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Detector Alfa con Fotodiodo BPX61

Abstract : in questo post ci proponiamo di esaminare la possibilità di utilizzo del fotodiodo BPX61 come detector di particelle alfa e beta. Al fine di permettere la sensibilità alle particelle alfa è necessario rimuovere il vetro di protezione in modo da lasciare esposto il chip di silicio sottostante. Per i test è stato utilizzato lo spettrometro alfa precedentemente sviluppato in PhysicsOpenLab : Spettrometro Alfa DIY. I risultati ottenuti sono molto positivi e suggeriscono la possibilità concreta di utilizzare il fotodiodo in applicazioni “low-cost” per la rilevazione specifica di particelle alfa, ad esempio nella rilevazione del gas Radon.

Detector

Il chip del fotodiodo BPX61 può essere esposto rimuovendo il vetro di protezione. L’operazione non è difficile ma è un po’ delicata, con delle pinze si piega il rivestimento metallico producendo quattro tacche e rompendo così il vetrino, mettendo a testa in giù il componente i frammenti di vetro cadranno, non è consigliabile rimuovere i frammenti con delle pinze perché si rischia di danneggiare il chip. La tensione di polarizzazione inversa massima è di 30V, per sicurezza noi abbiamo utilizzato una tensione inversa di 25V, in corrispondenza della quale lo spessore della zona di svuotamento è compreso tra i 50 ed i 100μm.
Le immagini sotto mostrano il fotodiodo senza il vetro di protezione ed il fotodiodo collocato nella camera di misura, nella quale verrà praticato il vuoto durante le misurazioni.

Lo Spettrometro

Riportiamo brevemente alcune informazioni sulla costruzione del 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 :

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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.

alfaspecampli

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.

Risultati

Utilizzando il fotodiodo BPX61 e lo spettrometro descritto sopra abbiamo fatto alcune misurazioni di sorgenti alfa e beta, acquisendo gli spettri energetici. Abbiamo utilizzato una sorgente alfa Am241, una sorgente beta Sr90 e delle lancette con vernice al radio (alfa + beta). I grafici seguenti mostrano gli spettri energetici ottenuti.

Am241
Radium – Alpha peaks
Radium – Beta background
Sr90

Conclusioni

I risultati ottenuti con il fotodiodo BPX61 utilizzato come sensore di particelle alfa sono molto buoni. La risoluzione energetica è paragonabile a quella di sensori dedicati. Il basso costo e la buona risoluzione energetica lo rendono una valida alternativa per applicazioni di monitoraggio della radioattività ambientale come la rilevazione del gas Radon.

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