Rilevazione radiazione Beta ed Alfa con il KC761B

Abstract: in questo articolo continuiamo la presentazione del nuovo device KC761B. Nei post precedenti abbiamo descritto l’apparato in termini generali ed abbiamo descritto la funzionalità di spettrometro gamma. In questo post descriviamo invece il suo utilizzo come rivelatore di radiazione beta ed alfa. Per la rilevazione delle particelle beta ed alfa, il device utilizza un sensore a semiconduttore di tipo PIN posizionato sul retro dell’apparato. 

Introduzione

Lo strumento KC761B della Deepace ha al suo interno due sensori di radiazione. Il sensore principale è un cristallo scintillatore CsI(Tl) accoppiato a fotomoltiplicatori a stato solido (SiPM). Il cristallo scintillatore è sensibile principalmente alla radiazione gamma, rispetto alla quale permette di ottenere una ottima risoluzione energetica di circa il 7.5%. Le ottime prestazioni del cristallo scintillatore/SiPM abilitano lo strumento ad essere utilizzato sia come sensibile rivelatore di radiazione gamma (dosimetro) che come spettrometro.
Oltre al cristallo scintillatore lo strumento ospita un secondo sensore a stato solido, basato su di un diodo PIN, sensibile solo alla radiazione beta ed alla radiazione alfa. Anche con questo secondo sensore lo strumento KC761B, oltre a registrare l’evento di interazione con la particella, misura l’ampiezza del segnale e permette quindi di acquisire lo spettro energetico della radiazione.

Il sensore PIN

Un Diodo PIN (diodo tipo-p, intrinseco, tipo-n) è un diodo con una ampia zona di semiconduttore intrinseco (non drogato) contenuta tra una zona di tipo p ed una di tipo n. Il vantaggio di un diodo PIN è che la regione di svuotamento della giunzione si colloca quasi interamente all’interno della regione intrinseca, la quale presenta una larghezza costante (o quasi costante) indipendentemente dalla tensione applicata al diodo.
La regione instrinseca può essere realizzata larga a piacere, aumentando così il volume nel quale possono essere generate le coppie elettrone – lacuna.
La generazione dei portatori di carica all’interno della regione intrinseca può avvenire grazie alla radiazione lumionsa incidente. Per queste ragioni, molti fotosensori utilizzano un diodo PIN. Oltre alla radiazione luminosa i portatori di carica possono anche venire generati (ma con bassa efficienza) da radiazione gamma e da radiazione X, ma soprattutto da particelle beta ed alpha, per le quali l’efficienza di rilevazione è praticamente del 100%. Per questi motivi un diodo PIN può venire utilizzato anche come un efficiente rilevatore a stato solido di radiazione.

Nello strumento KC761B il sensore PIN è collocato sul retro dell’apparecchio, protetto da un coperchio di gomma. Al di sotto della protezione di gomma c’è la capsula che racchiude il sensore, a sua volta oscurato da una pellicola argentata di mylar. Il sensore PIN è infatti sensibile alla luce, per questo motivo è necessario coprirlo da una pellicola che deve essere completamente opaca alla luce ma, allo stesso tempo, deve permettere il passaggio della radiazione beta ed alfa con un assorbimento minimo. Nelle immagini riportate in Fig.1 ed in Fig.2 si vede il retro dello strumento e l’alloggiamento del sensore PIN.

Fig 1 – Il retro dello strumento con l’alloggiamento del sensore PIN per la radiazione beta ed alfa

