Spettrometro Alfa DIY

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, anche più difficile della spettrometria gamma. Le difficoltà di questa tecnica risiedono nel tipo di rivelatore, solitamente un rivelatore a stato solido al silicio (piuttosto costoso) che produce un segnale molto 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.

Nonostante queste difficoltà è possibile, con una buona dose di lavoro e pazienza, approntare una strumentazione DIY in grado di regalare molte soddisfazioni.

Introduzione

I nuclei radioattivi alfa (tipicamente nuclei pesanti) possono decadere emettendo particelle alfa (nuclei di elio) con energie dell’ordine di alcuni MeV, con spettri a righe, corrispondenti ai livelli energetici dei nuclei coinvolti.
Nel figura a lato è riportato un esempio di spettro in energia della emissione alfa del U-238.
I nuclei alfa-attivi sono nuclei pesanti con numero atomico maggiore di 82 (piombo). Esempi sono il Polonio, Radio, Torio, Uranio, etc …

Il decadimento alfa è stato spiegato teoricamente da Gamow nella prima metà del secolo scorso ricorrendo all’effetto tunnel nell’ambito della meccanica quantistica. Nella figura a lato è riportato un grafico nel quale viene visualizzata la funzione d’onda della particella alfa all’interno del nucleo ed all’esterno, oltre la barriera coulombiana. Sebbene la particella alfa non abbia energia sufficiente a superare la barriera si vede come all’esterno la funzione d’onda non sia zero e quindi vi sia una probabilità non nulla che la particella alfa venga espulsa dal nucleo. Ricorrendo a questo modello si riescono a spiegare con buona precisione la caratteristiche del decadimento alfa.

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 p-n, 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, queste cariche saranno rimosse 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 (grazie al Professor John Bland).
Presenta i seguenti dati tecnici:

– Canberra PIPS SPD-100-12 (partially depleted)
– Area attiva = 100mm²
– FWHM 12KeV at 5MeV
– Tensione di polarizzazione = 40V
– Spessore = 100μm

Elaborazione del Segnale

Il segnale prodotto dal detector è di ampiezza molto bassa e quindi necessita di una adeguata amplificazione. Dato il livello molto basso del segnale è necessario utilizzare amplificatori a bassissimo rumore, inoltre la tensione di polarizzazione deve essere priva di ripple, per questo motivo abbiamo adottato una alimentazione basata su batterie. Il preamplificatore del segnale è basato sulla tipologia amplificatore di carica (CSP) : l’impulso di corrente generato dal detector viene convertito in un impulso di tensione mediante la carica di un condensatore.
Nello schema seguente viene presentato lo schema di principio di un preamplificatore di carica :

Risposta di un amplificatore CSP

l’uscita del preamplificatore CSP è l’integrale nel tempo dell’impulso di corrente prodotto dal rivelatore PIPS. Il tempo di salita del segnale di uscita è approssimativamente uguale alla durata dell’impulso di corrente, la velocità del CSP impone comunque un limite inferiore a questo tempo di salita.
Poiché il CSP produce un’uscita pari ad un gradino di tensione proporzionale all’integrale nel tempo della corrente di ingresso e ricordando che

Risulta che l’uscita del CSP è proporzionale alla carica totale (Q) generata dal rivelatore PIPS. Per maggiori durate temporali la risposta di un CSP ad un impulso di corrente prodotto da un rilevatore si configura come un decadimento con una “lunga coda”. Questo impulso ha un tempo di salita iniziale veloce seguito da un lungo decadimento esponenziale prima di tornare alla linea di base. Un esempio di impulso è mostrato a lato. La ragione per il decadimento esponenziale sta nella resistenza che viene posta in parallelo alla capacità di feedback. Questo soluzione è necessaria affinchè il CSP possa rispondere ad impulsi successivi.

Formatura di un impulso gaussiano

L’uscita del CSP (con la sua forma di segnale impulsivo) deve essere considerata soltanto come un passo intermedio nella produzione di un uscita misurabile. La  lunga coda rende la digitalizzazione degli impulsi impraticabile, perché gli impulsi spesso si sovrappongono l’uno con l’altro. E’ necessario quindi utilizzare a valle del CSP un amplificatore (shaper) che trasforma l’impulso esponenziale in un impulso gaussiano adatto alla digitalizzazione. Un’altra caratteristica importante dell’amplificatore di shaping è che gran parte del rumore viene filtrato in modo da migliorare considerevolmente il rapporto segnale rumore. I segnali che possono essere “sepolti” nel rumore all’uscita del CSP diventano nettamente distinguibili al di sopra della soglia del rumore dopo la fase di shaping.
Nello schema seguente viene presentato lo schema di principio di un amplificatore di shaping :

Nello schema seguente viene presentato lo schema di principio di una catena di elaborazione segnale, composta da bias, detector, preamplificatore CSP e pulse shaper :

Realizzazione dell’Amplificatore

Per il nostro spettrometro alfa abbiamo scelto di utilizzare un CSP commerciale, in particolare il modello CR-110 della Cremat. Si tratta di un preamplificatore CSP ibrido con una capacità di feedback di 1,4 pF ed una resistenza di feedback di 100 MΩ, la costante di tempo dell’amplificatore è di 140 μs. Abbiamo  deciso di adottare un componente commerciale (a costo contenuto) perchè il CSP è un componente critico ed il buon funzionamente del sistema dipende in larga parte dalle buone prestazione del CSP in termini di guadagno e basso rumore. Lo schema sotto mostra i collegamenti del componente :

In particolare la resistenza di bias e di filter sono state scelte da 10 MΩ. Questi valori, tenendo conto di una dark current inferiore a 100nA, garantiscono un buon compromesso tra l’esigenza di limitare la caduta di tensione di bias e quella di avere un segnale di ampiezza adeguata sul condensatore di accoppiamento verso il CSP.

