I contatori proporzional

I contatori proporzionali su cui sono basati diversi tipi di dosimetri per radioprotezione sono rivelatori con volume generalmente più piccolo di quello tipico delle camere a ionizzazione. Infatti la moltiplicazione della carica tipica di questo tipo di rivelatori fa sì che, a parità di altre condizioni (campo di radiazione, volume e materiali del rivelatore ecc.), essi abbiano una sensibilità molto maggiore di quella delle camere a ionizzazione. Questa maggiore sensibilità può variare di un fattore da 10³ a 10⁶, a seconda del fattore di moltiplicazione del contatore considerato. La configurazione di base di un contatore proporzionale è mostrata in figura 8.11. Lo schema generale è quello tipico di un rivelatore a gas dove però, a differenza della camera a ionizzazione, è molto importante che l’elettrodo centrale sia costituito da un filamento molto sottile. Questo è un requisito costruttivo del contatore proporzionale, poiché grazie a questa configurazione è possibile raggiungere campi elettrici elevati in prossimità dell’anodo anche con modeste differenze di potenziale fra catodo (l’involucro metallico esterno) e anodo (l’elettrodo centrale). Se la forma del contatore è cilindrica, come nello schema mostrato in figura 8.11, il campo elettrico

 

E diminuisce fortemente all’aumentare della distanza, r, dall’elettrodo centrale (sull’asse del rivelatore) essendo:

 

_{ }

ln

 (8.10)

dove V è la differenza di potenziale tra gli elettrodi, a è il raggio del filamento (l’elettrodo centrale) e b è il raggio interno dell’involucro

cilindrico (l’elettrodo esterno). Il rapporto a/b nei contatori proporzionali è di norma inferiore a 10⁻³. In prossimità dell’elettrodo centrale, lungo tutta la sua estensione, si hanno i valori più elevati dell’intensità del campo elettrico. Il valore massimo del campo elettrico si ha sulla superficie dell’anodo dove, a parità delle altre condizioni, il campo è tanto maggiore quanto minore è il raggio dell’anodo. Si ha infatti dalla (8.10):

 

_{ }

Solo nella regione del contatore vicinissima all’elettrodo centrale, il campo elettrico è sufficientemente intenso (almeno 10⁶ V m⁻¹) da permettere la raccolta delle cariche prodotte dalle ionizzazioni e da innescare il processo della loro moltiplicazione. Il volume, intorno all’anodo, entro cui avviene il processo di moltiplicazione e di raccolta della carica è piccolissimo rispetto al volume totale del contatore, essendo il rapporto fra questi due volumi dell’ordine di 10⁻⁵. Da ciò consegue che i segnali prodotti da un contatore proporzionale sono quelli dovuti ai soli eventi originati nelle immediate vicinanze del filamento centrale. Se tale circostanza non fosse verificata, l’ampiezza di ciascun impulso fornito dal contatore dipenderebbe anche dal punto, interno al rivelatore, dove ha avuto luogo l’evento iniziale di ionizzazione da cui l’impulso deriva. Grazie alla loro elevata sensibilità i contatori proporzionali, anche se di volume relativamente piccolo, sono utilizzabili per la dosimetria in campi di radiazione poco intensi come quelli che più frequentemente si riscontrano nelle misure ambientali. Per misure di radiazioni x e gamma la sensibilità dei contatori proporzionali è resa ulteriormente elevata (rispetto alle camere a ionizzazione) dall’elevato numero atomico, Z, dei materiali di cui sono costituiti sia il gas che le pareti di gran parte di questi rivelatori.

I gas usati nei contatori proporzionali devono essere tali da dar luogo a un elevato fattore di amplificazione e minimizzare il fenomeno della ricombinazione ionica. Questa necessità esclude l’uso di gas come l’aria (che contiene ossigeno) e comporta l’impiego di gas non elettronegativi come i gas nobili e fra essi, prevalentemente, quelli con più alto numero atomico. Un gas tipicamente utilizzato nei contatori proporzionali è l’argon, di norma miscelato con metano (10%) per impedire la formazione di scariche.

