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Rivelatore gamma basato su cristallo CZT

(Immagine da Kromek)

Introduzione

Il tellururo di zinco cadmio CZT è un semiconduttore che, a temperatura ambiente, converte direttamente fotoni di raggi X o gamma in coppie di elettroni e lacune. È un semiconduttore unico rispetto ai rivelatori al silicio e al germanio, in quanto il tellururo di zinco cadmio CZT opera a temperatura ambiente e può generare oltre 100 milioni di fotoni / secondo / mm2. Inoltre, la risoluzione spettroscopica del rivelatore CZT supera nettamente quella di qualsiasi scintillatore disponibile in commercio. La combinazione unica di spettroscopia e capacità di conteggio molto elevata a temperatura ambiente rende lo CZT un rivelatore ideale per molte applicazioni.

Il Sensore

Il sensore che abbiamo usato è il modello SDP 310/Z/20 della Ritec. La sonda per spettrometria Modello 310 (SDP310) è un dispositivo miniaturizzato e portatile per la rilevazione di radiazione gamma e per l’acquisizione di spettri gamma con energie superiori a 50 keV.
La sonda SDP310 contiene un rivelatore CZT e un preamplificatore di carica, protetti da un rivestimento di acciaio inox di 0.8 cm di diametro esterno, il tutto connesso in maniera stagna ad un cavo di 0.6 cm di diametro. Le misure contenute del sensore SDP310 permettono di fare rilevazioni in posti difficili da accedere, inoltre permettono alla sonda di essere adeguatamente schermata e collimata per applicazioni in condizioni di elevata attività.
I dati tecnici del rivelatore sono i seguenti :

  • Tensione di polarizzazione = 200 V
  • Risoluzione in energia (FWHM) =16.9 KeV (per Cs137 662 KeV)
  • Polarità impulso : Negativa
  • Volume Detector = 20 mm3
  • Tipo Detector = CdZnTe quasi-hemispherical detector
  • Efficienza (per Cs137 662 KeV) = 0.3 %
  • Preamplificatore integrato, alimentazione +12 V, -12 V
  • Protezione : 0,25 mm acciaio inox

L’immagine sotto mostra il sensore.

Il Setup

Il nostro primo setup comprende il detector, l’alimentatore +12 V -12 V, il generatore della tensione HV di polarizzazione per il rivelatore CZT e l’amplificatore. La tensione di polarizzazione del rivelatore viene prodotta dal regolatore di precisione HV80A della AiT Instruments. Questo dispositivo è capace di generare una tensione compresa nel range 10 – 80 V, quindi minore del valore suggerito di 150 – 200 V. Con questa minore polarizzazione la risoluzione energetica sarà un pò peggiore di quella attesa da specifiche, comunque siamo stati in grado di ottenere buoni risultati anche con questi valori più bassi.
L’amplificatore utilizzato è stato già descritto nel post PMT Pulse Processing (ENG). L’immagine sotto mostra l’intero setup sperimentale (troppi fili …).

Con il nostro setup abbiamo controllato gli impulsi generati dal rivelatore e gli impulsi prodotti dal nostro amplificatore. Le tracce dell’oscilloscopio mostrano, in blu, l’impulso dal rilevatore e, in giallo, l’impulso dall’amplificatore. L’impulso del rivelatore, con polarità negativa, è amplificato dal preamplificatore di carica integrato nel rivelatore, ha un decadimento esponenziale ed una durata dell’ordine di 300 – 400 μs con ampiezza di circa 20 mV. L’impulso di uscita ha invece una forma gaussiana con una durata di circa 100 μs e un’ampiezza di circa 200 mV. Con queste caratteristiche, questo tipo di impulsi può essere facilmente acquisito con il nostro MCA: MCA Theremino.

Successivamente abbiamo migliorato il setup, utilizzando un generatore HV low-ripple capace di erogare una tensione di 150 – 200 V, quindi in linea con il valore suggerito. Tutti i collegamenti e lo shaping amplifier sono stati inseriti all’interno di una scatola in metallo, come mostrato nella figura sotto :

All’interno della scatola abbiamo collocato le connessioni del sensore e lo shaping amplifier già descritto nel post PMT Pulse Processing (ENG)

Il sensore è stato collocato su di un supporto in legno :

Spettri Gamma

Con il setup sopra descritto abbiamo acquisito lo spettro gamma di alcune sorgenti campione. Il rivelatore ha un cristallo CZT piuttosto piccolo e questo si traduce in una bassa efficienza di rilevazione, soprattutto al crescere della energia della radiazione gamma. Per questo motivo è opportuno collocare il sensore direttamene a contatto con la sorgente ed effettuare l’acquisizione per un tempo sufficiente ad accumulare un elevato numero di impulsi.

Gli spettri sotto rappresentati sono stati acquisiti con un tempo minimo di 2 ore.
Le sorgenti campione che abbiamo utilizzato sono le seguenti:

  • 1 μCi Am241
  • 0,25 μCi Cs137
  • 1 μCi Na22

Oltre a queste abbiamo anche acquisito lo spettro gamma di un campione di uraninite (minerale di uranio) e di un campione di Monazite in forma sabbiosa (minerale contenente torio).

Americio 241

Cesio 137

Sodio 22

Uraninite

Monazite

I risultati ottenuti sono molto buoni. La risoluzione energetica, nella gamma delle energie medie, è minore del 2%, quindi in linea con le attese. Il rivelatore è sensibile anche ad energie relativamente basse, infatti risponde bene ai 60 KeV dell’Americio. La linearità del sensore è ottima quindi è sufficiente calibrarlo in corrispondenza ad una sola energia campione (ad esempio i 662 KeV del Cs137), questa caratteristica si può apprezzare nello spettro del minerale di uranio (in scala logaritmica) nel quale i picchi energetici si collocano tutti nella posizione corretta.
L’unico problema è la bassa efficienza che costringe, in caso di sorgenti deboli, a lunghi tempi di misura.

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