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CAMERA A IONIZZAZIONE

Una camera a ionizzazione e' un rivelatori a gas. L’ampiezza del segnale in un rivelatore a gas in funzione della differenza di potenziale fra i suoi elettrodi varia come mostrato nella figura dove è riportata la curva caratteristica di un rivelatore a gas. In questa curva si distinguono i tre principali regimi operativi del rivelatore al variare dell’intensità del campo elettrico applicato: il regime di camera a ionizzazione, il regime di contatore proporzionale e il regime di contatore Geiger-Müller.

Nella sua configurazione di base, una camera a ionizzazione (fig.1) e' costituita da un contenitore riempito con un gas e al cui interno sono disposti due elettrodi (catodo e anodo) fra i quali è applicata una differenza di potenziale. Nel volume del rivelatore compreso fra i due elettrodi (il volume attivo del rivelatore) agisce il campo elettrico dovuto alla differenza di potenziale esistente fra catodo e anodo. La radiazione che interagisce con il rivelatore ionizza il gas da cui il rivelatore è costituito con la conseguente formazione di ioni positivi ed elettroni.

Figura 1

Le cariche positive e negative così prodotte si muovono nel gas, sotto l’azione del campo elettrico, in direzioni opposte per essere infine raccolte rispettivamente sul catodo e sull’anodo. Un opportuno circuito elettronico elabora il segnale di carica fornito dal rivelatore e fornisce un segnale proporzionale alla ionizzazione e quindi al numero delle particelle ionizzanti che l’hanno prodotta. Il segnale e' costituito da una corrente o da un numero di impulsi di tensione a seconda del circuito di misura associato al rivelatore. Nel primo caso il circuito (fig.2) integra la corrente I generata dalla camera a ionizzazione e la corrispondente carica q accumulata nel condensatore Cq in un dato intervallo di tempo compreso fra t₁ e t₂ è data da:

i   qdt

Figura 2

Nei circuiti come quelli di figura sono utilizzati amplificatori operazionali con guadagno molto elevato (104) e si ha che: q  Cq  Vu

Il segnale di uscita Vu del circuito è proporzionale a q, e quindi alla fluenza di energia della radiazione incidente sulla camera a ionizzazione.

In alternativa alla misura di carica, il circuito può eseguire una misura di corrente, se ad esso sono associate ulteriori componenti circuitali (ad es. un resistore in controreazione anziché un condensatore) in grado di fornire il rapporto I = q/ta. Le correnti I dovute alla carica generata da camere a ionizzazione esposte a radiazione ambientale sono in genere molto basse. Nei campi di radiazione meno intensi e per camere di volume non molto elevato queste correnti possono essere particolarmente piccole, anche dell’ordine di 10-14 A. Da qui la necessita' di avere camere a ionizzazione di grandi volumi se si vuole rilevare basse intensita' di radiazione come quelle del fondo ambientale. Le camere a ionizzazione hanno infatti una sensibilità intrinseca che è molto bassa rispetto ai rivelatori costituiti da materiali solidi di pari volume, poiché i coefficienti di interazione dei gas sono, a parità delle altre condizioni, di circa tre ordini di grandezza inferiori a quelli dei solidi. Misure di impulsi La camera a ionizzazione può essere utilizzata anche in modalità per misure di impulsi. In questa modalità, a differenza di quanto avviene in un circuito integratore di corrente, ogni singola interazione della radiazione incidente sul rivelatore dà luogo a un impulso la cui ampiezza è proporzionale all’energia della particella che ha generato l’evento. In figura 3 è mostrato il circuito equivalente del primo stadio di elaborazione del segnale di una camera a ionizzazione che opera in regime impulsivo.

Il segnale del rivelatore è misurato dalle variazioni di differenza di potenziale, V R, ai capi della resistenza R. In assenza di cariche di ionizzazione all’interno della camera, ai capi della resistenza R, si misura la tensione di polarizzazione V0. Quando una particella carica passa attraverso la camera, le coppie di ioni che si formano si spostano sotto l’influenza del campo elettrico verso gli elettrodi della camera, riducendo la tensione rispetto al valore iniziale.

Figura 3

Il segnale del rivelatore è costituito dalla differenza di potenziale ai capi della resistenza R e cresce in funzione della carica raccolta agli elettrodi della camera. L’ampiezza di questo impulso di tensione si riporta quindi a zero con un tempo determinato dalla costante di tempo RC del circuito.

