CONTATORE

CONTATORE (XI, p. 229; App. I, p. 462)

Contatore per particelle (App. II, 1, p. 680). L'impiego dei contatori Geiger è limitato dalle loro seguenti caratteristiche: a) la durata dell'impulso di corrente che rivela il passaggio della particella ionizzante può difficilmente essere minore di 1 μ sec; b) il tempo morto del contatore è generalmente non inferiore a 80 μ sec; c) l'efficienza di rivelazione per i raggi y non supera l'1%.

Queste limitazioni diventarono gravi specialmente dopo lo sviluppo degli acceleratori di particelle che misero a disposizione dei fsici intensi fasci di particelle emessi durante tempi molto brevi. Un decisivo progresso nel campo dei c. si è avuto con la scoperta e il successivo raffinamento tecnico dei c. a scintillazione e dei c. a luce di Čerenkov.

Contatori a scintillazione. - Il loro primo impiego nella forma attualmente in uso si può far risalire ad un lavoro pubblicato da J. W. Koltmann e F. H. Marshall nel 1947, per quanto lo spinteroscopio usato da E. Rutherford (XXVIII, p. 691) possa già essere considerato come un primitivo c. a scintillazione. Il principio di funzionamento di questi c. si basa sulla proprietà (scintillazione) che hanno certe sostanze luminescenti di emettere luce quando sono attraversate da una particella ionizzante. La scintillazione viene osservata mediante un dispositivo capace di trasformare l'impulso di luce (anche se debolissimo) in un impulso di corrente elettrica sufficientemente intenso da poter azionare, dopo opportuna amplificazione e discriminazione, dei numeratori meccanici ed elettronici, o da poter essere osservato mediante un oscilloscopio.

Lo schema di funzionamento del c. è in linea di massima illustrato dalla fig.1. Supponiamo che una particella elettricamente carica, di energia E, attraversi la sostanza luminescente (scintillatore). A causa delle interazioni elettromagnetiche con le molecole dello scintillatore, la particella cederà a quest'ultimo una certa frazione FE della sua energia iniziale; una parte dell'energia ceduta verrà poi restituita dallo scintillatore sotto forma di luce. Mentre la frequenza della luce emessa dipende unicamente dal tipo di scintillatore usato, l'intensità della luce, ovvero il numero di fotoni, è proporzionale all'energia FE tramite una costante C_f che rappresenta l'efficienza intrinseca dello scintillatore.

I fotoni emessi, il cui numero è dato dunque dal prodotto C_fFE, sono in parte assorbiti dallo stesso scintillatore, in parte dalle superfici riflettenti e dalla guida di luce (v. fig.), così che solo una frazione T di essi può raggiungere il catodo di un fototubo provvisto di moltiplicatore elettronico (foto-moltiplicatore).

Giunti sul fotocatodo, i fotoni di energia al di sopra di un certo valore E₀ (energia di soglia) liberano per effetto fotoelettrico elettroni che vengono poi moltiplicati nel rapporto αⁿ: 1, dove α è il fattore di moltiplicazione e n è il numero degli anodi intermedî (dinodi) del moltiplicatore (v. App. II, 11, p. 648).

La carica elettrica q che giunge sull'anodo del fotomoltiplicatore quando una particella di energia E attraversa lo scintillatore è data pertanto dall'espressione

dove e è la carica dell'elettrone, C_e il rapporto tra il numero di fotoelettroni emessi dal fotocatodo e il numero di fotoni su di esso incidenti, t la frazione di tali fotoelettroni che giunge sul primo dinodo. La quantità TC_fFE dipende essenzialmente dalla scelta dello scintillatore e dalla disposizione geometrica del sistema scintillatore-guida di luce. Dalla natura dello scintillatore dipende in particolare la durata dell'impulso, che è determinata dalla costante di tempo di decadimento τ dello scintillatore medesimo (v. scintillazione).

In opportune condizioni l'impulso di luce, e quindi di corrente, in un c. a scintillazione può avere un'ampiezza proporzionale all'energia delle particelle incidenti. In questo caso la distribuzione in ampiezza degli impulsi corrisponde alla distribuzione in energia delle particelle che attraversano lo scintillatore. Su questo principio si basa l'impiego dei c. a scintillazione nella spettrometria β e γ.

Con un'opportuna scelta dello scintillatore un c. a scintillazione può essere reso selettivo per determinati tipi di radiazione. Per es., l'impiego di cristalli inorganici (specialmente di ioduro di sodio attivato con tallio) rende il c., per l'alto numero atomico medio del materiale e per la sua elevata densità, particolarmente adatto alla rivelazione delle radiazioni y (si raggiunge un'efficienza fino a 100 volte quella dei c. Geiger). Per la rivelazione di particelle a si usa di preferenza il solfuro di zinco attivato con argento. Questo materiale, che ha un'alta efficienza intrinseca, è però poco trasparente, cosicché deve essere depositato in strati molto sottili sulla guida di luce; inoltre non può essere adoperato per alte velocità di conteggio a cagione del tempo di decadimento relativamente lungo. Per particelle molto veloci si impiegano nella maggioranza dei casi scintillatori plastici, i quali, pure avendo una più bassa efficienza intrinseca, hanno tempi di decadimento più brevi ed elevata trasparenza.

Contatori a luce di Čerenkov. - In essi la luce emessa per effetto Čerenkov (v., in questa App.) dalle particelle in moto viene raccolta sul catodo di un fotomoltiplicatore, dal quale, analogamente al caso dei c. a scintillazione, si ha un impulso di corrente che permette di rivelare il passaggio della particella. Gli impulsi di luce Čerenkov hanno una durata dell'ordine di 10^-10 sec, cioè più breve di quelli degli scintillatori, ma il numero di fotoni emessi per unità di percorso è molto più piccolo. Il c. Čerenkov permette di selezionare le particelle che hanno diversa velocità anche quando hanno lo stesso momento.