Fig 2 – Dettaglio del sensore PIN con la sua protezione in mylar

Misura di radiazione Beta con il sensore a scintillazione

Prima di mostrare i risultati delle rilevazioni di radiazioni beta e radiazioni alfa fatte con il sensore PIN, mostriamo come le radiazioni beta possano essere rilevate e misurate con efficienza anche con il sensore a scintillazione. Il sensore a scintillazione è costituito da un cristallo scintillatore che è sensibile anche alla radiazione beta, costituita da elettroni energetici. Nel KC761B il sensore a scintillazione è posto sul lato frontale dello strumento, protetto dal case di plastica dello strumento. Gli elettroni della radiazione beta superano facilmente la protezione in plastica, con perdita di energia minima, e raggiungono il cristallo scintillatore dove producono un impulso luminoso rilevato dal sensore SiPM. In Fig.3 mostriamo il setup per la rilevazione della radiazione beta prodotta da una sorgente di Stronzio 90.  Lo stronzio 90 è un emettitore beta puro, per cui lo spettro che misuriamo è dovuto solamente alla radiazione beta (per la precisione sarà presente anche una quota di radiazione di bremsstrahlung che però noi trascuriamo perchè non stiamo utilizzando materiali fortemente assorbenti). Lo spettro energetico dello Sr-90, ricavato da risorse disponibili online, è mostrato nella immagine a lato. Lo spettro della radiazione beta non è mai caratterizzato da righe monoenergetiche ma piuttosto è costituito da un continuo che si estende, ad intensità via via decrescenti, fino ad un valore massimo di energia, per questo motivo la spettrometria beta non è, in genere, molto significativa, a differenza di quella gamma ed alfa che invece mostrano righe monoenergetiche in corrispondenza alle emissioni. Possiamo comunque vedere che lo spettro misurato dal nostro strumento è qualitativamente simile allo spettro reale della sorgente, con valori di energia che si collocano nel range 0.5 – 1.5 MeV.

Fig 3 – Rilevazione della radiazione beta di una sorgente Sr-90 con il sensore a scintillazione

Misura di radiazione Beta con il sensore PIN

Quando la sorgente in esame emette sia radiazione gamma che radiazione beta, l’utilizzo del sensore a scintillazione è problematico perchè il sensore non distingue tra i due tipi di radiazione. In questo caso possiamo utilizzare il sensore PIN del KC761B che è praticamente insensibile alla radiazione gamma. La misura che abbiamo fatto è descritta nella Fig.4. In pratica abbiamo avvicinato la nostra sorgente beta Sr-90 al sensore PIN, avendo cura di posizionare la sorgente a distanza ravvicinata in modo da massimizzare il conteggio e diminuire l’attenuazione provocata dall’aria.

Fig 4 – Rilevazione della radiazione beta con il sensore PIN

La Fig.5 mostra lo spettro energetico della sorgente Sr-90. Lo spettro ha un valore minimo di soglia di circa 400 keV, al di sotto del quale non viene rilevato segnale, questo è normale considerando il tipo di sensore e le protezioni posizionate di fronte al sensore stesso che assorbono parte della radiazione incidente. Lo spettro comunque si estende verso valori di energia di circa 1 MeV, in accordo qualitativo con il range di energia della emissione beta della sorgente Sr-90 (riportato nel paragrafo precedente).

Fig 5 – Spettro delle radiazione beta di una sorgente Sr-90

Misura di radiazione Alfa con il sensore PIN

La misura della radiazione alfa si fa posizionando la sorgente nelle immediate vicinanze del sensore PIN. Ricordiamo che le particelle alfa sono fortemente assorbite praticamente da ogni materiale, compresi i gas. Per questo motivo la pellicola di protezione del sensore deve essere sottilissima, al fine di permettere il passaggio delle particelle alfa con minima perdita di energia. Oltre a questo dobbiamo tenere conto anche dell’assorbimento da parte dell’aria. In aria, infatti, le particelle alfa hanno un cammino medio di pochi centimetri, per questo motivo la sorgente deve essere molto vicina al sensore. Naturalmente lo spettro energetico che otterremo sarà fortemente influenzato dall’assorbimento dell’aria e dalla pellicola di mylar. La sorgente utilizzata è una sorgente di Americio 241 che emette particelle alfa ad una energia di circa 5.5 MeV. In Fig.6 mostriamo il setup per la misura della radiazione alfa.

Fig 6 – Rilevazione della radiazione alfa di una sorgente Am-241

Nella seguente Fig.7 riportiamo lo spettro energetico della radiazione alfa emessa da Am-241 ricavato da risorse disponibili online. Si vede come l’emissione è praticamente monoenergetica con un picco molto pronunciato a circa 5.5 MeV. Naturalmente si deve tenere conto che questi spettri sono ottenuti con sensori professionali, utilizzati in assenza di luce ed in regime di vuoto.

