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1 Camere a ionizzazione Misurano la carica Q (di un solo segno) prodotta dalla radiazione in una massa m di gas, essendo vera luguaglianza: energia spesa.

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1 1 Camere a ionizzazione Misurano la carica Q (di un solo segno) prodotta dalla radiazione in una massa m di gas, essendo vera luguaglianza: energia spesa in media per creare una coppia di ioni nel gas (ICRU 1971) Se T è lenergia cinetica iniziale delle particelle cariche (secondarie nel caso di radiazioni indirettamente ionizzanti), ciascuna in grado di produrre mediamente N coppie di ioni frazione di T spesa in bremsstrahlung frazione di N prodotta dalla bremsstrahlung OSS : se [D g ]=Gy, [Q]=C, [m]=kg. Ma numero medio atomi eccitati ( ) W(He) =41.8 eV

2 2 Nel caso di n possibili valori T i dellenergia cinetica con significato dei simboli N i, g i e g i analogo a quello descritto per n=1. Lenergia spesa per coppia di ioni viene ottenuta sperimentalmente misurando la carica Q prodotta da n particelle cariche di energia cinetica T (nellipotesi in cui la radiazione bremsstrahlung sfugga dalla cavità e questa abbia dimensioni almeno pari al percorso delle particelle) W > E 1 W è sostanzialmente indipendente dal tipo di radiazione (e dalla sua energia) ma dipende dal tipo di gas per laria secca e radiazione a basso LET potenziale di 1 a ionizzazione

3 3 Con unopportuna scelta della grandezza della cavità e del gas ivi contento, nonché dello spessore e materiale costitutivo delle pareti w, consentono di misurare la dose in un qualunque mezzo m mediante lapplicazione della teoria della cavità. Camere a ionizzazione a cavità Se il gas è contenuto in un inviluppo solido GUARD ELECTROD (intercetta le correnti di perdita attraverso lisolante tra lelettrodo ad HV e quello a massa, evitando così che queste raggiungano il collettore). ES : cavità piccola (relazione di Bragg-Gray)

4 4 Possono essere tanto compatte da consentire la misura dei profili di dose. Se a geometria sferica possono misurare campi multidirezionali, al contrario delle camere ad aria libera che richiedono un fascio monodirezionale al loro asse. Nel caso di irradiazione con fasci di fotoni, ladozione di pareti spesse consente luguaglianza: In particolare luso di pareti spesse aria-equivalenti permette di misurare lesposizione: Ciò è possibile fino a 3 MeV mentre le camere ad aria libera possono essere utilizzate fino a keV.

5 5 Camere a condensatore Ponendo linterruttore in posizione 1 la camera viene caricata ad un potenziale P 1 (tipicamente 400 V) nella camera, la cui capacità è C, risulta immagazinata una carica Q 1 =CP 1 La carica Q prodotta dallirraggiamento viene raccolta dagli elettrodi facendo diminuire la carica ivi deposta in Q 2 =Q 1 - Q e la d.d.p. tra di essi in P 2 =CQ 2. Dalla misurazione di P 2 (eseguita per con un voltmetro elettrostatico) si ricava Q. soltanto gli ioni prodotti nella camera a cavità (parte destra del disegno) vengono raccolti dagli elettrodi Camera a cavità di tipo Victoreen Generalmente si misura Q utilizzando La camera viene scollegata dal generatore di tensione (interruttore in 2) ed immersa in un campo di radiazione. OSS : le camere a condensatore possono operare senza cavi.

6 6 Diverse geometrie per le camere a cavità

7 7 Camere a misura continua Usualmente le correnti in gioco sono dellordine di ( ) A. Sono troppo basse per essere misurate da un galvanometro. si misura la caduta di tensione ai capi di un resistore attraverso un elettrometro (voltmetro con impedenza dingresso >> di quella del resistore) In alcuni casi (per es. nel calcolo delle schermature) è più utile conoscere lintensità di dose piuttosto che la dose. Si utilizzano misurata con una camera ad aria di 1 cm 3 ES :

8 8 pressione del vapor acqueo saturato = (T-22) torr Comunemente si utilizza l umidità relativa T=22 °C RH=50% P w =9.914 trr ES a T=22 °C e P=760 torr 10% di crescita in RH la densità dellaria diminuisce dello 0.1%. OSS: Fissati T e P, allaumentare di RH la densità dellaria diminuisce. Densità dellaria La densità dellaria alla temperatura T(°C), pressione P(torr) e pressione parziale del vapor acqueo P w (torr) può essere determinato dalla relazione:

9 9 Effetto dellumidità sulla carica raccolta Si consideri una cavità di Bragg-Gray riempita dapprima di aria secca e quindi di aria umida, esposta ad unidentica irradiazione X. Ai fini della ionizzazione osservata gli effetti di queste due decrescite si bilanciano e, nellintero range RH=(15-75) % è possibile assumere Q h /Q a =1 a meno di un errore dello 0.3%. OSS : non è unuguaglianza esatta perché non è esattamente. dove si utilizza il sottoscritto a laria secca ed h per quella umida. Il rapporto tra le cariche raccolte nei due casi è determinato dal 1° corollario di Bragg-Gray: Sia sia decrescono allaumentare di RH mantenendosi però entrambi 1.