I contatori proporzionali consentono non solo misure di fluenza di radiazioni ma anche misure spettrometriche, cioè di distribuzione dell’energia della radiazione incidente. Le misure spettrometriche con i contatori proporzionali sono rese possibili dal fatto che essi possono agevolmente operare in regime impulsivo. A differenza di quanto accade

in una camera a ionizzazione in cui un evento di ionizzazione dovuto a una particella produce un impulso di carica di piccola ampiezza, l’impulso prodotto da un contatore proporzionale a seguito dell’interazione di una particella con caratteristiche simili è sempre molto più ampio grazie al suo elevato fattore di moltiplicazione. Pertanto, mentre alle camere a ionizzazione sono associati prevalentemente circuiti che ne misurano la corrente (o la carica prodotta entro un dato intervallo di tempo) ai contatori proporzionali sono invece di norma associati circuiti di tipo impulsivo. La spettrometria è basata sul conteggio e sull’analisi degli impulsi prodotti dal contatore, in quanto l’energia delle particelle del campo di radiazione è proporzionale all’ampiezza degli impulsi che esse generano nel contatore, mentre la loro fluenza è correlata al numero degli impulsi misurati.

Il circuito di misura generalmente associato a un contatore proporzionale ha uno schema di base come quello mostrato in figura 8.12. Il segnale generato dal rivelatore è inviato a un preamplificatore il cui ruolo è anzitutto quello di adattatore di impedenza. Il preamplificatore (con una bassa impedenza di uscita) consente di ottimizzare l’accoppiamento elettrico fra il rivelatore e l’amplificatore (con una elevata impedenza di ingresso) evitando che il debole segnale fornito dal rivelatore sia eccessivamente attenuato allo stadio di ingresso dell’amplificatore. Il preamplificatore effettua al contempo una iniziale amplificazione del segnale del rivelatore prima che esso pervenga all’amplificatore per la sua

Figura 8.11 - Schema di un contatore proporzionale costituito da un involucro

metallico (catodo) al cui interno si trova il gas di riempimento (tipicamente una miscela di argon-metano) e l’anodo di raccolta delle cariche. Fra catodo e anodo esiste un campo elettrico non uniforme generato dalla differenza di potenziale V₀. L’anodo del contatore è un sottile filamento metallico tale che il campo elettrico nelle sue immediate vicinanze è sufficientemente elevato da innescare il processo di moltiplicazione delle cariche prodotte dalla ionizzazione. Lo spessore, 2a, dell’anodo (v. riquadro) è molto più piccolo del diametro, 2b, del catodo cilindrico

amplificazione definitiva. Ciascun impulso in uscita dall’amplificatore ha un’ampiezza proporzionale all’energia della particella che lo ha generato. Se s’intende fare una spettrometria del campo di radiazione incidente sul rivelatore, la distribuzione delle ampiezze di questi impulsi può essere determinata mediante un analizzatore di ampiezza che usualmente è costituito da un computer dotato di un convertitore analogico digitale. Se invece lo scopo della misura è di determinare solo il numero di particelle incidenti, l’analizzatore multicanale può essere sostituito da un più semplice contatore di impulsi. La misura dell’energia è subordinata alla possibilità che le particelle che interagiscono con il gas del rivelatore perdano al suo interno tutta la loro energia. Nel caso della radiazione x o gamma con energie non superiori a qualche decina di keV l’impiego tipico di gas ad alto Z, la cui sezione d’urto è per questa radiazione particolarmente elevata (cfr. cap. 3), permette di fare sia misure spettrometriche che misure di fluenza. Al crescere dell’energia dei fotoni, la bassa densità tipica dei gas non consente, anche per valori alti dello Z del gas, di far arrestare all’interno del rivelatore le particelle. Per fotoni con energia al di sopra dei 50-60 keV i contatori proporzionali non sono quindi adatti per misure spettrometriche. Per misure di fluenza di radiazione gamma (e di tutte le grandezze correlabili mediante taratura alla fluenza) i contatori proporzionali sono invece praticamente sempre utilizzabili. È necessario però tener conto del fatto che la risposta in energia, RE,G , dei

contatori proporzionali è in genere piuttosto pronunciata per la misura

Figura 8.12 - Schema delle componenti principali di un circuito di misura associato

