I rivelatori a stato solido e gli spettrometri

I contatori Geiger non sono l’unico strumento per misurare l’intensità delle sorgenti radioattive – in pratica, la contaminazione radioattiva – o, nel caso di tubi Geiger “compensati nell’energia”, l’esposizione. Esistono vari tipi di misuratori della radiazione ionizzante usati come strumenti di monitoraggio. Essi includono, in particolare, due grandi classi: quelli a gas e quelli a stato solido.

Il classico contatore di Geiger-Muller è certamente il tipo più noto di rivelatore a gas – cioè che sfrutta la ionizzazione di un gas da parte della radiazione incidente – ed è ottimo per misurare la 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). Per completezza, altri tipi di rivelatori a gas sono i “contatori proporzionali” e le “camere a ionizzazione”.

I rivelatori a stato solido, invece, includono principalmente i rivelatori a scintillazione ed i rivelatori a semiconduttore. Sono ottimi per misurare la 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) e – nelle loro versioni più sofisticate e costose – anche lo spettro gamma delle sorgenti di interesse, particolarmente utile per l’analisi radiometrica.

La sensibilità dei rivelatori a stato solido è di circa 10.000 volte superiore a quella dei rivelatori a gas, a causa della minore energia media necessaria per produrre una coppia di ioni in materiali di rivelazione solida rispetto all’aria (tipicamente un ordine di grandezza inferiore) e per la densità più elevata dei materiali del rivelatore solido rispetto all’aria (tipicamente tre ordini di grandezza superiore). Queste proprietà facilitano la miniaturizzazione dei misuratori di radiazioni a stato solido.

I rivelatori a scintillazione

I rivelatori a scintillazione sono generalmente quelli preferiti per gli strumenti di monitoraggio a mano – anche perché i tubi Geiger sono relativamente delicati – e, potendo misurare in modo preciso l’energia delle radiazioni incidenti, sono utilizzabili sia come contatori che come ottimi dosimetri.

Un contatore a scintillazione tascabile per misurare i raggi gamma nell’ambiente.

Un rivelatore a scintillazione o un contatore a scintillazione si ottiene accoppiando uno “scintillatore” ad un sensore di luce elettronico come un tubo fotomoltiplicatore, un fotodiodo o un fotomoltiplicatore al silicio. Uno scintillatore è un materiale che mostra scintillazione quando viene eccitato da radiazioni ionizzanti. I materiali luminescenti, infatti, quando vengono colpiti da una particella entrante, assorbono la sua energia e “scintillano” (cioè emettono l’energia assorbita sotto forma di luce).

I tubi fotomoltiplicatori assorbono la luce emessa dallo scintillatore e la emettono in forma di elettroni attraverso l’effetto fotoelettrico. La moltiplicazione successiva di quegli elettroni produce un impulso elettrico che può poi essere analizzato, fornendo informazioni significative sulla particella che originariamente ha colpito lo scintillatore. I fotodiodi a vuoto sono simili ma non amplificano il segnale, mentre i fotodiodi al silicio rilevano i fotoni direttamente nel silicio.

I contatori a scintillazione sono ampiamente utilizzati in una varietà di applicazioni: come misuratori di radiazioni portatili, per la protezione dalle radiazioni nelle centrali nucleari, per analisi radiometriche di materiali radioattivi, per la scoperta di materiali radioattivi potenzialmente pericolosi durante il trasporto e per la ricerca in fisica, perché possono essere prodotti in economia ma con una buona efficienza quantica, e possono misurare sia l’intensità che l’energia delle radiazioni incidenti.

I contatori a scintillazione possono venire utilizzati per la misurazione della radiazione alfa, beta e gamma. I rivelatori possono essere progettati per avere uno o due materiali di scintillazione, a seconda dell’applicazione. Ad esempio, rivelatori “a fosforo singolo” sono usati per rivelare le radiazioni alfa o beta, mentre i rivelatori “a doppio fosforo” vengono utilizzati per rilevare entrambe. Altri contatori consentono di misurare separatamente le radiazioni alfa e beta con lo stesso rivelatore.

Lo scintillatore è costituito da un cristallo trasparente, di solito un fosforo, una plastica o un liquido organico. Il fosforo usato più comunemente è lo ioduro di sodio (NaI). Lo ioduro di cesio (CsI) viene utilizzato come scintillatore per la rilevazione di protoni e particelle alfa. Lo ioduro di sodio (NaI) viene usato per la rilevazione dei raggi gamma e il solfuro di zinco (ZnS) è ampiamente usato come rivelatore di particelle alfa. Infine, lo ioduro di litio (LiI) è usato nei rivelatori di neutroni.

Un rivelatore a scintillazione NaI è, in effetti, un comune tipo di rivelatore portatile per le indagini sui materiali radioattivi e per usi generali di laboratorio. I sensori NaI, infatti, sono in grado di rilevare radiazioni gamma di bassa energia. Pertanto, un rivelatore NaI è un ottimo strumento per rilevare emettitori gamma di basso livello energetico, come Cromo-51, Iodio-125, Iodio-131 o Ferro-59. Al contrario, per misurare beta e alfa è preferibile un tubo Geiger-Muller.

I “monitor” per rilevare la contaminazione radioattiva industriale – sia portatili per il controllo personale o di aree sia fissi per il monitoraggio del personale – richiedono un’ampia finestra di rilevazione per garantire una copertura efficiente e rapida delle superfici monitorate. I materiali di scintillazione vengono utilizzati anche per la misurazione della dose gamma ambientale, anche se viene utilizzata una diversa costruzione per rilevare la contaminazione, in quanto non è richiesta una finestra sottile.

