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Principio di funzionamento del Contatore Geiger Muller



il primo rilevatore di radioattività lo si deve al fisico tedesco Johannes (Hans) Wilhelm Geiger, quando nel 1913 invento il tubo Geiger contatore di particelle sub atomiche elementari, dispositivo che poi perfezionò nel 1928 insieme a Walther Müller e che per questo prese il nome di Contatore Geiger Muller.




Come funziona il Tubo Geiger Muller


principio di funzionamento del tubo Geiger Muller

l tubo di Geiger Muller è lo stesso sensore che noi stessi abbiamo utilizzato sui nostri rilevatori di radioattività Guardian Ray, quindi la sua funzione è di contare il numero di particelle che lo attraversano in un certo intervallo di tempo.

Questo sfrutta il principio fisico della camera a deriva ionica il cui punto di lavoro viene intenzionalmente prefissato ad un valore relativamente elevato di tensione, che pero risulta  leggermente inferiore a quello che invece provocherebbe una totale ionizzazione del gas. Quindi si sono predisposte le condizioni favorevoli affinchè anche una ulteriore ionizzazione prodotta dal passaggio nel gas di radiazioni ionizzanti non debba più dipendere dall'energia rilasciata dalle stesse. Di conseguenza il campo elettrico a cui viene preliminarmnte sottoposto il gas risulta così elevato che anche le ionizzazioni secondarie create dal suo attraversamento da parte delle particelle radioattive genereranno ulteriori ionizzazioni. Questo fenomeno viene chiamato dalla fisica "moltiplicazione a valanga", e si manifesta con un impulso elettrico risultante .

Può essere realizzato con diverse geometrie, ma la forma più comune è quella di un cilindro ermetico in vetro o in metallo con una finestra di mica, questo è preventivamente riempito a bassa pressione, (circa 0,1 atmosfere), con dei gas inerti, come l'elio, l'argo, il neon, l'azoto, inoltre si aggiunge anche del vapore di alcool, per la sua proprietà autoestinguente.

funzionamento del tubo geiger


Questa miscela di gas viene ionizzata applicando agli elettrodi della sonda, una tensione elettrica abbastanza elevata da generarvi uno stato di pre-scarica, ovvero il livello di ionizzazione risulta poco al di sotto del valore che invece causerebbe la conduzione continua del gas (scarica elettrica auto sostenuta). Invece nel giusto contesto il gas potrà condurre la corrente elettrica solo per i brevissimi istanti, in cui viene investito dalle radiazioni nucleari. Va precisato che la tensione di polarizzazione non viene applicata direttamente al tubo contatore, ma viene interposta in serie una resistenza di valore molto elevato, dell'ordine dei 10 megaohm che serve per favorire la estinzione della scarica elettrica nel gas dopo che questo è stato attraversato da una particella ionizzante. Nel tubo Geiger Muller sono quindi presenti due elettrodi, il catodo che risulta generalmente è collegato al polo negativo della batteria e quindi alla parete metallica o metallizzata del tubo, e l’anodo che è un collettore centrale, elettricamente isolato dalla parete del tubo a cui viene applicata una alta tensione continua nell'ordine dei 400 - 800V. Precisiamo che il valore della tensione applicata dipende dalle caratteristiche del tubo geiger, e deve assolutamente risultare di poco inferiore a quello che provocherebbe la continua conduzione, e conseguentemente la scarica elettrica nel gas.

Quindi il campo elettrico così generato all’interno del dispositivo risulta "pronto" ad innescare una scarica di corrente elettrica  appena si forma anche una sola coppia di ioni nel gas per effetto delle radiazioni che lo investono. La sensibilità effettiva, dipende direttamente oltre che dal voltaggio applicato, anche dalle dimensioni, infatti più il tubo è grande, più è grande la superficie attiva in grado di ricevere e quindi di conteggiare le radiazioni ionizzanti con una maggiore costanza.

Ogni volta che una particella carica di energia attraversa e ionizza il gas presente nel tubo geiger muller,si innesca per alcuni microsecondi una microscarica elettrica che fa scorrere una piccola corrente tra i due terminali di alimentazione. Essendo poi questa fornita non in modo diretto, ma con interposta una resistenza in serie al circuito di alimentazione di ben 10 milioni di ohm, allora accade che tra i terminali del tubo geiger per effetto della caduta di tensione dovuta alla scarica elettrica nel gas si genera un impulso negativo avente una ampiezza di circa 5/10 volts con una durata ( di circa 50 /100 microsecondi). L'impulso di tensione prodotto dal passaggio della particella ionizzante non dipende dall'energia ceduta da questa, e quindi dal numero delle coppie di ioni prodotti, Infatti, quando una particella attraversa il tubo contatore e colpisce il gas, una delle molecole di questo si ionizza, creando una coppia ione-elettrone. Ma in questi dispositivi la carica raccolta è indipendente dalla ionizzazione primaria.




