Rivelatori a gas. In situazione di equilibrio il gas si comporta come isolante e non c è passaggio di corrente elettrica

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Silvio Marino
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1 STRUMENTI

2 Rivelatori a gas I rivelatori a gas sono costituiti da due elettrodi immersi in un gas tra i quali è applicata un campo elettrico uniforme (differenza di potenziale) In situazione di equilibrio il gas si comporta come isolante e non c è passaggio di corrente elettrica

3 Ionizzazione La ionizzazione è un processo di natura statistica, che ha luogo quando una particella carica entrando in un mezzo cede una quantità di energia uguale o maggiore del potenziale di ionizzazione di un elettrone degli atomi del mezzo. Il numero di coppie dipende più dal tipo di gas che dal tipo di radiazione ionizzante. Nella tabella sottostante sono dati alcuni valori di w, energia media richiesta per creare una coppia elettrone-ione: Energia persa per coppia di ioni (ev/coppia di ioni) Gas Elettroni veloci Particelle Alfa Ar He H N Aria

4 O CH TORACE: 110Kv = eV The essential components of the ionization chamber are its two collecting electrodes: the anode and cathode (the anode is positively charged with respect to the cathode). In most cases, but not all, the outer chamber wall serves as the cathode. The potential difference between the anode and cathode is often in the 100 to 500 volt range. The most appropriate voltage depends on a number of things such as the chamber size (the larger the chamber, the higher the required voltage).

6 Caratteristiche dei rivelatori a gas Questi dispositivi sfruttano la ionizzazione prodotta dal passaggio di un fotone o di una particella carica in un gas; in tale processo un elettrone viene rimosso da un atomo o da una molecola in modo da creare una coppia elettrone-ione positivo. Principio di funzionamento Esistono diverse configurazioni per i rivelatori a gas, ma in ogni caso essi sono costituiti da un contenitore riempito con un gas facilmente ionizzabile; il rivelatore deve essere costituito da almeno due componenti uno che funge da catodo e uno che mantenuto ad un potenziale +V 0 rispetto al catodo, funge da anodo. Se una radiazione penetra nel rivelatore sarà creato un certo numero di coppie ioneelettrone, sia direttamente, se la radiazione è una particella carica, che indirettamente attraverso radiazioni secondarie, se la radiazione è neutra. Il numero medio di coppie create è proporzionale all'energia depositata nel dispositivo. Sotto l'azione del campo elettrico, gli elettroni vengono accelerati verso l'anodo e gli ioni verso il catodo. Il segnale in uscita dipende dal potenziale applicato, come si nota dalla figura sottostante:

7 Nella regione A non tutte le cariche prodotte vengono raccolte in quanto, a causa del piccolo valore del campo elettrico, il processo di ricombinazione delle varie coppie ioneelettrone è notevole. Aumentando la differenza di potenziale applicata il tempo a disposizione per la ricombinazione diminuisce, perché aumenta la componente della velocità delle coppie lungo la direzione del campo; questo crea un aumento della carica raccolta. Nella regione B, chiamata di saturazione o di camera a ionizzazione, gli effetti della ricombinazione diventano trascurabili e la carica raccolta è tutta quella prodotta. Nelle regioni C e D il campo elettrico è sufficientemente intenso da far acquistare agli elettroni primari prodotti energia cinetica sufficiente a ionizzare gli atomi del gas producendo, così, una moltiplicazione a valanga di ioni. La ionizzazione secondaria è ancora strettamente dipendente da quella primaria ed è in questa regione che lavorano i contatori proporzionali. Nella regione E, detta di Geiger-Muller, la carica raccolta non è più proporzionale alla ionizzazione primaria; oltre alla ionizzazione si hanno altri fenomeni quali l'eccitazione seguita da emissione di luce visibile e ultravioletta; questo produce un impulso costante in un certo intervallo del potenziale applicato, indipendentemente dal tipo di particella incidente. Nella regione F non è più possibile nessun tipo di rivelazione: l'impulso in uscita non dipende più dalla radiazione incidente, poiché avviene una scarica in presenza o meno di radiazione. Tra i rivelatori a gas sviluppati nella prima metà del secolo scorso, sono particolarmente importanti le camere a ionizzazione (che lavorano nella regione B), i contatori proporzionali (nella regione C) e i contatori Geiger-Muller (nella regione E).

8 Camera a ionizzazione Foto di una camera a ionizzazione usata da Fermi parallel plates

10 Contatore proporzionale

11 Geiger Mϋller Un contatore Geiger-Müller è composto da un catodo cilindrico di 1-10 cm di diametro con una lunghezza di circa cm. Esso opera nella regione E della curva segnale d'uscita-potenziale in un rivelatore a gas. Un esempio di un piccolo contatore Geiger In questi dispositivi la carica raccolta è indipendente dalla ionizzazione primaria. Infatti oltre alla ionizzazione si hanno fenomeni quali l'eccitazione seguita da emissione di luce visibile e ultravioletta. Una piccola parte di tali fotoni dà luogo ad emissione di fotoelettroni che generano nuova ionizzazione, tramite il processo della moltiplicazione a valanga. Nella regione di funzionamento di un contatore Geiger-Müller basta una sola coppia primaria per dar luogo ad una scarica a valanga completa e, quindi, l'ampiezza dell'impulso in uscita non è più una misura della ionizzazione primaria. Da ciò si comprende che un contatore Geiger può essere utilizzato come contatore di radiazione e non in esperimenti di spettroscopia. Uno dei primi contatori Geiger, risalenti al 1930

12 Un piccolo contatore Geiger usato nell'età di Fermi Alcuni contatori Geiger moderni

14 A s = n Wε As = Attività superficiale (Bq / cm 2 ) n = rateo netto di conteggio (cps) W = superficie attiva dello strumento (cm 2 ) ε = efficienza di conteggio nella misura adottata e per lo specifico radionuclide analizzato.

16 NO: 1.non appoggiare le mani sui rivelatori 2.non salire sui rivelatori

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