore di amplificazione del gas.

Pertanto, i contatori proporzionali sono in grado di identificare le particelle e di misurare l’energia (cioè di fare spettroscopia). Diverse energie di radiazione e diversi tipi di radiazione possono essere distinte analizzando l’altezza dell’impulso, poiché differiscono in modo significativo nella ionizzazione primaria. Dato che il processo di amplificazione della carica migliora notevolmente il rapporto segnale-rumore del rivelatore, la successiva amplificazione elettronica di solito non è richiesta.

Spettro dell’altezza dell’impulso e curva di conteggio in un rivelatore proporzionale.

I contatori proporzionali possono essere utilizzati, ad esempio, come spettrometri per analizzare uno spettro di radiazioni alfa oppure uno spettro di particelle beta.  La risoluzione energetica di un contatore proporzionale, invece, risulta essere limitata, in quanto sia l’evento di ionizzazione iniziale che il successivo evento di “moltiplicazione” sono soggetti a fluttuazioni statistiche caratterizzate da una deviazione standard pari alla radice quadrata del numero medio formato.

Un contatore proporzionale sferico di grande volume può essere utilizzato anche per misurazioni di neutroni. Il gas N2 puro è usato per la rivelazione termica e veloce dei neutroni, fornendo un nuovo modo per la spettroscopia dei neutroni. I neutroni vengono rilevati tramite le reazioni 14N (n, p) 14C e 14N (n, α) 11B. Va notato che, per la spettrometria gamma, i rivelatori più comuni includono contatori a scintillazione di ioduro di sodio (NaI) e rivelatori al germanio di elevata purezza.

Un contatore proporzionale può lavorare anche in regime Geiger o in regime semi-proporzionale, per avere dei segnali indotti più alti e quindi diminuire il costo dell’elettronica. In questo modo, però, si perdono totalmente o parzialmente le informazioni riguardanti l’energia della radiazione primaria. Pertanto, questo ci fa capire anche quale sia la differenza fra i due tipi di contatore. Il contatore proporzionale, come suggerisce il nome, produce un’uscita proporzionale all’energia della radiazione.

Un tubo Geiger, viceversa, può in teoria essere fatto lavorare in regime proporzionale fornendogli una tensione opportunamente più bassa, per cercare di avere informazioni sull’energia. Tuttavia, il problema è che il tubo è troppo piccolo per raccogliere gran parte dell’energia delle particelle incidenti persa lungo il loro cammino.

Un contatore Geiger-Müller risulta dall’applicazione di una tensione ancora più elevata agli elettrodi di un contatore proporzionale. Le singole particelle di vario genere ed energia che entrano in un contatore Geiger-Müller producono essenzialmente lo stesso grande impulso di uscita, rendendo lo strumento un eccellente contatore di singole particelle. La miscela di gas presente all’interno di un contatore Geiger estingue poi la valanga di ioni prodotta da una singola particella di radiazione.

Un particolare tipo di rivelatore proporzionale è la camera proporzionale multifilo, un tipo di contatore proporzionale utilizzato soprattutto nella fisica delle particelle ad alta energia per rilevare particelle cariche e fotoni. Esso può fornire informazioni di posizione sulla loro traiettoria, sostituendo di fatto le camere a nebbia e le più recenti camere a bolle. Questo dispositivo è stato sviluppato da Georges Charpak e dai suoi collaboratori, fruttandogli il Premio Nobel per la fisica nel 1992.

Schema di base di una camera proporzionale multifilo.

La camera multifilo (in sigla, MWPC) utilizza una matrice di fili ad alta tensione (anodo), che attraversano una camera con pareti conduttive mantenute al potenziale di terra (catodo). Il principio è quello di avere un piano di fili anodici posizionato precisamente, con interassi tipici di circa 2 mm. L’intuizione di base avuta da Charpak fu che ogni filo funzionasse come un contatore proporzionale. Calcolando gli impulsi provenienti da tutti i fili, è possibile ricostruire la traiettoria delle particelle.

Un nuovo tipo di contatore proporzionale è il Gas Electron Moltiplicator (GEM). Un sottile foglio isolante (circa 50 μm di spessore) è rivestito su entrambi i lati con uno strato di rame spesso 5 μm. Quando viene applicata un’alta tensione (circa 500 V), all’interno dei fori (larghi circa 70 μm) si forma un forte campo elettrico che porta al processo di moltiplicazione. Poiché la struttura del rilevatore stessa è pixelizzata, il GEM è un modo interessante per costruire un rivelatore di gas sensibile alla posizione.

La struttura di un GEM (diametro dei fori 70 micrometri) e le linee equipotenziali del campo elettrico nei fori del GEM.

Il design di un contatore proporzionale

La costruzione della camera a ionizzazione è diversa da quella di un contatore proporzionale: il design a piastra piana è preferito, oppure possono essere utilizzati due cilindri concentrici per consentire l’integrazione di impulsi prodotti dalla radiazione incidente. I contatori proporzionali (ed i contatori Geiger), invece, utilizzano quasi sempre il cilindro e l’elettrodo centrale. Il contatore proporzionale richiederebbe infatti un controllo così esatto del campo elettrico tra gli elettrodi piani da non essere pratico.

I contatori proporzionali sotto forma di rivelatori piani di ampia area sono tuttavia utilizzati per controllare la contaminazione radioattiva su personale, superfici piane, strumenti e capi di abbigliamento. I contatori proporzionali vengono normalmente usati per rilevare le particelle alfa e beta e possono consentire la discriminazione tra questi due diversi tipi di particelle fornendo in uscita impulsi proporzionali all’energia depositata nella camera da ciascuna particella.

I contatori proporzionali hanno un’efficienza elevata per le beta, ma inferiore per le alfa. Affinché le particelle alfa e beta possano essere rilevate da contatori proporzionali, devono essere dotate di una finestra sottile. Questa “finestra finale”, in quanto di solito posta a un’estremità del rivelatore, deve essere 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.

Due esempi di tubi commerciali low-cost russi contenenti Elio-3, utilizzabili per realizzare un contatore proporzionale fai-da-te.

La finestra è solitamente realizzata in mica con una densità di circa 1,5-2,0 mg/cm2 per consentire alle particelle beta a bassa energia (ad esempio dal Carbonio-14) di entrare nel rilevatore. La riduzione dell’efficienza per le alfa è dovuta all’effetto di attenuazione della finestra, sebbene la distanza dalla superficie controllata abbia anche un effetto significativo e idealmente una sorgente di radiazione alfa dovrebbe distare meno di 10 mm dal rivelatore a causa dell’attenuazione nell’aria.

I raggi gamma hanno pochissimi problemi a penetrare nelle pareti metalliche della camera. Pertanto, i contatori proporzionali possono essere utilizzati per rilevare radiazioni gamma e raggi X (tubi a parete sottile), noti collettivamente come fotoni, e per questo viene utilizzato il tubo senza finestre. Lo svantaggio principale dell’utilizzo di contatori proporzionali negli strumenti portatili è che richiedono un’alimentazione e un amplificatore molto stabili per garantire condizioni operative costanti.

Schema di un rivelatore proporzionale di neutroni con tubo a He-3.