10 10 Correzione per le condizioni dellaria Leffetto dellumidità sulla ionizzazione della camera si considera trascurabile per indicare le condizioni dellaria non occorre riportare il valore di RH. Il rapporto tra la carica Q T, P raccolta in condizioni di T e P generiche e la carica Q 22, 760 raccolta per T=22 °C e P=760 torr, considerate come condizioni di riferimento è pari a: Il segnale Q=Q T,P misurato nelle condizioni di T e P effettivamente esistenti in sede di utilizzazione della camera deve essere moltiplicato per il fattore di correzione: Il fattore di taratura in esposizione N X X/Q, fornito dai Laboratori Primari, viene definito come il rapporto tra lesposizione X in aria libera nel centro della camera e la carica Q raccolta per T=22 °C e P=760 torr.

11 11 Ricombinazione Ionica In una camera a ionizzazione un certo numero di elettroni e ioni positivi nel loro percorso verso gli elettrodi si ricombinano. La ricombinazione è detta iniziale o colonnare e generale o di volume a seconda che riguardi ioni prodotti rispettivamente nella stessa traccia o in tracce diverse. Solitamente soltanto quella generale dipende dalla densità di ioni nella cavità (crescendo con essa). Infatti la ricombinazione degli ioni formati da singole tracce è indipendente dal numero di tracce nellunità di volume. Ciò è vero a meno che le tracce non si sovrappongono (intensità di dose molto elevata) o la densità di carica spaziale riduce il campo elettrico nella camera. La ricombinazione iniziale è trascurabile tranne che per la radiazione densamente ionizzante e quella sparsamente ionizzante in gas ad alta densità. La camera raccoglie una carica Q minore di quella Q effettivamente prodotta dalla radiazione. Entrambi i tipi di ricombinazione dipendono dalla tensione applicata.

12 12 Per poterlo applicare lutilizzatore deve correggere la carica Q effettivamente letta dalla camera per il fattore di ricombinazione ionica k ion Q/Q Il fattore di taratura viene riferito alla raccolta di tutta la carica Q prodotta dalla ionizzazione. Non è possibile aumentare la tensione di raccolta P oltre una certa soglia intervengono il breakdown elettrico degli isolanti la moltiplicazione del gas. Normalmente si utilizzano tensioni P=( ) V. Gli ioni negativi hanno velocità di drift minore di quella degli elettroni e sono quindi più soggetti alla ricombinazione. Per evitare la ricombinazione Ionica occorrerebbe utilizzare gas non elettronegativi. Oltre che da P la ricombinazione ionica dipende dalla distanza tra gli elettrodi e dalla geometria della cavità. OSS:

13 13 K ion per irradiazione continua (ES: 60 Co) Ricomb. generale: lettura corrispondete a P 2 OSS : dipende dalla densità di ioni e questa, a propria volta, dallintensità di dose con m c = 8.2·10 5 Volt·s 1/2 cm -1/2 C -1/2 V(cm 3 )= volume cavità t(s)= durata irradiazione Sia P 1 la normale tensione di lavoro e la corrispondente lettura della camera. viene determinato mediante la tecnica delle due tensioni : nelle stesse condizioni di irradiazione la camera viene utilizzata applicando ad essa dapprima P 1 e poi una tensione inferiore P 2 =P 1 /n (almeno n=2).

14 14 Ricombinazione iniziale: K ion per irradiazione pulsata Linserimento di u 1 nelleq. di Boag-Currant fornisce k ion (P 1 ). Applicando alla camera le tensioni P 1 e P 1 /n dal rapporto delle letture si ricava u 1. < tempo di transito ionico (~10 -3 s) durata impulso intervallo tra impulsi se invece è vera la disuguaglianza >> la trattazione può essere approssimata da quella per irradiazione continua densità di carica iniziale creata da un impulso (C·cm -3 ) =2.8·10 12 Volt·cm/C (Boag-Currant, 1980) OSS : dipende dalla densità di ioni e questa, a propria volta, dalla dose per impulso

15 15 Le soluzioni per k ion (P 1 ) ottenute numericamente dalleq. di Boag-Currant sono fittate da un polinomio del 2° ordine: con coefficienti in prossimità della saturazione (k ion <1.05) k ion (P 1 ) per n =2 Q1/Q2Q1/Q2 (rad. pulsata) (rad. continua) La ricombinazione generale può essere significativa (fino al 3%) per fasci pulsati e pulsati a scansione. espressione del k ion (P 1 ) relativo alla ricombinazione iniziale per Q 1 /Q 2 1. Per una camera irraggiata con fasci pulsati in prossimità della saturazione:


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