Sistema di conteggio della radioattività (RCS)

Il sistema di conteggio della radioattività è costituito da tre rivelatori Geiger-Muller (RE201, RE202 e RE203) che sono posizionati immediatamente a monte e a valle del letto di ritardo (rivelatori RE201 e RE202) e immediatamente a valle della valvola di controllo della pressione (PCV201) il rivelatore RE203. I rivelatori Geiger-Muller sono del tipo LND720, LND725 e LND 712 a doppia finestra beta e gamma. I primi due sono utilizzati rispettivamente per pressioni minori o uguali a 5 bar e minori o uguali a 9 bar, mentre il terzo ha la finestra in mica ed è utilizzabile solo a pressione atmosferica. I modelli acquistati sono riportati nelle Figure 5.10a e b.

Figura 5.10a - Rivelatori Geiger-Muller modelli LND 720 e LND 725.

Figura 5.10b - Rivelatore Geiger-Muller modello LND712.

Le strutture di supporto dei rivelatori sono state progettate e realizzate appositamente per il loro impiego, all’interno del circuito sperimentale di prova, utilizzando acciaio

inox del tipo AISI304. Il gas nobile radioattivo in movimento, disciolto all’interno del gas di trasporto, attraversa le strutture di supporto contenenti i rivelatori i quali all’interno di un certo tempo (∆t) effettuano la misura dei conteggi. I valori misurati sono trasferiti e acquisiti dalla stazione di controllo mediante un dedicato sistema di registrazione della radioattività.

Nelle Figure 5.11 a e b sono riportate le foto delle strutture di supporto dei rivelatori.

Figura 5.11a – Struttura di supporto per i rivelatori Geiger-Muller modello LND725 e LND 720.

Figura 5.11b – Struttura di supporto per il rivelatore Geiger-Muller modello 712.

Il rivelatore Geiger-Muller LND 712 è utilizzato per i test di caratterizzazione che prevedono l’isotopo Xe-133 come tracciante radioattivo, poiché essendo un rivelatore a

finestra di mica, ha una sensibilità maggiore (circa tre volte) rispetto a quella posseduta dagli altri modelli. Lo Xe-133 a differenza del Kr-85 è più difficile da misurare poiché l’energia media dei beta (β-) emessi è di circa 100KeV, valore molto inferiore rispetto a quelli emessi dal Kr-85. In Figura 5.12 è riportato lo schema di decadimento dei due isotopi.

Figura 5.12 – Schema di decadimento di Kr-85 e Xe-133.

Il rivelatore Geiger-Muller è uno strumento utilizzato per misurare il numero di decadimenti che avvengono in un intervallo di tempo e si limita a mettere in relazione il numero di conteggi con la grandezza radiometrica. E’ costituito essenzialmente da un tubo cilindrico di materiale conduttore, chiuso alle estremità, con all’interno un filo metallico coassiale isolato dal conduttore. Il conduttore è riempito con del gas, che solitamente è argon, a bassa pressione.

Tra il catodo (le pareti del cilindro conduttore) e l’anodo (il filo metallico interno) si stabilisce una differenza di potenziale di circa 1000 volt, il campo elettrico nel tubo non è costante ma varia con tale legge:

dove r è la distanza dall’anodo e b e a sono rispettivamente i raggi del catodo e dell’anodo.

In Figura 5.13 è riportato uno schema semplificato di un rivelatore Geiger-Muller.

Figura 5.13 – Schema semplificato di un rivelatore Geiger-Muller.

La velocità di deriva degli elettroni prodotti dalla ionizzazione degli atomi del gas dipende dall’inverso della pressione secondo la seguente relazione:

x9 o y_2

d'altronde se la pressione diminuisce, tende a diminuire anche la sezione d’urto del contatore. Il gas scelto deve avere una bassa affinità elettronica, cioè non si deve combinare facilmente con gli elettroni dando origine a ioni negativi.

Il passaggio di una particella ionizzante produce una ionizzazione all'interno del tubo. Gli ioni prodotti, accelerati dal campo elettrico, producono a loro volta una ionizzazione secondaria, terziaria e così via, dando origine al cosiddetto effetto valanga. Una singola ionizzazione può provocare 106 ÷ 108 ionizzazioni successive, perdendo qualsiasi informazione sull'energia della particella incidente. Il passaggio di una particella viene rivelato come una variazione di tensione ai capi di una resistenza posta in parallelo al tubo.

Gli ioni positivi creano una nuvola attorno all'anodo e schermano il campo elettrico, questo fa sì che il rivelatore abbia una tensione di soglia superata la quale si entra nella zona di conteggio. Il numero di conteggi e l'ampiezza del segnale sono indipendenti dalla tensione applicata.

Dato che il passaggio di ogni particella crea una vera e propria scarica all'interno del tubo, si capisce che questo strumento non é particolarmente indicato per rivelare un elevato numero di decadimenti al secondo. Infatti il tempo che deve intercorrere affinché il contatore rilevi due ionizzazioni consecutive deve essere almeno dell'ordine delle decine di µs. Per ovviare in parte a questo inconveniente si aggiungono dei gas, detti di quenching (spegnimento), con bassa energia di ionizzazione che assorbono parte della carica degli ioni positivi, riducendo il tempo che può intercorrere tra due rilevamenti, detto tempo morto. Le caratteristiche di funzionamento di un rivelatore Geiger-Muller sono riportate in Figura 5.14.

Figura 5.14 - Curva caratteristica di un rivelatore Geiger-Muller.

La curva caratteristica presenta una zona di lunghezza pari alle centinaia di Volt caratterizzata da una piccola pendenza, la quale viene chiamata "plateau".

La tensione di lavoro del contatore è scelta a circa 1/3 del plateau, in modo che eventuali variazioni nella tensione di alimentazione V del contatore non lo portino al di fuori della regione di lavoro; d'altra parte, l'applicazione di una tensione più alta può produrre cariche spurie all'interno del rivelatore.

Al fine di determinare il valore dell’efficienza del rivelatore, non essendo possibile eliminare del tutto il tempo morto, è utile poter correlare il numero di conteggi registrati con il numero di conteggi che invece sono stati persi.

Indicando con Nc il numero di conteggi registrati e con Nt il numero di conteggi

reali,cioè ipotizzando un tempo morto pari a zero,si possono mettere in relazione i due parametri attraverso la seguente formula:

'z  { 'S 3

dove,con il simbolo ψ si indica l’efficienza del sistema di rivelazione, [25].

Questo coefficiente dipende da molti fattori e spesso risulta di difficile valutazione. Mediante un approccio più intuitivo si riesce ad ottenere una stima di tale parametro,in particolare,supponendo il tempo morto indicato con il simbolo τ e si indica con la lettera C il numero totale di conteggi registrati nel tempo t,si può determinare il valore della frequenza di conteggio come:

'_z $_{; 4} Il rateo di conteggi persi sarà dato:

'|}~:  U 'z 'S 5

e ovviamente in numero dei conteggi reale sarà la somma dei conteggi persi più quelli registrati:

'S '|}~:" 'z 6

dall’unione delle due relazioni suddette si ottiene che il valore dei conteggi reali può essere scritto nella forma:

'S _{1 < U '}'z z 7

Quindi il valore dell’efficienza di un contatore Geiger Muller può essere espressa come: {  1 < U 'z 8