L’amplificatore di shaping invece è stato realizzato in casa, secondo quanto già descritto nel post PMT Pulse Processing. Le immagini sotto mostrano i circuiti finiti posti all’interno di un box metallico che ha la funzione di schermo contro interferenze RF.

Impulsi

Nelle immagini sotto sono riportati i tracciati dei segnali in uscita allo shaper (in giallo) ed in uscita al CSP (in blu). Si vede come l’impulso prodotto dallo shaper ha una forma gaussiana, con ampiezza di circa 200mV ed una durata di circa 80μs. L’impulso prodotto dal CSP ha invece un decadimento esponenziale con una durata molto maggiore : 300μs.

Setup e Vacuum Chamber

La prima soluzione che è stata provata per realizzare lo spettrometro alfa è consistita nel riutilizzare un vecchio apparato non più utilizzato (reperito su eBay..) : il famoso “Nucleus”, immagine a lato. Si tratta di un apparato che comprende una piccola vacuum chamber insieme a tutta l’elettronica necessaria per la polarizzazione del sensore e per l’elaborazione del segnale. Alla prova dei fatti però l’elettronica del Nucleus non si è rivelata molto affidabile e quindi abbiamo deciso di rifare sia la vacuum chamber che tutta la parte elettronica.

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 nuova vacuum chamber:

Nelle immagini sotto invece si vede il setup complessivo dell’apparato e la pompa da vuoto, rotativa bi-stadio ad olio.

Analizzatore Multicanale

Dopo la parte hardware arriva il momento del software. Gli impulsi generati dallo shaper vengono acquisiti dal software Theremino MCA attraverso una audio card USB. Theremino MCA è il software che abbiamo estensivamente utilizzato negli studi di spettrometria gamma, ampiamente riportati su questo blog. Nel sito web di Theremino c’è una intera sezione relativa a questa applicazione, con un ricco corredo di documentazione.

La versione che abbiamo utilizzato è la 7.2. Questa versione è stata appositamente modificata in modo da permettere l’utilizzo del software anche per la spettrometria alpha. In particolare è stata ampliata la scala delle energie fino a 10MeV, inoltre è stato ampliato il campo di regolazione dei parametri MinEnergy e EnergyTrimmer.

Nella figura sotto riportiamo lo spettro alfa della sorgente di Americio Am241 (presa da smoke detector) che emette a circa 5,5 MeV.

A causa della schermatura le particelle alfa hanno una energia un pò minore rispetto a quella teorica e quindi il picco si colloca a circa 4800 MeV. Questa sorgente, facilmente reperibile, può comunque essere utilizzata per una prima calibratura del software. Il parametro amplificazione ed il cursore energy trimmer vanno regolati in modo da far cadere il picco a circa 4800 MeV. Se agendo su queste regolazioni non si riesce a posizionare il picco in maniera adeguata, allora è necessario agire sulla amplificazione dello shaper, aumentandola o diminuendola, in modo da rientrare nel range delle energie previste.

Al fine di avere “sotto mano” i principali isotopi emettitori di particelle alfa è stato preparato un nuovo file delle energie degli isotopi, comprendente soltanto emettitori alfa con energie da 1,5 a 9 MeV. Il nuovo file Isotopes_Energy.txt (isotopes_energy) va sostituito al file esistente presente nella cartella Theremino_MCA/Extra (è consigliabile fare una copia del file originale). La lista degli isotopi apparirà come mostrato nella figura a lato.

Procedura Operativa

Per effettuare una misurazione è necessario inserire la sorgente all’interno della vacuum chamber, attivare la pompa a vuoto e quando la pressione è scesa al valore minimo dare tensione al detector. Il detector non va mai alimentato alla pressione atmosferica e non va mai esposto alla luce quando alimentato altrimenti potrebbe danneggiarsi.
Il detector è molto delicato e la sua area attiva non va mai toccata, se è necessario rimuovere della polvere si può utilizzare un soffio d’aria, inoltre la tensione massima di utilizzo non va mai superata.
Un’altra accortezza che va seguita è quella di non lasciare sorgenti alfa all’interno della vacuum chamber per troppo tempo, questo perchè il sensore viene lentamente danneggiato dalle particelle stesse.
Va inoltre prestata attenzione a non “contaminare” la camera di misura con residui di campioni, questo si può facilmente fare utilizzando un foglio di alluminio come appoggio della sorgente.

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