Misurare la radioattività: i contatori Geiger

Gli strumenti utilizzati per la misurazione della radiazione ionizzante includono i contatori di Geiger-Müller ed i rivelatori a scintillazione, o contatori proporzionali. I primi sono di solito più compatti ed economici (ne trovate alcuni esempi qui), reagiscono a diversi tipi di radiazioni e sono più adatti a piccole aree di contaminazione; mentre i secondi sono più complessi e possono rilevare energie e tipi di radiazioni specifiche (ad es. discriminare tra la contaminazione alfa e beta, cosa che il contatore Geiger non può fare).

Il rischio di una contaminazione radioattiva è infatti l’emissione di radiazioni ionizzanti. Le principali radiazioni che si incontrano sono radiazione alfa (composta da nuclei di elio, ovvero 2 protoni + 2 neutroni, e poco penetrante), radiazione beta (elettroni o positroni energetici emessi da alcuni nuclei radioattivi) e radiazione gamma (radiazioni elettromagnetiche di elevata energia e frequenza prodotte dal decadimento radioattivo dei nuclei atomici o dall’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera).

L’energia media impartita alla materia per unità di massa è la dose assorbita, misurata in gray (Gy). Ma queste tre radiazioni – indicate, rispettivamente, anche con le lettere dell’alfabeto greco α, β e ɣ – hanno poteri penetranti ed effetti biologici molto diversi, per cui per valutare i relativi effetti sul corpo umano (cioè la dose equivalente) occorre applicare dei fattori di ponderazione (W_R) differenti. L’unità di misura della dose equivalente è il sievert (Sv), pari ai gray moltiplicati per W_R.

Caratteristiche di un contatore Geiger

Il contatore Geiger è un apparecchio il cui elemento fondamentale per il rilevamento delle radiazioni ionizzanti è il tubo di Geiger-Müller, o tubo G-M. In pratica, il tubo G-M è un rivelatore a ionizzazione gassoso che utilizza il fenomeno della valanga di Townsend per produrre un impulso elettronico facilmente rilevabile da un singolo evento ionizzante dovuto ad una radiazione o particella. Viene utilizzato per la rilevazione delle radiazioni gamma, dei raggi X e delle particelle alfa e beta.

Le letture fornite dal contatore Geiger indicano i livelli di radiazione ionizzante provenienti indistintamente da tutte le fonti (α, β e ɣ), incluso ovviamente il fondo naturale e artificiale locale. In molti moderni modelli, è possibile avere le lettura anche a distanza, grazie ad app per iOS e Android. Le singole letture in tempo reale sono generalmente di per sé poco significative, ma la correlazione tra rilevatori indipendenti e la ripetizione delle letture nel corso del tempo aumenta la fiducia nei livelli misurati.

Una delle tante app per gestire a distanza i dati forniti da un contatore Geiger.

Il tubo è costituito da una camera riempita con una miscela di gas a bassa pressione di circa 0,1 atmosfere. La camera contiene due elettrodi, tra i quali c’è una differenza di potenziale di parecchie centinaia di volt. Le pareti del tubo sono di metallo o hanno la loro superficie interna rivestita da un conduttore per formare il catodo, mentre l’anodo è un filo al centro della camera.

Quando le radiazioni ionizzanti colpiscono il tubo, alcune molecole del gas vengono ionizzate, direttamente dalla radiazione incidente o indirettamente tramite elettroni secondari prodotti nelle pareti del tubo. Questo crea ioni e elettroni caricati positivamente nel gas di riempimento. Il forte campo elettrico creato dagli elettrodi del tubo accelera gli ioni positivi verso il catodo e gli elettroni verso l’anodo. Gli elettroni ionizzano ulteriori molecole di gas e creano una vera e propria valanga di elettroni.

Il tubo G-M ideale dovrebbe produrre un singolo impulso per ogni singolo evento ionizzante dovuto alla radiazione. Non deve dare impulsi spuri e deve ritornare rapidamente allo stato passivo, pronto per rivelare il prossimo evento ionizzante. Perciò, alcune forme di abbattimento della ionizzazione sono essenziali per ridurre il tempo morto e proteggere il tubo, e vengono usate allo scopo varie tecniche.

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Sebbene sia un rilevatore robusto e relativamente poco costoso, il contatore Geiger non è in grado di misurare in modo efficiente alti tassi di radiazioni, ha una durata di vita limitata a regimi di radiazioni elevati e non può misurare l’energia della radiazione incidente, per cui non può fornire informazioni spettrali, oltre a non poter discriminare i tipi di radiazioni, come tra particelle alfa e beta.

