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X Ray Proportional Counter

Il contatore proporzionale è un tipo di rivelatore di radiazione basato su elemento sensibile gassoso  utilizzato per rivelare e misurare particelle di radiazioni ionizzanti. La caratteristica fondamentale è la sua capacità di misurare l’energia della radiazione incidente, producendo un’uscita proporzionale all’energia delle radiazioni; da qui il nome del rivelatore. Viene ampiamente utilizzato quando si devono conoscere i livelli di energia delle radiazioni incidenti, come nella discriminazione tra le particelle alfa e beta o la misurazione accurata della dose di radiazioni a raggi X.

Un contatore proporzionale è una via di mezzo tra un tubo Geiger-Müller ed una camera di ionizzazione e opera in una regione di tensione intermedia tra questi. Il grafico sotto mostra l’andamento dell’ampiezza dell’impulso rispetto alla tensione di funzionamento.
In un contatore proporzionale il gas di riempimento della camera è costituito da un gas inerte che viene ionizzato dalle radiazioni incidenti e da un gas di quenching (spegnimento) che serve a garantire che ogni scarica di impulsi abbia un termine; Una miscela comunemente utilizzata è costituita da 90% argon e 10% metano, nota come P-10. Una particella ionizzante che entra nel gas collide con un atomo del gas inerte e lo ionizza per produrre un elettrone e uno ione caricato positivamente, noti come una “coppia ionica”. Mentre la particella caricata attraversa la camera, lascia una traccia di coppie di ioni lungo la sua traiettoria, il cui numero è proporzionale all’energia della particella se il suo percorso termina all’interno del rivelatore. Tipicamente una particella di 1 MeV produrrà circa 30.000 coppie di ioni.
L’immagine sotto mostra lo schema di un contatore proporzionale.

Costruzione del Rivelatore

Il contatore proporzionale che abbiamo deciso di utilizzare è il modello SI-6R di fabbricazione russa, mostrato nella immagine a lato. Avente le seguenti caratteristiche tecniche :
Lunghezza = 182 mm
Diametro = 37 mm
Tensione di lavoro = 1700 – 1900 V
Lo strumento è facilmente reperibile nei mercati online però non ci è stato possibile trovare altri dettagli tecnici o esempi di applicazioni.
Il contatore proporzionale ha uno schema di funzionamente analogo a quello di un normale tubo Geiger, la tensione di lavoro però è minore perchè ci troviamo nella zona proporzionale e non nella zona di scarica.
Vi sarà un generatore HV, una resistenza di polarizzazione ed un condensatore di accoppiamento per l’estrazione dell’impulso. L’impulso successivamente può essere letto su di una resistenza di carico oppure può essere inviato ad una catena di amplificazione e comparazione con lo scopo di migliorare il rapporto S/N e rendere possibile l’acquisizione da parte di un sistema digitale di conteggio. Per le caratteristiche del tubo proporzionale è opportuno utilizzare resistenze di polarizzazione di valore elevato, ad esempio 100 MΩ.

La figura sotto mostra il diagramma di principio.

L’immagine sotto mostra il tubo collegato circuito di polarizzazione ed al generatore HV

L’immagine sotto mostra il collegamento con il circuito di amplificazione

Con questo setup abbiamo acquisito con l’oscilloscopio alcuni impulsi in uscita dal contatore proporzionale e dopo l’amplificatore :

Impuslo generato dal tubo
Impulsi dopo la catena di amplificazione

Misure

Con il nostro setup abbiamo fatto delle misure utilizzando come sorgenti di prova l’isotopo Americio 241 che emette alle energia di 60 KeV e 26 KeV e con un “keyChain” al trizio che emette per bremsstrahlung raggi X di bassa energia attorno ai 10 KeV.

Americio 241

Trizio

Conclusioni

Dalle prove effettuate si vede come la risoluzione energetica del nostro contatore propozionale è molto scarsa. La sua sensibilità invece è piuttosto alta, infatti la debole emissione del trizio fa comunque registrare un ragguardevole dato di 77 CPS. Il detector risulta quindi adatto soprattutto alla rilevazione di radiazione X a bassa energia.

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