Contatori Geiger-Müller

Quando la differenza di potenziale raggiunge valori molto alti, i processi di moltiplicazione a valanga localizzati possono propagarsi e portare ad un fenomeno di scarica chiamato breakdown. Esso è causato principalmente da fotoni appartenenti alla regione dell’ultravioletto, prodotti nelle valanghe localizzate. Quest'ultimi hanno energia sufficiente per produrre elettroni secondari, gli elettroni così liberati migrano velocemente verso l’anodo influenzati dal campo elettrico (E) all’interno della camera e a loro volta producono valanghe secondarie. La velocità di deriva degli elettroni prodotti dalla ionizzazione degli atomi del gas è invece inversamente proporzionale alla pressione (P) cioè:

La corrente prodotta nel detector durante questi processi è piuttosto alta e deve essere limitata da un circuito esterno per evitare che la camera si danneggi. Sfruttando poi la caduta di tensione su una resistenza (tipicamente del valore di qualche MΩ) si può prelevare un impulso sufficientemente alto da non necessitare di alcuna aggiuntiva amplificazione. Come già detto più volte, se da una parte si ha il vantaggio di un hardware semplificato, dall’altra si perde qualsiasi informazione sull’energia delle particelle incidenti. Ecco lo schema semplificato di un contatore GM: 

Il segnale in uscita dal tubo geiger presenta oltre che un’ampiezza anche una certo intervallo di durata. Come detto, durante questo intervallo il sistema rimane insensibile ad eventuali eventi ionizzanti. Essendo impossibile eliminare del tutto il dead time è utile cercare di correlare il numero di conteggi raccolti con quelli persi. Se con  si indicano i conteggi registrati, con  i conteggi reali (cioè ipotizzando un tempo morto pari a zero), si possono relazionare le due quantità come:

dove ƺ indica l’efficienza del sistema di rivelazione. Questo coefficiente dipende da molti fattori e spesso risulta di difficile valutazione. È possibile anche un approccio più intuitivo per stimare il valore di questo parametro: se si suppone il tempo morto τ e si indica con C il numero totale di conteggi registrati nel tempo t, la frequenza di conteggi registrata sarà:

Il rateo di conteggi persi:

Chiaramente il numero di conteggi reali è la somma di quelli registrati più quelli persi:

Dalle due relazioni appena scritte si arriva a:

Quindi l’efficienza di un contatore GM può essere espressa come:

Se si considera, ad esempio, un dead time di 100μs, dalla formula appena scritta risulta chiaro che il sistema avrà un efficienza del 50% se lo strumento è esposto ad un campo radiante che produce una frequenza in conteggi di 10 kHz.

Ecco alcuni tipi di contatore:

Contatori per raggi β/α: devono poter offrire un piccolissimo assorbimento alle particelle incidenti e per tale motivo una parte del tubo viene provvista di una finestra ricoperta da un materiale molto sottile e di bassa densità ma con resistenza meccanica sufficiente a sopportare la differenza tra pressione interna ed esterna. Solitamente tali finestre sono fatte in mica.

Contatori per raggi γ: sfruttano la ionizzazione dovuta agli elettroni prodotti per effetto fotoelettrico, per effetto Compton o per creazione di coppie dall'interazione dei raggi γ con le pareti o con il gas di riempimento. A causa della bassa probabilità di interazione con il gas, occorre affidarsi all'interazione con le pareti ed utilizzare contatori senza finestra e con spessori notevoli delle pareti metalliche del involucro. Comunque in questo caso l'efficienza risulta molto bassa.

Contatori per raggi-X: sono simili a quelli per le particelle β. Infatti poiché i raggi-X sono fotoni con energie più basse dei raggi γ, occorrono contatori con pareti sottili, in modo che l'interazione avvenga con le molecole del gas. Generalmente i gas impiegati sono argon, krypton o xenon.

Bicron Surveyor M+LND 7311 probe

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