RIVELATORI A GAS

1. Seminario di Elettronica 2° Anno Specializzazione Fisica Sanitaria Prof. M. De Spirito RIVELATORI A GAS Claudia Dell’Omo Antonella Roggio

2. Finestra trasparente alla radiazione Gas - + - + Anodo Catodo Rivelatori a Gas Rivelatori che misurano la ionizzazione prodotta dal campo di radiazione in un volume di gas nel quale sono immersi due elettrodi conduttori. Numero di coppie e- ione+prodotte:

3. Gas di Riempimento L’energia media spesa nella singola ionizzazione non dipende dall’energia della radiazione incidente né dal tipo di radiazione incidente ma solo dal tipo gas

4. Velettroni(cm/s) Vioni(cm/s) Gas di riempimento mobilità Velocità di risposta elevata velocità di deriva elevata La velocità di deriva degli elettroni in un gas è molto più alta rispetto a quella degli ioni. Gas aventi una bassa affinità elettronica

5. Curva caratteristica La tensione applicata agli elettrodi del rivelatore ne determina il funzionamentocome: Camera a ionizzazione, Camera proporzionale, Contatore Geiger-Muller. D A C saturazione B

6. Camere a ionizzazione Le camere a ionizzazione possono essere realizzate di forme varie e diverse. Possono essere utilizzate per misurare qualsiasi tipo di radiazione direttamente o indirettamente ionizzante. Elettrodo di guardia Elettrodo di raccolta L’anello di guardia (elettrodo ausiliario) riduce le distorsioni del campo elettrico ai confini della regione attiva. Definisce il volume di raccolta della carica liberata dalla ionizzazione. Caratteristiche • Geometria piana o cilindrica • Gas a bassa affinità elettronica G G A Zona attiva C

7. Funzionamento in modo impulsivo Funzionamento in DC • misura della corrente istantanea  intensità istantanea della radiazione • misura della carica raccolta in un T finito •  dato integrale relativo alla radiazione totale che ha interagito nel tempo T • misura dell’energia della radiazione incidente Particella ionizzante  Coppie di ioni derivano verso elettrodi  Carica indotta sugli elettrodi  V ai capi di R  V max quando tutta la carica raccolta  Ritorno alle condizioni di equilibrio (V0) con  =RC

8. Funzionamento in modo impulsivo RC ( ms) >> e, i • Tutti gli ioni vengono raccolti • Rivelatore può funzionare solo ad un rate molto basso e< RC (s) < i • Ampiezza impulso dipende solo dalla deriva degli elettroni (tempi di salita e discesa più rapidi) • Rivelatore può funzionare con un rate più alto

9. Energia assorbita dagli ioni+ Energia assorbita dagli e- Energia iniziale Energia rimanente = + + Segnale d’Uscita V0/d • Circuito esterno >> e, i • Geometria della c.i. → E=V/d • Tutte le coppie degli ioni si formano alla stessa distanza x dal catodo dove V= E x  2V0 VR

10. raccolta totale della carica Elettroni raggiungono anodo dopo tempo t-=x/v-; Ioni raggiungono catodo dopo un tempo t+=(d-x)/v+ t  t - t  t + Porzione iniziale del segnale ha una salita lineare

11. Caratteristiche • Geometria cilindrica • Gas a bassa affinità elettronica Camere Proporzionali Sfruttano il fenomeno della moltiplicazione a valanga per amplificare la carica formatasi con la ionizzazione primaria - + • La carica totale raccolta è proporzionale alla ionizzazione primaria • Sono utilizzate per la rivelazione di radiazione di bassa energia (pochi KeV) • Il segnale d’uscita necessita di una minore amplificazione rispetto a quella usata per le c. i. M= M (P,V,Gas) M 102÷ 105

12. Geometria cilindrica Vantaggi • Valori di campo elevati sono raggiunti solo vicino all’anodo Regione di moltiplicazione confinata in una zona molto piccola del rivelatore (circa un cilindro compreso entro 5 raggi anodici). • A parità di E nella regione di moltiplicazione: ddpcilindrica < ddp piatti piani e paralleli • Moltiplicazione uniforme per tutte le coppie di primari.

13. Sviluppo del segnale in una camera proporzionale •  tutte le cariche si originano nella regione di moltiplicazione: • Contributo ioni primari alla carica raccolta trascurabile. • tderiva , tmoltiplicazione • tderiva (s) >> tmoltiplicazione • Contributo all’impulso durante il tderiva è trascurabile • Moltiplicazione a pochi raggi dall’anodo • segnale di uscita generato da moto ioni positivi. • Inizialmente ioni positivi si muovono in campo elevato  moto rapido  parte rapida del segnale • Successivamente zona a raggio più grande  moto lento  parte lenta del segnale

14. Es. a = 25, b = 1cm,  = 3   -/+  0,02 il contributo del moto degli elettroni al segnale è del 2%

15. Contatori Geiger - Muller Sono utilizzati come contatori di radiazione e non in esperimenti di spettroscopia Caratteristiche • Geometria cilindrica • Gas a bassa affinità elettronica Processo di scarica (s) Termina quando si è creata la stessa carica Tutti gli impulsi hanno la stessa ampiezza Contatore Geiger = Contatore di radiazione M 106÷ 108

16. Segnale elettrico che deriva dalla scarica è grande ( V) Ampiezza impulso non necessita amplificazione Basta una sola coppia primaria per dar luogo ad una scarica completa Ampiezza impulso uscita non è misura della ionizzazione primaria

17. ! Impulsi Multipli e- provenienti dal catodo Quenching • Caratteristiche gas Q • molecola complessa • Vion gas Q < Vion gas N Miscela Gas Nobile + Gas di Quenching Ioni primari formati da gas N perdono energia per collisione prevalentemente con gas Q Si formano ioni+ del gas Q che quando arrivano al catodo si neutralizzano e l’energia in eccesso viene spesa per dissociare la molecola complessa del gas Q piuttosto che per liberare un e- dal catodo Non si formano ulteriori valanghe