Rivelatore a gas

In fisica delle particelle un rivelatore a gas è un rivelatore di particelle, cioè un dispositivo che rivela la presenza di particelle, ed eventualmente altre grandezze, come l'energia cinetica. Se una particella che passa attraverso un gas ha un'energia sufficiente per ionizzarlo produce delle coppie elettrone-ione lungo la sua traccia. Queste coppie possono essere raccolte usando un campo elettrico, che fa migrare gli elettroni verso l'anodo positivo, e gli ioni verso il catodo negativo. La carica misurata in alcuni casi è proporzionale all'energia della particella.[1]

I rivelatori a gas si suddividono in camere a ionizzazione, contatori proporzionali e contatori Geiger-Müller. La camera a fili è un rivelatore simile al contatore proporzionale, ma con molti elettrodi ed è quindi sensibile alla posizione.[1]

Principio generale di funzionamento

Schema di base di un rivelatore a gas. La forma del contenitore del gas (in grigio) è generica; in blu gli elettrodi, V è la tensione applicata e M un generico strumento di misurazione adatto a misurare la corrente elettrica.

Nella sua configurazione di base, un rivelatore a gas è costituito da un contenitore riempito di gas e in cui sono contenuti due elettrodi; essi sono collegati a un generatore di tensione (V) e a uno strumento di misurazione (M) secondo lo schema a fianco. La tensione ionizza il gas: gli ioni positivi migreranno verso il catodo, gli elettroni verso l'anodo. Un opportuno circuito elettronico (M) elabora il segnale di carica fornito dal rivelatore e restituisce un segnale proporzionale alla ionizzazione e quindi al numero delle particelle ionizzanti che l'hanno prodotta. Tale segnale può essere una corrente elettrica o una serie di impulsi.[1]

A seconda della tensione applicata, il segnale raccolto cambia (aumenta con l'aumentare di V) permettendo di definire la curva caratteristica di un rivelatore di particelle dove l'intensità di corrente I è espressa in funzione della differenza di potenziale V (figura 1). Qui è possibile definire tre regioni con un regime ben distinto:[2]

Figura 1
  1. regime di camera a ionizzazione
  2. regime di contatore proporzionale
  3. regime di contatore Geiger-Müller.

Regime di camera a ionizzazione

Le camere a ionizzazione operano a bassa intensità di campo elettrico, selezionata in modo tale da non causare moltiplicazione di ioni del gas.

La corrente ionica viene generata dalla creazione di "coppie di ioni", costituite da uno ione e un elettrone. Gli ioni migrano verso il catodo, mentre gli elettroni liberi migrano verso l'anodo sotto l'influenza del campo elettrico. Si vede dalla figura 1 che in questa regione l'intensità di corrente varia pochissimo con il crescere della tensione, quindi si può dire che un rivelatore che opera in "regime di camera a ionizzazione" ha una risposta indipendente dalla differenza di potenziale applicata.[3]

Infatti nella parte iniziale del regime di camera a ionizzazione (valori di tensione molto bassi) le cariche che migrano agli elettrodi sono poche perché prevale il fenomeno di ricombinazione tra cariche di segno opposto; gli effetti di ricombinazione della carica sono praticamente sempre trascurabili se il gas di riempimento è un gas nobile e in generale da gas non elettronegativi.[4]

All'aumentare della tensione, però, la migrazione di cariche prevale sulla ricombinazione ed esse iniziano ad accumularsi agli elettrodi. Per valori ancora più alti la carica aumenta con andamento asintotico, fino a raggiungere un valore simile a un valore di saturazione, motivo per cui la corrente elettrica (il segnale raccolto) è praticamente indipendente dalla differenza di potenziale applicata.[5]

Gli svantaggi sono una bassa potenza in uscita che richiede un circuito elettrometrico sofisticato e il funzionamento e la precisione sono facilmente influenzati dall'umidità.[6]

Regime di contatore proporzionale

Figura 2

Nel regime di contatore proporzionale si hanno contatori che operano a una tensione leggermente più elevata, selezionata in modo da generare valanghe di elettroni (come per esempio la valanga Townsend). Ogni coppia di ioni produce una singola valanga, generando così un impulso di corrente in uscita proporzionale all'energia depositata dalla radiazione.[7]

Gli svantaggi sono che i fili anodici sono delicati e possono perdere efficienza nei rivelatori a flusso di gas a causa della deposizione, l'efficienza e il funzionamento sono influenzati dall'ingresso di ossigeno nel gas di riempimento e le finestre di misurazione si danneggiano facilmente nei rivelatori di grandi dimensioni. I rivelatori di gas a micropattern (MPGD) sono rivelatori di gas ad alta granularità con distanze sub-millimetriche tra gli elettrodi di anodo e catodo. I principali vantaggi di queste strutture microelettroniche rispetto alle tradizionali camere a filo includono: capacità di conteggio, risoluzione temporale e spaziale, granularità, stabilità e resistenza alle radiazioni.[8]

Regime di contatore Geiger-Müller

Aumentando ancora la tensione, si arriva al regime di contatore Geiger-Müller.[7]

In questa regione i fenomeni di ionizzazione sono caratterizzati da effetti non lineari causati da processi di ionizzazione a valanga che, a partire dal punto in cui ha luogo la ionizzazione iniziale, si diffondono all’interno del rivelatore. Ciò è innescato dai fotoni ultravioletti di diseccitazione di alcuni tipi di molecole contenute nel gas che, nell'attraversarlo, producono ionizzazioni in diversi punti all'interno del rivelatore, dando luogo a un fenomeno di scarica lungo tutto il suo volume. A seguito di questi effetti la proporzionalità del segnale all'energia depositata nel gas dalla radiazione ionizzante scompare gradualmente perché il passaggio di ogni particella provoca infatti la cosiddetta "scarica Geiger" che satura il segnale rendendolo praticamente costante e quindi indipendente dalla quantità di ioni prodotti dalla particella incidente.[9]

Gli impulsi di corrente prodotti dagli eventi di ionizzazione vengono inviati a un'elettronica di elaborazione che può ricavare una visualizzazione della velocità di conteggio o della dose di radiazione e, solitamente, nel caso di strumenti portatili, un dispositivo acustico che produce dei ticchettii.

Note

  1. 1 2 3 Laitano, 2015, p. 182
  2. ↑ Laitano, 2015, p. 184
  3. ↑ Laitano, 2015, pp. 182-183
  4. ↑ Laitano, 2015, p. 190
  5. ↑ Laitano, 2015, p. 183
  6. ↑ (EN) Syed Ahmed, Physics and Engineering of Radiation Detection, Elsevier, 2007, p. 182, ISBN 978-0-12-045581-2.
  7. 1 2 (EN) Glenn F Knoll, Radiation detection and measurement, John Wiley and son, 2000, ISBN 0-471-07338-5.
  8. ↑ (EN) S.D. Pinto, Micropattern gas detector technologies and applications the work of the RD51 collaboration, in IEEE Nuclear Science Symposuim & Medical Imaging Conference, 2010, pp. 802–807, DOI:10.1109/NSSMIC.2010.5873870, ISBN 978-1-4244-9106-3.
  9. ↑ Laitano, 2015, p. 185

Bibliografia

  • Raffaele Fedele Laitano, Fondamenti di dosimetria delle radiazioni ionizzanti, 4ª ed., Roma, ENEA, ottobre 2015, ISBN 978-88-8286-319-7.

Voci correlate

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