L’impossibilità di misurare i tassi di radiazione elevati è dovuta al “tempo morto” (circa 100 μs) del tubo: un periodo insensibile dopo ogni ionizzazione del gas durante il quale ogni ulteriore radiazione incidente non provocherà un conteggio e il tasso indicato sarà quindi inferiore a quello effettivo. Inoltre, poiché l’impulso di uscita da un tubo Geiger-Müller è sempre della stessa grandezza, indipendentemente dall’energia della radiazione incidente, il tubo non può differenziare tra i tipi di radiazioni.

Guida ai vari tipi di tubi Geiger

Tuttavia, esistono due tipi principali di tubi Geiger. Il primo utilizza un tubo con “finestrella” (end window tube) per poter rivelare le radiazioni a bassa penetrazione, come le particelle alfa, le particelle beta a bassa energia ed i raggi X a bassa energia, pertanto va usato per la loro rivelazione. Oppure, in alternativa, utilizza un tubo piatto a forma di frittella (pancake tube) progettato per il monitoraggio della radiazione beta e gamma, pertanto va usato questo tubo per la loro rivelazione.

Vari tipi di tubi Geiger-Muller.

Il secondo tipo di tubo Geiger è senza finestrella (windowless) ed ha anch’esso due sottotipi: uno “a parete spessa” utilizzato per rilevare raggi gamma di alta energia, che passano attraverso le pareti del tubo anche senza la finestrella; e uno “a parete sottile”, usato per il rilevamento di radiazioni beta di alta energia, di raggi X e di raggi gamma di bassa energia, grazie alla parete del tubo più sottile. Dunque, è bene tenere conto di questi aspetti nella scelta del tubo Geiger più adatto al proprio caso.

Si noti che, in realtà, un operatore qualificato può utilizzare vari metodi per differenziare tra le particelle alfa e le particelle beta di alta energia: ad esempio, usando una distanza variabile dalla sorgente di radiazione al rivelatore; utilizzando schermi di materiali diversi e spessori diversi; utilizzando opportuni campi magnetici per sfruttare la diversa carica delle due particelle. Al contrario, con il rivelatore a stretto contatto con la sorgente di radiazione, i due tipi di particelle sono indistinguibili.

Le sonde G-M (ad esempio, tipo “pancake”) vengono spesso utilizzate con misuratori di radiazioni palmari per misurare la contaminazione. Tuttavia, per le misurazioni dell’esposizione possono venire utilizzati i tubi G-M “compensati nell’energia”. Alcune unità comuni di lettura sono i roentgens per ora (R/ora, è il numero di ionizzazioni per unità di volume d’aria), i milliroentgens per ora (mR/ora), i rem per ora (rem/ora, 1 rem = 0,010 Sv), i millirem all’ora (mrem /ora) ed i conteggi al minuto (cpm).

Per chi vuole avere un sensore Geiger a bassissimo costo (circa 70 dollari) per iniziare, va segnalato Pocket Geiger, prodotto da Radiation Watch, un sensore di radiazioni altamente sensibile progettato per il mercato dei sistemi embedded e capace di rilevare le radiazioni gamma e beta. Il piccolo sensore Geiger ha un intervallo di misurazione da 0,05 μSv/h a 10 mSv/h e da 0,01 CPM a 300.000 CPM con un tempo di misurazione richiesto di due minuti, per cui è un prodotto ideale a scopi educativi.

Pocket Geiger ha una semplice uscita pulsata che può essere usata con qualsiasi microcontrollore, mentre per l’alimentazione si può usare una tensione continua compresa fra 3 V e 9 V. In pratica, è possibile usarlo per produrre grafici del livello di radioattività nel tempo usando una scheda Arduino come lettore. Si noti che su Amazon esiste anche una versione di Pocket Geiger che permette di trasformare qualsiasi iPhone o iPad o sistema Android in un contatore Geiger, e che utilizza un’app omonima. Trovate alcuni sensori del genere in commercio qui.

Il sensore portatile Pocket Geiger (in basso) e, sullo sfondo, l’app omonima. Trovate alcuni sensori Geiger per smartphone qui.

Un contatore Geiger può anche essere adattato per rilevare i neutroni, che altrimenti non rileverebbe poiché questi non ionizzano il gas. Ad esempio, possono venire prodotti tubi sensibili ai neutroni che hanno l’interno rivestito con boro o che hanno elio-3 come gas di riempimento. I neutroni interagiscono con i nuclei del boro, producendo particelle alfa o direttamente con i nuclei di elio-3, producendo idrogeno e ioni di trizio ed elettroni. Tali particelle innescano il normale processo a valanga.