I pregi e i difetti del Contatore Geiger


lo strumento che sfrutta il principi fisici di cui sopra il contatore geiger è uno strumento che permette la rilevazione e il conteggio delle particelle radioattive che lo investono. Sono sicuramente molti i vantaggi che offre  questo contatore della radioattività, e veramente pochi i difetti ad esso attribuibili . A favore di questo misuratore di radioattività, va annoverata la sua  semplicità di utilizzo, il prezzo tutto considerato abbastanza contenuto, una buona precisione, e la durata nel tempo. Tra i suoi principali limiti, vi è l'impossibilità di poter determinare l'energia delle radiazioni misurate, e di poter rilevare direttamente, le particelle alfa a bassa energia, ma tranne nei rarissimi casi che ingerissimo direttamente del materiale radioattivo che possa emettere solo particelle alfa, queste se invece permangono all'esterno del nostro corpo risultano praticamente innocue, perché non possono penetrare oltre l'epidermide. Inoltre è importante spiegare che quando una sorgente radioattiva emette particelle alfa (o beta), emette nello stesso tempo anche radiazioni gamma, e conseguentemente le sorgenti di raggi alfa sono rilevate dal contatore geiger attraverso la misurazione indiretta dei raggi gamma che ne conseguono. Inoltre valutare l'energia delle radiazioni ionizzanti non è importante per tutelare la salute, infatti non sono le radiazioni in se a danneggiarci, ma la ionizzazione da loro derivata. Ed è proprio questa radiazione che viene rilevata e misurata dal nostro contatore geiger.



Gli analizzatori di radioattività con rivelatore Scintillazione
Generalmente i contatori geiger sono meno precisi degli analizzatori a scintillazione per quanto riguarda il rilevamento e la misurazione di bassissimi livelli di radiazione, però i contatori geiger con opportuni accorgimenti tecnici come ad esempio la misura di tipo "Scaler" da noi implementata su Guardian Ray, possono dare risultati estremamente precisi anche su bassi livelli di radioattività. Inoltre i rilevatori a scintillazione, risultano molto delicati, con livelli di radiazioni medio alte possono andare facilmente in saturazione, sono sensibili alla luce e poi molto, ma davvero molto più costosi. 

contatore a scintillazione


Il  contatore a scintillazione così come anche il contatore geiger serve ad acquisire l'attività di una sorgente radioattiva, però per poter fare ciò sfrutta un principio di funzionamento molto diverso e molto più efficente. Infatti si basa sulla proprietà di alcuni particolari cristalli di scintillare, ovvero di emettere luce (fotoni) quando questi vengono eccitati da una particella radioattiva che li attraversa e che pertanto cede al cristallo una buona parte della sua energia. Quindi lo stesso cristallo in tale contesto emette dei brevissimi lampi di luce nello spettro dell'ultravioletto, che poi vengono rivelati da un tubo fotomoltiplicatore che risulta accoppiato otticamente con il cristallo scintillatore ed anche adeguatamente schermato dalla luce ambientale. Il tubo fotomoltiplicatore anche denominato PMT, ovvero Photomultiplier Tube converte gli impulsi luminosi generati dal cristallo rivelatore in veri e propri impulsi elettrici che poi sono trasmessi ad una opportuna logica che provvede al conteggio degli stessi e alla successiva conversione nella dose di esposizione. Nella immagine successiva potete vedere il nostro nuovo contatore a scintillazione professionale "Guardian Ray Spark", che presto sarà ordinabile su questo sito


Contatore a scintillazione Guardian Ray Spark
contatore a scintillazione


Sonda PMT estraibile su Guardian Ray Spark
contatore a scintillazione

Gli impulsi elettrici generati dal tubo fotomoltiplicatore PMT, a differenza da quelli prodotti direttamente dal tubo Geiger Muller, risultano anche direttamente proporzionali all'energia posseduta dall'isotopo radioattivo incidente che ha potuto cedere la propria energia al cristallo scintillatore, Questa energia in pratica costituisce l'impronta digitale dell'isotopo radioattivo coinvolto, ovvero ci permette di discriminare se questo è per esempio Uranio 238 oppure Cesio 137 etc. Precisiamo infine che lo strumento idoneo a rivelare anche l'enegia e quindi il tipo di isotopo coinvolto è lo spettrometro o macchina MCA.
 




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