Alcuni contatori a scintillazione portatili di un certo livello – come ad es. i ”MicroR Meter” della Ludlum – hanno circuiti di discriminazione dell’energia superiore e inferiore e, se usati correttamente come analizzatori a canale singolo, possono fornire informazioni sull’energia gamma e identificare il materiale radioattivo. Se lo strumento dispone di altoparlanti, gli impulsi forniscono anche un clic acustico. Le unità comuni di lettura sono i microroentgens per ora (μR/hr) e/o i conteggi per minuto (cpm).

Gli spettrometri gamma

L’output luminoso dello scintillatore è grosso modo proporzionale all’energia della radiazione incidente. Gli scintillatori spesso convertono un singolo fotone di radiazioni ad alta energia in un elevato numero di fotoni ad energia inferiore. Misurando l’intensità del flash (il numero di fotoni prodotti dal fotone a raggi X o gamma) è quindi possibile distinguere l’energia del fotone originale. Ciò permette la spettroscopia gamma – cioè lo studio quantitativo degli spettri energetici – delle sorgenti di raggi gamma o X.

Uno spettrometro gamma, pertanto, è costituito da un opportuno cristallo scintillatore, un tubo fotomoltiplicatore e un circuito per misurare l’altezza degli impulsi prodotti dal fotomoltiplicatore. Questi vengono contati e ordinati per la loro altezza, producendo un diagramma cartesiano del numero di lampi in funzione della  luminosità del flash scintillatore (grosso modo proporzionale all’energia), che si avvicina allo spettro energetico della radiazione incidente, con alcuni artefatti aggiuntivi.

Uno spettrometro gamma “fai da te” (fonte: physicsopenlab.org)

La maggior parte delle fonti radioattive producono raggi gamma, che sono di diverse energie e intensità. Lo spettro gamma è caratteristico dei nuclidi emettitori gamma contenuti nella sorgente. Perciò, quando queste emissioni vengono rilevate e analizzate con un sistema di spettroscopia gamma, l’analisi dettagliata di tale spettro permette di determinare l’identità e la quantità di emettitori gamma presenti in una sorgente, ed è uno strumento vitale nell’analisi radiometrica.

I nuclei radioattivi (radionuclidi) emettono frequentemente raggi gamma nell’intervallo di energia che va da pochi keV a circa 10 MeV, corrispondenti ai livelli tipici di energia nei nuclei con durate ragionevolmente lunghe. Il limite tra raggi gamma e raggi X è un po’ sfocato, in quanto i raggi X in genere si riferiscono all’emissione di elettroni ad alta energia, che può estendersi oltre i 100 keV, mentre le emissioni di energia più bassa dei nuclei sono chiamate raggi gamma anche per energie inferiori a 20 keV.

Fra i più sofisticati spettrometri gamma da laboratorio, vi sono i “Sistemi Analizzatori Multicanale” (Multichannel Analyzer System), che possono fornire una potente e utile capacità di conteggio automatico e identificazione degli emettitori su campioni di matrice liquida o solida o su altri preparati estratti da campioni radioattivi. La maggior parte dei sistemi sono utilizzati per il conteggio della radiazione gamma, mentre alcuni rivelatori di silicio vengono utilizzati per la radiazione alfa.

I rivelatori a semiconduttore

I rivelatori a semiconduttore sono una sorta di camere a ionizzazione a stato solido. Essi rivelano le radiazioni ionizzanti utilizzando un semiconduttore per misurare l’effetto delle particelle cariche o dei fotoni. I rivelatori a semiconduttori trovano una vasta applicazione per la protezione dalle radiazioni, per la spettrometria gamma ed a raggi X, oltre che come rivelatori di particelle.

In un rivelatore a semiconduttore, la radiazione incidente interagisce con il materiale del rivelatore – un semiconduttore come il silicio o il germanio – per creare coppie elettrone-lacuna. Queste coppie elettrone-lacuna vengono raccolte da elettrodi, con gli elettroni che migrano verso l’elettrodo carico positivamente e le lacune che migrano verso l’elettrodo carico negativamente, creando così un impulso elettrico.

Tale impulso elettrico contiene l’informazione sul tipo, sull’energia, sul tempo di arrivo, e sul numero di particelle che arrivano nell’unità di tempo. La caratteristica importante dei rivelatori a semiconduttore è costituita dalla loro risoluzione nell’energia, che è superiore a quella dei rivelatori a scintillazione, grazie a un minore potenziale di ionizzazione ed alle loro dimensioni compatte.

In alcuni rivelatori a semiconduttore, il germanio viene utilizzato al posto del silicio come materiale rivelatore. Esso, infatti, è preferibile al silicio per la rivelazione di raggi gamma, ed usato per essi. Si noti, tuttavia, che i dispositivi al germanio devono venire raffreddati per ridurre il rumore termico ed osservare i segnali. I rivelatori a semiconduttore basati sul silicio, invece, vengono usati per misurare la radiazione a corto raggio: particelle cariche oppure raggi gamma di bassa energia.

Come nel caso dei rivelatori a scintillazione, anche i rivelatori a semiconduttore possono venire usati per la spettrometria gamma ed a raggi X, e dunque per l’analisi qualitativa e quantitativa di campioni contenenti radionuclidi emettitori di tali radiazioni. Pertanto, strumenti di questo tipo trovano impiego nei laboratori dosimetrici, nei servizi ambientali, nei laboratori radiologici, nei laboratori radiochimici di diverse istituzioni e dipartimenti, oltre che nei centri di fisica nucleare per scopi di ricerca.

Uno spettrometro a semiconduttore per particelle alfa usato in un laboratorio universitario.

 

Riferimenti bibliografici:

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