Radon Detection con Fotodiodo Si-PIN

Abstract: in questo post ci proponiamo di esaminare la possibilità di utilizzo del fotodiodo BPX61 come detector di particelle alfa allo scopo di quantificare la presenza del gas radon. Al fine di abilitare la sensibilità alle particelle alfa è necessario rimuovere il vetro di protezione del fotodiodo in modo da lasciare esposto il chip di silicio sottostante. Per i test è stato utilizzato il modulo Micod che comprende sia il charge amplifier che lo shaping amplifier. Per concentrare sul chip di silicio del fotodiodo le particelle alfa-emittenti ottenute dal decadimento del radon è stato utilizzato un campo elettrico diretto verso il sensore.  I risultati ottenuti sono positivi e suggeriscono la possibilità concreta di utilizzare il fotodiodo in applicazioni “low-cost” per la rilevazione del gas radon.

Introduzione

I prodotti del decadimento del gas radon (o thoron) sono a loro volta isotopi alfa-emittenti; inoltre, a causa dell’emissione della particella alfa, questi isotopi sono carichi positivamente perché alcuni elettroni vengono catturati dalla particella alfa emessa dal nucleo. L’idea è quindi quella di concentrare per via elettrostatica sulla superficie del detector questi isotopi carichi positivamente . Quando questi isotopi decadono, le particelle alfa vengono rilevate dal detector senza che vengano assorbite dall’aria circostante.

Il fotodiodo è già stato da noi utilizzato come detector di radiazioni alfa; i dettagli si trovano nell’articolo Detector Alfa con Fotodiodo BPX61. Come elettronica di Front-End abbiamo utilizzato CSP e SA della Micod, come descritto nell’articolo Detector Alfa con CSA-SA Micod. Il segnala analogico generato dall’elettronica è stato acquisito dalla scheda Red Pitaya, come spiegato nell’articolo Spettroscopia Alfa con Red Pitaya.

Questo è un lavoro “in progress”, quindi presentiamo solo alcuni risultati preliminari e alcune immagini dell’apparato.

Fig.1 – Schema di un fotodiodo PIN

Fig.2 – Dettaglio del fotodiodo BPX61

Fig.3 – Dettaglio del fotodiodo BPX61 senza il vetro di protezione

Fig.4 – Camera di misura con il sensore al centro

Una parte importante dell’apparato è la cupola in alluminio che circonda il detector, il quale è posto al centro della semisfera. La cupola viene caricata negativamente a un potenziale elevato: 1000 – 2000 V. Il fotodiodo detector invece si trova a potenziale nullo. Nello spazio compreso tra la cupola e il detector si viene a creare quindi un campo elettrico che spinge gli ioni positivi verso la superficie del detector.

Fig.5 – Cupola di alluminio per la generazione del campo elettrico

Fig.6 – Interno dello strumento con la cupola di alluminio installato sul sensore

Fig.7 – Elettronica di front-end

Fig.8 – Contenitore dello strumento

I primi test sono stati fatti ponendo direttamente all’interno della cupola di alluminio una sorgente di thoron (reticella toriata) e misurando gli impulsi rilevati dal detector. Nell’immagine seguente riportiamo la catena di decadimento del torio 232.

Fig.9 – Catena di decadimento del Torio 232

Con la sorgente di thoron collocata all’interno della camera di misura otteniamo lo spettro mostrato nel grafico seguente. Si evidenziano i picchi alfa relativi all’isotopo Po-216 (6900 keV), all’isotopo Bi-212 (6200 keV) e all’isotopo Po-212 (8900 keV).

Fig.10 – Spettro alfa della progenie del Thoron – I

Rimuovendo la sorgente, lo spettro che si ottiene è privo del picco del Po-216 a 6900 keV, a causa del breve tempo di decadimento, mentre rimangono i picchi del Bi-212 e del Po-212 che hanno decadimenti più lunghi.

Fig.11 – Spettro alfa della progenie del Thoron – II

Conclusioni

In questo post abbiamo descritto alcune misure di spettrometria alfa fatte con un fotodiodo Si-PIN, allo scopo di valutare la quantità di gas radon. I primi dati sono preliminari ma incoraggianti perché ci hanno permesso di ottenere spettri alfa dai quali si può desumere la quantità di gas radon presente nella camera di misura.

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