I contatori Geiger che misurano la dose

In generale, esistono due tipi di lettura delle radiazioni: conteggi oppure dose. La visualizzazione dei conteggi è la più semplice e il numero degli eventi ionizzanti viene visualizzato, appunto, come un conteggio, comunemente in “conteggi al secondo”, o come totale per un periodo di tempo impostato. La lettura dei conteggi è normalmente utilizzata quando vengono rilevate particelle alfa o beta.

Più complesso da ottenere è il tasso di dose (o intensità della dose) delle radiazioni, visualizzato in un’unità come il sievert, che normalmente viene utilizzato per misurare i livelli di dose dei raggi gamma o dei raggi X. Un tubo G-M, infatti, può rilevare la presenza di radiazioni, ma – come detto prima – non la loro energia che influenza l’effetto ionizzante della radiazione. Di conseguenza, i contatori Geiger che misurano la dose necessitano dell’utilizzo di un tubo G-M “compensato nell’energia”.

In questo modo, la dose visualizzata si riferisce ai conteggi rilevati. L’elettronica dello strumento, infatti, applica dei fattori noti per effettuare questa conversione, che è specifica per ogni strumento e viene determinata dalla progettazione e dalla calibrazione dello stesso. La lettura, inoltre, può essere analogica con un indicatore ad ago oppure mostrata su un display digitale, e sempre più moderni strumenti offrono comunicazioni seriali con un computer o una qualche rete.

Di solito c’è un’opzione per produrre dei “clic” audio che rappresentano il numero di eventi di ionizzazione rilevati. Questo è il suono distintivo normalmente associato ai contatori Geiger portatili. Lo scopo di questo suono è quello di consentire all’utente di concentrarsi sulla manipolazione dello strumento o in altre attività mantenendo nel contempo un feedback uditivo sul tasso della radiazione.

Anche alcuni software possono essere di aiuto. Ad esempio, il programma GeigerGraph della Medcon – che però funziona solo con alcuni modelli di Geiger indicati nel loro sito web – riceve via cavo ogni dato dallo strumento e visualizza e registra i valori di lettura attuale, minima e massima, cosa utile per il monitoraggio continuo delle radiazioni ambientali. Ma vi avvisa anche, con un allarme acustico e visivo, ogni volta che rileva un livello elevato rispetto a quello normale di fondo.

Il software GeigerGraph, compatibile con alcuni contatori Geiger.

Dato che la radiazione ionizzante esiste come forme d’onda con energie diverse e può essere fatta di particelle o di onde elettromagnetiche, considerazioni importanti per la scelta di un particolare tipo di rivelatore della radioattività includono l’applicazione, il tipo di radiazione, l’energia della radiazione e il livello di sensibilità necessari. Quest’ultimo, in particolare, viene spesso sottovalutato e si riflette sia sul costo dello strumento sia sul tipo di sorgenti realmente rilevabili.

Inoltre, come regola generale, più elevato è il livello di intensità della dose e minore è il volume necessario all’interno del tubo Geiger. Infatti, più grande è il volume del gas nel tubo, e più sensibile sarà il rivelatore e dunque, quando la radiazione aumenta di livello, il Geiger entrerà in saturazione. Una volta che il Geiger si è saturato, diventa non lineare e non è più utile come dispositivo di misurazione, quindi è sempre importante considerare con attenzione la gamma di dosaggio per il quale lo strumento va usato.

Ricordiamo, infine, che i due principali pericoli legati alle radiazioni ionizzanti prodotte dalla radioattività sono quelli dovuti all’irradiazione e alla contaminazione. L’irradiazione è causata da raggi gamma o X emessi da una sorgente esterna, contro i quali si possono interporre schermi protettivi. La contaminazione, d’altra parte, è il pericolo posto dal contatto, dall’inalazione o dall’ingestione di sostanze radioattive. In questo caso, i danni derivano principalmente dalle particelle alfa e beta.

 

Riferimenti bibliografici:

• Un Geiger portatile, http://physicsopenlab.org/2017/10/25/un-geiger-portatile
• Geiger counter,  https://en.wikipedia.org/wiki/Geiger_counter
• Best Geiger counter,  https://www.fabathome.org/best-geiger-counter/
• Software “GeigerGraph”, https://medcom.com/product/geigergraph-software/
• Sensore “Pocket Geiger” per Arduino, https://www.sparkfun.com/products/14209
• App “Pocket Geiger” per Android, https://play.google.com/store/apps/details?id=jp.radiationwatch.pocketgeiger&hl=it