a un contatore proporzionale. Il segnale di tensione prodotto dal rivelatore, dopo un primo stadio di amplificazione da parte del preamplificatore, è ulteriormente amplificato dall’amplificatore allo scopo di: a) poter essere inviato a un circuito di conteggio degli impulsi se l’obiettivo della misura è determinare soltanto la fluenza di particelle, oppure, b) poter essere elaborato da un analizzatore di ampiezze (multicanale) se s’intende determinare sia il numero delle particelle che hanno interagito con il contatore sia la loro distribuzione di energia

delle grandezze dosimetriche, G, in campi di fotoni con energia inferiore a qualche centinaio di keV. Questa circostanza, dovuta ai materiali ad alto Z di cui sono di norma fatti i contatori proporzionali, rende l’uso di questi rivelatori più critico rispetto alle camere a ionizzazione.

I contatori proporzionali sono invece quasi sempre utilizzabili per la spettrometria di particelle cariche come la radiazione beta e la radiazione alfa in quanto le radiazioni alfa e beta emesse dalla gran parte dei radionuclidi sono completamente assorbite nel gas anche dopo averne attraversato piccoli spessori (non oltre qualche centimetro) tipici delle dimensioni dei più comuni contatori proporzionali.

Nelle misure della radiazione alfa e beta mediante contatori proporzionali è molto importante tener conto degli effetti di assorbimento della radiazione da parte delle pareti del contatore. Per tener conto di questi effetti i contatori per radiazione alfa e beta devono essere dotati di “finestre” molto sottili tali da rendere trascurabile l’energia persa dalla radiazione nel loro attraversamento. La finestra di un contatore viene realizzata praticando sulla parete del contatore un’apertura che viene sigillata mediante una lamina (di materiale plastico, di mica o di berillio ecc.) molto più sottile delle pareti del contatore. La misura delle particelle alfa è particolarmente critica in quanto possono essere necessarie a tale scopo finestre con spessori dell’ordine di 1 mg cm⁻². Se l’energia della radiazione è molto bassa e/o lo spessore della finestra del contatore non è sufficientemente sottile, è necessario disporre di particolari contatori proporzionali che consentano di introdurre (e poi estrarre) la sorgente al loro interno. Con questo tipo di contatori l’efficienza di rivelazione per radiazione alfa e beta può raggiungere valori compresi fra circa il 50% e il 100%.

I contatori proporzionali possono essere usati anche per misure di neutroni se si usano gas caratterizzati da una elevata sezione d’urto di interazione con i neutroni. Idonei gas di riempimento a tale scopo sono il trifluoruro di boro (BF₃) e l’elio-3 (³He). I neutroni interagendo con i nuclei di ¹⁰B o di ³He danno luogo a reazioni nucleari con produzione di particelle alfa e protoni, rispettivamente. Nei contatori con BF₃ la reazione è del tipo 10B

 

reazione 3He

 

queste reazioni sono poi rivelati dal contatore con altissima efficienza. Le reazioni neutroniche con il ¹⁰B e l’³He hanno una sezione d’urto che è molto elevata per i neutroni termici e che decresce rapidamente al crescere dell’energia dei neutroni. Cionondimeno i contatori a BF₃ e a ³He possono sono usati anche per la misura di neutroni veloci. A tal fine si dispone intorno al contatore uno strato di materiale idrogenoso (cfr. § 3.4) che, termalizzando i neutroni veloci incidenti sul rivelatore, ne rende possibile la rivelazione con una elevata efficienza. Su questo

metodo è basato il cosiddetto “remcounter”, un tipo di dosimetro per il monitoraggio ambientale dei neutroni sia termici che veloci. I “remcounter”, realizzati specificamente per misurare l’equivalente di dose (cfr. cap. 4), hanno come rivelatore un contatore proporzionale (cilindrico o sferico) il cui gas di riempimento è di norma BF₃ o ³He. Il rivelatore di un remcounter è circondato da strati di materiali diversi (tipicamente polietilene come moderatore e cadmio e piombo come attenuatori) ciascuno con opportuno spessore. Lo scopo di questi materiali è di far sì che il contatore abbia una risposta in termini di equivalente di dose, RE,H, ragionevolmente costante nell’intervallo di

energia fra 0,025 eV e 10 MeV circa.