Rilevatore CERN di Particelle DIY

Abstract : in questo post descriviamo la costruzione ed il test del “DIY Particle Detector” sviluppato presso lo S’Cool LAB del CERN. Si tratta di un detector basato sul fotodiodo BPX61 (principalmente per particelle alfa) e sul fotodiodo BPW34 (principalmente per particelle beta). Il detector utilizza componenti facilmente reperibili e di basso costo ed il PCB può essere ordinato online. L’apparecchio è pensato per l’autocostruzione all’interno di progetti educativi sulla fisica. Nonostante la semplicità costruttiva permette di ottenere risultati interessanti nella rilevazione della radioattività, permette di distinguere le diverse particelle (alfa e beta) e misura la loro energia in un range compreso tra 100 KeV e 8 MeV. 

Introduzione

I rivelatori a stato solido al silicio sono ampiamente utilizzati nella rilevazione delle radiazioni e nella misura della energia delle particelle, in questo blog sono stati oggetto di numerosi post nei quali abbiamo descritto proprietà fisiche ed applicazioni nell’ambito della rilevazione di radiazioni ionizzanti.

Richiamiamo brevemente i concetti principali. 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.

Detector

La versione per la rilevazione di particelle beta è equipaggiata con quattro fotodiodi PIN del tipo BPW34, mentre la versione per le particelle alfa utilizza un fotodiodo PIN BPX61. Il chip del BPW34 è incapsulato in una resina trasparente e non può essere utilizzato per le particelle alfa perché queste vengono bloccate dal rivestimento plastico, il chip del BPX61 può invece 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. Nel circuito proposto i diodi sono polarizzati inversamente ad un valore di circa 8V, in corrispondenza del quale la zona di svuotamento risulta di circa 50 μm. La tensione di polarizzazione inversa massima è di 30V.
Le immagini sotto mostrano i fotodiodi.

Elettronica

L’elettronica di lettura del fotodiodo è basata su di un pre-amplificatore di carica seguito da un un amplificatore di segnale. è stato utilizzato il chip TLE2072 che contiene due op-amp JFET caratterizzati da low noise e high speed quindi adatti ad essere applicati alla lettura del segnale di fotodiodo. Lo schema riportato sotto è relativo al rilevatore con BPX61 per particelle alfa; lo schema per il rilevatore con il BPW34 è il medesimo ma i valori di alcuni componenti sono diversi. La capacità di feedback del pre-amplificatore di carica è la medesima, 5pF, ma la resistenza di scarica è diversa : 40M in un caso, 10M nell’altro; la costante di tempo per il rilevatore alfa è di 200μs mentre per il rilevatore beta è di 50μs. In generale il rilevatore con il BPX61 ha una amplificazione minore, questo perché le particelle alfa generano un segnale forte, questo rende il rilevatore alfa meno sensibile al rumore ed ai disturbi.
Gli amplificatori operazionali sono utilizzati con alimentazione singola (9V da batteria), il livello del segnale viene quindi traslato verso valori positivi in modo da evitare che diventi negativo. In uscita dal secondo amplificatore, che è in configurazione invertente, è posto un filtro passa basso che arrotonda l’impulso e lo rende facilmente acquisibile da un ADC lento come può essere quello di una scheda audio.

I circuiti con i fotodiodi sono stati posti all’interno di una scatola metallica (per diminuire i disturbi elettromagnetici) ed a tenuta di luce per evitare che la luce arrivi fino alla superficie sensibile dei fotodiodi. L’immagine sotto mostra le due versioni del rilevatore, con BPW34 e con BPX61, all’interno della nostra scatola di alluminio pressofuso.

Test Effettuati

Per il test dei rilevatori abbiamo utilizzato due sorgenti “campione” : 0,1μCi di Sr-90 per le particelle beta e 1μCi  di Am-241 per le particelle alfa; la sorgente di Am-241 è stata parzializzata coprendola con del nastro adesivo e praticando un forellino nel nastro per ridurre il conteggio. L’immagine sotto mostra le due sorgenti.

Entrambi i rilevatori funzionano bene e si sono dimostrati piuttosto sensibili sia alle particelle beta che alle particelle alfa, mentre la sensibilità alla radiazione gamma è molto ridotta. Gli impulsi sono di polarità negativa e hanno ampiezza di circa 50 – 100 mV e presentano un moderato overshooting.

Detector Beta – BPW34

Detector Alfa – BPX61

Conclusioni

Il rilevatore proposto dalla S’Cool LAB del CERN è molto interessante perché permette di studiare la radioattività alfa e beta utilizzando componenti a basso costo e facilmente reperibili. La costruzione e l’assemblaggio non sono critici e possono essere portati a termine anche da principianti. Lo sviluppo naturale del rilevatore è l’acquisizione e digitalizzazione degli impulsi tramite scheda audio e apposito software al fine di ottenere lo spettro energetico della sorgente esaminata.

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