La piccola ampiezza dell’impulso riscontrata nelle camere ioniche può essere risolta utilizzando rivelatori riempiti di gas in modo diverso. Un contatore proporzionale utilizza il fenomeno della moltiplicazione del gas per aumentare la dimensione dell’impulso da fattori di centinaia o migliaia. Di conseguenza, gli impulsi con contatore proporzionale sono nell’intervallo millivolt anziché microvolt e quindi possono essere elaborati molto più facilmente.

La moltiplicazione del gas è una conseguenza del movimento di un elettrone libero in un forte campo elettrico. Quando la forza del campo è superiore a circa 104 volt per centimetro, un elettrone può guadagnare abbastanza energia tra le collisioni per causare ionizzazione secondaria nel gas. Dopo una tale collisione ionizzante, esistono due elettroni liberi al posto di quello originale. In un campo elettrico uniforme in queste condizioni, il numero di elettroni crescerà esponenzialmente man mano che vengono disegnati in una direzione opposta a quella del campo elettrico applicato. La crescita della popolazione di elettroni viene terminata solo quando raggiungono l’anodo. La produzione di una tale pioggia di elettroni è chiamata valanga di Townsend ed è innescata da un singolo elettrone libero. Il numero totale di elettroni prodotti nella valanga può facilmente raggiungere 1.000 o più e anche la quantità di carica generata nel gas viene moltiplicata per lo stesso fattore. La valanga di Townsend si svolge in un arco di tempo inferiore a un microsecondo nelle condizioni tipiche presenti in un contatore proporzionale. Pertanto, questa carica aggiuntiva normalmente contribuisce all’impulso osservato dall’interazione di un singolo quantum incidente.

In un contatore proporzionale, l’obiettivo è quello di avere ogni elettrone libero originale che si forma lungo la traccia della particella creare la propria valanga individuale Townsend. Quindi, molte valanghe si formano per ogni particella carica incidente. Uno degli obiettivi del progetto è quello di mantenere ogni valanga della stessa dimensione in modo che la carica totale finale che viene creata rimanga proporzionale al numero di coppie ioniche originali formate lungo la traccia delle particelle. La proporzionalità tra la dimensione dell’impulso di uscita e la quantità di energia persa dalla radiazione incidente nel gas è la base del termine contatore proporzionale.

Praticamente tutti i contatori proporzionali sono costruiti utilizzando un anodo di filo di piccolo diametro posto all’interno di un catodo più grande, tipicamente cilindrico, che serve anche a racchiudere il gas. In queste condizioni, l’intensità del campo elettrico non è uniforme e raggiunge valori elevati nelle immediate vicinanze della superficie del filo. Quasi tutto il volume del gas si trova al di fuori di questa regione ad alto campo, e gli elettroni formati in una posizione casuale nel gas dalla deriva radiazione incidente verso il filo senza creare ionizzazione secondaria. Man mano che vengono avvicinati al filo, sono sottoposti al campo elettrico in continuo aumento, e alla fine il suo valore diventa abbastanza alto da causare l’inizio di una valanga di Townsend. La valanga poi cresce fino a quando tutti gli elettroni raggiungono la superficie del filo. Poiché quasi tutte le valanghe si formano in condizioni identiche di campo elettrico indipendentemente dalla posizione nel gas in cui è stato originariamente formato l’elettrone libero, viene soddisfatta la condizione che le loro intensità siano le stesse. Inoltre, l’elevata intensità del campo elettrico necessaria per la formazione di valanghe può essere ottenuta utilizzando tensioni applicate tra l’anodo e il catodo di non più di qualche migliaio di volt. Vicino alla superficie del filo, l’intensità del campo elettrico varia inversamente con la distanza dal centro del filo, e quindi valori di campo estremamente elevati esistono vicino alla superficie se il diametro del filo è mantenuto piccolo. La dimensione dell’impulso di uscita aumenta con la tensione applicata al tubo proporzionale, poiché ogni valanga è più vigorosa all’aumentare dell’intensità del campo elettrico.

Per sostenere una valanga di Townsend, le cariche negative formate nella ionizzazione devono rimanere come elettroni liberi. In alcuni gas c’è una tendenza per le molecole di gas neutro per raccogliere un elettrone in più, formando così uno ion negativo. Poiché la massa di uno ion negativo è migliaia di volte più grande della massa di un elettrone libero, non può ottenere energia sufficiente tra le collisioni per causare ionizzazione secondaria. Gli elettroni non si attaccano facilmente alle molecole di gas nobile e l’argon è una delle scelte comuni per il gas di riempimento nei contatori proporzionali. Anche molte altre specie di gas sono adatte. L’ossigeno si attacca facilmente agli elettroni, tuttavia, quindi l’aria non può essere utilizzata come gas di riempimento proporzionale in circostanze normali. I contatori proporzionali devono quindi essere sigillati contro le perdite d’aria o azionati come rivelatori di flusso continuo di gas in cui qualsiasi contaminazione dell’aria viene espulsa dal rivelatore facendo scorrere continuamente il gas di riempimento attraverso il volume attivo.

Per contatori proporzionali di dimensioni normali, solo particelle cariche pesanti o altre radiazioni debolmente penetranti possono essere completamente fermate nel gas. Pertanto, possono essere utilizzati per misurazioni di energia di particelle alfa ma non per particelle beta a più lungo raggio o altri elettroni veloci. Gli elettroni a bassa energia prodotti dalle interazioni dei raggi X nel gas possono anche essere completamente fermati e i contatori proporzionali trovano applicazione anche come spettrometri a raggi X. Anche se gli elettroni veloci non depositano tutta la loro energia, il processo di moltiplicazione del gas produce un impulso che è generalmente abbastanza grande da registrare, e quindi i contatori proporzionali possono essere utilizzati in semplici sistemi di conteggio per particelle beta o raggi gamma.

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