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Detector Alfa con CSA-SA Micod

In questo post vogliamo testare il sensore per radiazioni alfa commercializzato dalla azienda Micod con la relativa elettronica di front-end, composta da preamplificatore di carica (CSA) e da amplificatore di shaping (SA).

Introduzione

La spettrometria alfa è una tecnica affascinante perchè permette di avere informazioni precise sui decadimenti radioattivi dei nuclei pesanti e sulla fisica della interazione della particelle cariche con la materia. Si tratta però di una tecnica piuttosto difficile. Le difficoltà di questa tecnica risiedono nel tipo di rivelatore, solitamente un rivelatore a stato solido al silicio che produce un segnale piuttosto debole che richiede, per essere analizzato, amplificatori a bassissimo rumore.
La misura va poi fatta in condizioni di vuoto (comunque non alto vuoto) in modo che le particelle alfa non vengano schermate dall’aria. Le sorgenti che vengono misurate vanno poi preparate con cura in modo da avere un strato il più possibile sottile ed omogeneo in modo che le particelle alfa non vengano diffuse ed assorbite all’interno della sorgente stessa.

Il Sensore a Stato Solido

In un semiconduttore, l’equivalente della energia di ionizzazione è l’energia di band-gap per promuovere un elettrone di valenza alla banda di conduzione. Nel silicio a temperatura ambiente, Eg = 1,1 eV, rispetto a ~ 15 eV per ionizzare un gas. Una particella carica che si muove attraverso il silicio crea quindi più di ionizzazione ed un segnale più grande.
Quando silicio di tipo p e di tipo n sono messi in contatto, creando una giunzione pn, il flusso delle diverse cariche libere attraverso il confine crea una zona di svuotamento, una superficie elettricamente neutra vicino alla giunzione nella quale un campo elettrico interno spazza qualsiasi carica libera.
Polarizzando inversamente la giunzione, la zona di svuotamento può essere ingrandita, anche centinaia di micron. Se una particella carica si muove nella zona di svuotamento, creerà una quantità di ionizzazione proporzionale all’energia iniziale della particella sarà creato lì, queste cariche saranno romosse dal campo elettrico.
Creando contatti ohmici sulle superfici esterne del cristallo, è possibile sia applicare la polarizzazione sia raccogliere la carica libera dalla zona di svuotamento, in modo da creare un dispositivo a guadagno elevato, si tratta della versione a stato solido della camera di ionizzazione.

Nel nostro progetto abbiamo utilizzato il rilevatore mostrato nell’immagine a lato (prodotto da “AlexDetector” e commercializzato dalla Micod, il quale presenta i seguenti dati tecnici:
Area attiva = 500 mm2
Tensione di polarizzazione = 60 V
Capacità = 50-100 pF

Come già detto sopra il rivelatore va utilizzato in ambiente sotto vuoto, per evitare l’assorbimento della particelle alfa da parte dell’aria, inoltre è preferibile che venga utilizzato al buio per evitare che la superfice sensibile venga colpita dalla luce durante il funzionamento.
Per la “vacuum chamber” abbiamo utilizzato una scatola stagna in alluminio pressofuso, forata per il connettore BNC e per il raccordo passante per il collegamento del tubo della pompa a vuoto. Nella foto sotto si vede la vacuum chamber con il rivelatore posizionato su di un supporto in legno, il campione da misurare va inserito al di sotto del supporto in legno :

Il Test

Le prime prove sono state effettuate utilizzando il medesimo setup sperimentale descritto nel post : Spettrometro Alfa DIY, nel quale però viene utilizzato un rivelatore PIPS della Canberra. Per queste prime prove abbiamo sostituito il rivelatore della Canberra con quello fornito dalla Micod. Le sorgenti alfa che abbiamo sottoposto a misurazione sono una sorgente campione di Po210 ed una sorgente Am241 ricavata da uno smoke detector.
Gli spettri alfa sono mostrati nei grafici riportati sotto. Come si può vedere l’emissione del Po210 produce un picco molto evidente con una “lusinghiera” risoluzione di 1.3%. L’americio, essendo incapsulato dietro una sottile lamina metallica, produce uno picco più allargato che rimane comunque perfettamente definito.

Po210 Alfa Spectrum
Am241 Alfa Spectrum

Con il medesimo setup abbiamo sottoposto a misura delle vecchie lancette di orologio con vernice fosforescente al radio. In questo caso la sorgente alfa, il radio, è contenuto all’interno dello strato di vernice, per questo motivo non è possibile ottenere, a causa dell’auto assorbimento, dei picchi ben definiti. Il detector è comunque in grado di riconoscere i principali isotopi alfa-emittenti prodotti dal decadimento del radio, come si può facilmente notare nel grafico riportato sotto.

Radium Alfa Spectrum

Con la medesima sorgente di radio, la misura è stata estesa anche alle basse energie (< 1 MeV), in modo da conteggiare anche la cospicua radiazione beta emessa dalla sorgente.  Il grafico sotto mostra, su scala logaritmica, il risultato ottenuto. Si vede come il detector è sensibile anche alla radiazione beta fino a circa 1 MeV.

Radium Alfa + Beta Spectrum (Log Scale)

Un Setup Compatto

Al fine di testare il detector alfa con l’amplificatore Micod abbiamo adottato un setup diverso : le dimensioni contenute dell’amplificatore permettono di collocare detector ed elettronica nel medesimo contenitore. In questo modo si riduce il rumore dovuto ai collegamenti elettrici. Nella immagine sotto si mostra il setup del nostro prototipo. La sorgente alfa va posta al di sotto del sensore. In questo primo prototipo non abbiamo operato in condizioni di vuoto.

Il segnale prelevato dall’amplificatore è visualizzato nelle immagini sotto. Si nota come il segnale abbia un profilo gaussiano, con una ampiezza di 200 – 600 mV ed un rumore molto basso paragonato al segnale.

Conclusioni

Le prove effettuate hanno messo in evidenza l’ottimo comportamente del sensore alfa in esame e dell’amplificatore di segnale della Micod. Le piccole dimensioni dell’elettronica permettono di realizzare uno spettrometro alfa completo dalle dimensioni veramente contenute.

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