Possible application of silica aerogel for radiation measurement

Since about two decades, a renewed interest on aerogels is risen. These unique materials show fairly incredible properties: extremely low density, high specific surface area, high dielectric constant, etc. Thus, they are under investigation for both scientific and commercial purposes, and new optimized production processes are studied. Therefore, new opportunities are nowadays affordable. Hence, in this thesis work, the possibility of using aerogel in the field of radiation detection is studied. The idea is to substitute the gas filling a ionization chamber, or a proportional counter, with the aerogel. The material possesses low density, but, anyhow, about 100 times greater than ambient pressure air. In the meantime, the open-pore structure should allow the charge carriers to move freely. In this way, an enhanced signal should be collected. Small hydrophobic silica aerogel samples were studied. A custom ionization chamber, capable of working both with aerogel or in the classic gas set up, was built and tested in air and in argon atmospheres. In particular, the response of the chamber in current mode was investigated providing the dose with an X-rays tube. The results obtained showed, in argon atmosphere and under high potentials applied, an enhancement of the signal in the aerogel configuration with respect to the classic gas configuration. Moreover, some unusual behaviours were observed, i.e. time inertia of the signal and super-/sub-linear current response with respect to the dose rate. While testing high electric fields, aerogel configuration seemed to enhance Townsend's effects. In order to represent the observed trends, a trapping-detrapping model is proposed, which is capable to predict semi-empirically the steady state currents measured. The time trend of the signal is semi-quantitatively represented by the same model. The coefficient estimated by the fits are in agreement with similar trapping problems in literature. In particular, a direct comparison between the benchmark of the FET silica gates and aerogel case endorses the idea that the same type of phenomenon occurs even in the studied case.

Da circa due decenni è in atto un rinnovato interesse verso gli aerogel, solidi dotati di caratteristiche uniche: basse densità, elevata area superficiale specifica, elevate costanti dielettriche, etc. Perciò, si sta aprendo un ventaglio di possibili applicazioni, scientifiche e commerciali, e i processi produttivi sono sempre più ottimizzati e versatili. In questa tesi si è deciso di investigare la fattibilità di una applicazione degli aerogel nel campo della misura delle radiazioni ionizzanti. L'idea base è quella di sostituire la componente gassosa di una camera a ionizzazione, o di un contatore proporzionale, con l'aerogel, materiale poroso e dalla densità bassissima, ma pari a circa 100 volte quella dell'aria ambiente. Al contempo, la struttura open-pores consentirebbe di raccogliere il segnale, che risulterebbe più elevato grazie alla maggiore interazione primaria. Una camera a ionizzazione custom è stata predisposta per lavorare sia con l'aerogel stretto tra gli elettrodi, sia in classica configurazione a gas (sia aria, sia argon). In questo modo è stato possibile ottenere un confronto diretto. La risposta in current mode dello strumento è stata studiata irraggiando con tubo a raggi X. I risultati emersi dall'analisi sperimentale evidenziano l'effettivo aumento del segnale in aerogel rispetto alla configurazione a gas, in atmosfera di argon ed elevato potenziale ai piatti. Contemporaneamente, si sono manifestati altri comportamenti, in particolare 1) inerzia durante i transitori, 2) comportamenti super-/sub- lineari rispetto alla dose impartita, e 3) caratteristica I-V più piccata rispetto alla classica zona Townsend in configurazione a gas. Per dare ragione dei fenomeni osservati, sono stati proposti dei modelli che ipotizzano la presenza di trappole all'interno della matrice solida dell'aerogel. Nonostante la semplicità, il modello sembra ben rappresentare in maniera semi-empirica le correnti a stazionario, e in maniera semi-quantitativa gli andamenti temporali durante transitorio. I coefficienti ricavati mediante i fit trovano riscontro in casi noti in letteratura per quanto concerne i fenomeni di trapping in sistemi elettronici tipo FET.