Fig 7 – Spettro alfa della sorgente di Am-241

In Fig.8 riportiamo lo spettro della sorgente di Am 241 ottenuto con il sensore PIN del nostro strumento KC761B. Il risultato è molto soddisfacente perchè la presenza del picco ad energia elevate, circa 2 MeV è evidente. Naturalmente la misura fatta in aria e con la pellicola di mylar a protezione del sensore, riducono notevolmente l’energia delle particelle alfa, inoltre la riduzione di energia ha l’effetto aggiuntivo di allargare il picco. Oltre a questo va anche considerato che la sorgente da noi utilizzata è protetta da uno strato metallico che contribuisce alla riduzione di energia e all’allargamento del picco.

Fig 8 – Spettro alfa della sorgente di Am-241

Misura di radiazione Alfa con il sensore PIN a distanza crescente

Una prova semplice che si può fare con il nostro strumento e con la sorgente alfa Am-241 è la misurazione dello spettro energetico al variare della distanza della sorgente dal sensore. Si tratta di una prova qualitativa che si realizza facilmente ponendo inizialmente la sorgente alfa a diretto contatto con il case dello strumento che protegge il sensore PIN, per poi allontanarla progressivamente. Ad ogni posizione della sorgente si fa una misura con l’acquisizione dello spettro energetico. La Fig.9 mostra gli spettri ottenuti a 4 distanze crescenti.

Fig 9 – Spettri alfa della sorgente di Am-241 presi a distanze crescenti

Gli spettri sopra riportati mostrano una decrescita della energia: si passa infatti da 1980 keV di energia massima nel caso di sorgente a contatto con il case, al valore di 1242 keV nel caso di una distanza di un paio di centimetri. Oltre alla decrescita dell’energia si ha anche un allargamento del picco di energia. Anche se negli spettri riportati non si nota, perchè sono calibrati verticalmente in modo da occupare la larghezza del display, anche il risultato del conteggio, cioè l’intensità della radiazione rilevata, diminuisce al crescere della distanza, come è giusto che sia.

Rilevazione di radiazione Gamma e Beta di un campione di uraninite

Il KC761B, essendo portatile e funzionando con le batterie, è perfetto per essere utilizzato come strumento di rilevazione radioattività sul campo. Come esempio mostriamo i risultati ottenuti esaminando un campio di roccia che presenta una bella mineralizzazone di uraninite (o pechblenda).
In Fig.10 mostriamo la rilevazione gamma del campione. Essendo un campione piuttosto attivo, per la rilevazione dello spettro bastano un paio di minuti. Nello spettro gamma si riconoscono tutte le principali emissioni dell’uranio e dei suoi prodotti di decadimento, tra i quali sono particolarmente evidenti i tre picchi del radio.

Fig 10 – Misurazione di un campione di uraninite con il sensore a scintillazione

Abbiamo sottoposto il medesimo campione di roccia anche alla rilevazione con il sensore PIN, che ricordiamo è sensibile alla radiazione beta ed alla radiazione alfa. Con questa rilevazione il numero dei conteggi è nettamente inferiore rispetto alla radiazione gamma, questo soprattutto a causa delle minori dimensioni del sensore PIN rispetto allo scintillatore. Lo spettro energetico è però comunque interessante perchè fornisce evidenza sia di emissione beta che di emissione alfa, come mostrato nella Fig.11.

Fig 11 – Misurazione di un campione di uraninite con il sensore PIN

Conclusioni

Lo strrumento KC761B è uno spettrometro gamma ricco di funzionalità. La risoluzione in energia del sensore è ottima ed è buona anche l’efficienza di rilevazione. La dotazione dello strumento però non si esaurisce con le funzionalità di spettrometro e dosimetro gamma. Il KC761B è infatti dotato di un sensore PIN sensibile alla radiazione beta ed alla radiazione alfa. Anche utilizzando questo sensore sono disponibili tutte le funzonalità di spettrometro e dosimetro. L’efficienza di rilevazione è alta, le piccole dimensioni del sensore e la necessità di operare in aria richiedono di collocare la sorgente in prossimità del sensore. Si tratta di limitazioni comuni a tutti i sensori a stato solido che però non impediscono di rilevare con buona risoluzione anche spettri energetici di radiazione alfa.

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