Se la costante RC è sufficientemente grande rispetto al tempo di raccolta delle cariche, si ha un impulso la cui ampiezza è proporzionale alla quantità di carica prodotta all’interno della camera. Poiche' la quantita' di carica raccolta da una singola interazione e' piccola e richiederebbe una grande amplificazione per essere rilevata, raramente le camere a ionizzazione lavorano in modalità per misure di impulsi. Inoltre, facendo lavorare una camera a ionizzazione in modalita' di misura i corrente si evita il problema dei "tempi morti" importante nella misura dei campi di radiazione particolarmente intensi. Le pareti A parità di fluenza di energia della radiazione incidente il segnale fornito da una camera a ionizzazione dipende dal gas e dal materiale delle pareti del rivelatore. Quando la radiazione è costituita da fotoni, l’ampiezza del segnale cresce all’aumentare del numero atomico, Z, del gas e delle pareti. In camere a ionizzazione di volume non molto grande il valore dello Z del materiale delle pareti del rivelatore può avere un ruolo prevalente rispetto a quello del gas. La dipendenza della risposta di una camera a ionizzazione dall’energia dei fotoni può essere perciò sensibilmente modificata a seconda del materiale usato come parete della camera. Se la grandezza dosimetrica è riferita a un materiale tessuto equivalente, sarà quindi necessario utilizzare per le pareti della camera (e anche per il gas) un materiale con uno Z possibilmente non molto dissimile da quello del tessuto. Il gas di riempimento La presenza nell’aria di un gas elettronegativo come l’ossigeno fa sì che gran parte degli elettroni liberati dalle ionizzazioni si “attacchino” (ancor prima di raggiungere l’anodo) alle molecole di ossigeno formando così ioni negativi. Questi ultimi hanno, non appena formati, un’elevata probabilità di interagire con gli ioni positivi originariamente prodotti dalla ionizzazione. Ioni di segno opposto possono perciò neutralizzarsi (ricombinazione ionica) causando una riduzione del segnale. Tuttavia, per i campi di radiazione cui si è più usualmente interessati in radioprotezione, in particolare nella dosimetria della radioattività ambientale, la correzione per l’effetto della ricombinazione ionica si può ritenere generalmente trascurabile. Gli effetti di ricombinazione della carica sono praticamente sempre trascurabili se il gas di riempimento delle camere a ionizzazione è costituito da gas nobili e in generale da gas non elettronegativi come argon o xenon (migliore perche' ha piu' alto Z) . D’altra parte l’uso dell’aria come gas di riempimento rende la costruzione e l’impiego di una camera a ionizzazione molto più semplice ed economico rispetto all’uso di qualsiasi altro gas. Le camere a ionizzazione possono essere di tipo sigillato o non sigillato a seconda che il volume che contiene il gas di riempimento sia o meno a tenuta. Le camere di tipo non sigillato sono costruttivamente più semplici e il gas (di norma l’aria) è sempre in equilibrio con l’aria dell’ambiente esterno. Questa circostanza rende d’altra parte il segnale della camera dipendente, a parità di tutte le altre condizioni, dalla temperatura e dalla pressione atmosferica. La massa d’aria (interna al rivelatore) in equilibrio con l’aria esterna varia infatti in funzione della temperatura e della pressione atmosferica. Questa dipendenza richiede una correzione del segnale che può variare da qualche percento (fig.4).

Figura 4

L’efficienza delle camere a ionizzazione ad aria alla radiazione gamma è piuttosto modesta, ma questa limitazione è compensata dal fatto che ha una dipendenza poco pronunciata dall’energia dei fotoni per tutte le grandezze dosimetriche di interesse. Fluke 451P, an example of pressurized ion chamber

Figura 5. X-ray image of a Fluke 451P ion chamber

In pressurized ion chambers, the detection gas used may still be air, but it is pressurized to about six times atmospheric pressure. This technique provides a higher efficiency for the detection of photon radiation so that environmental levels of radiation can be accurately quantified. The problem is that the chamber wall must be made thicker to contain the gas at pressure, so the lower energy gammas and x rays (below about 40 keV) cannot be detected. Similarly, beta radiation cannot be detected with pressurized ion chambers since there is no way to design a thin window to contain the pressure. Thus, they can always be identified by the fact that they haveno beta window. http://radiologykey.com/electronic-instrumentation-for-radiation-detection-systems/