CAMERA a ionizzazione

CAMERA a ionizzazione

Unitamente ai contatori per le particelle elementari (v. contatore, in questa App.), è uno dei più potenti mezzi di indagine nel campo della fisica atomica e nucleare. È costituita da un recipiente metallico contenente un gas la cui natura e pressione dipendono dal tipo di ricerca da eseguire. La camera è mantenuta ad un'elevata tensione mentre un elettrodo isolato è connesso a terra attraverso un elettrometro. Il dielettrico che isola l'elettrodo raccoglitore non deve però comunicare con l'elettrodo a tensione, e, a tale scopo, anelli di guardia, connessi a terra, lo circondano. Una particella ionizzante produce nella camera un certo numero di ioni dei quali quelli di un determinato segno vengono raccolti dall'elettrodo centrale; regolando opportunamente il valore della tensione applicata, si può ottenere che la carica raccolta sull'elettrodo sia proporzionale alla ionizzazione primaria. Più precisamente, il campo elettrico deve essere sufficientemente elevato affinché si abbia la saturazione, cioè affinché tutti gli ioni prodotti in seno al gas vengano raccolti dall'elettrodo, e non abbia luogo il processo di ricombinazione, il che implica una conveniente scelta del gas (A, N₂, CO₂, ecc.). Un limite superiore è generalmente imposto dalla ionizzazione per urto prodotta dagli ioni primarî troppo veloci, perché in tal caso si raccolgono sull'elettrodo anche gli ioni secondarî. Si hanno allora camere in regime di moltiplicazione; o, addirittura, camere con campi così elevati che una singola particella può essere rivelata; in tal caso l'impulso ricavato risulta indipendente dalla ionizzazione primaria. In questi ultimi casi non si tratta più di camere a ionizzazione in senso proprio, ma di contatori. In regime di saturazione, la carica comunicata all'elettrometro in un dato tempo costituisce una misura della ionizzazione primaria prodotta dalla radiazione da esaminare, ma, poiché per tale misura occorrono elettrometri di grande sensibilità, si preferisce oggi usare i moderni amplificatori lineari con valvole termoioniche, che, in virtù degli elevatissimi fattori di amplificazione (anche 10⁶), permettono di misurare ionizzazioni di 500 ioni primarî, cioè 2,4 10^-7 u. e. s.

Il numero di ioni primarî prodotti per cm. da una particella ionizzante (ionizzazione specifica): 1) cresce con il quadrato della carica della particella; 2) è praticamente indipendente dalla particella a parità di carica e velocità (purché non troppo elevate); 3) cresce con la massa a parità di carica ed energia; 4) diminuisce con la massa, a parità di carica, energia e velocità nella regione relativistica; 5) cresce proporzionalmente alla densità elettronica del gas usato, e diminuisce con l'aumentare del potenziale medio di ionizzazione, anch'esso caratteristico del gas di cui è riempita la camera.

Particelle poco ionizzanti non possono essere rivelate singolarmente a causa del "fondo" di ionizzazione dovuto alla debole attività dei materiali formanti la camera, alle radiazioni γ di sostanze radioattive ovunque presenti, ai raggi cosmici. Le ultime due cause insieme danno luogo a 4-10 coppie di ioni per sec. e cm³ in aria a pressione atmosferica, mentre la prima dà luogo in una superficie metallica di 1 cm² alla emissione di 1-5 particelle α all'ora. Aumentando la sensibilità degli apparati e diminuendo la capacità del sistema, si può facilmente mettere in evidenza la ionizzazione dovuta ad una singola particella α che si può valutare approssimativamente in 10⁵ coppie di ioni cioè 4,8 10^-5 u. e. s.

Per particolari ricerche, soprattutto per misurare l'estensione di "sciami" di particelle (v. radiazione cosmica, in questa App.) è intervenuta la necessità di usare camere di ionizzazione in "coincidenza" fra loro o con contatori; di qui la necessità di camere ed amplificatori estremamente rapidi che, fra l'altro, permettono conteggi molto elevati e presentano effetti microfonici notevolmente ridotti rispetto agli amplificatori lenti sensibili alle basse frequenze.

La rapidità della camera è determinata dalla mobilità ionica e poiché gli elettroni hanno mobilità almeno mille volte maggiore degli ioni, camere rapide si ottengono dando tensione positiva all'elettrodo collettore ed adoperando gas che non formano ioni negativi (H₂, N₂, CO₂, A, ecc.). La durata degli impulsi di simili camere è dell'ordine di qualche microsecondo, il che esige amplificatori con un tempo di salita dell'ordine di 0,5 microsecondi e limitata risposta alle basse frequenze per minimizzare l'effetto dell'allontanamento degli ioni positivi (lenti) verso l'elettrodo a tensione negativa.

Va però segnalato un inconveniente nella collezione dei soli elettroni, consistente nel fatto che l'impulso ha un'ampiezza dipendente, oltreché dalla ionizzazione primaria, anche dalla posizione nella quale sono stati creati gli ioni primarî. Tuttavia esistono molti modi per ovviare, o quanto meno minimizzare questo effetto (sorgenti puntiformi poste sull'elettrodo negativo, e pressioni così elevate che il percorso delle particelle in seno al gas sia trascurabile in confronto alla distanza fra gli elettrodi; uso di una griglia che limita la regione utile della camera, ecc.).