LA MISURA DEL RADON GENERALITÀ RaMonA CANESTRI AL CARBONE ATTIVO ELETTRETI LR-115 RaMonA

GENERALITA’

(Becquerel per metro cubo) Unità di misura La grandezza più utilizzata quando si parla di Radon è la concentrazione di attività, cioè il numero di disintegrazioni che una certa quantità di radon produce in un secondo, per unità di volume di aria. Essa si misura in: Bq/m3 (Becquerel per metro cubo) In pratica una concentrazione di 400 Bq/m3 vuol dire che vengono emesse 400 radiazioni ogni secondo, in ogni metro cubo di aria.

Metodi di misura del Radon Il Radon è un gas nobile che non interagisce con la materia; ma quando decade emette una particella alfa che non è di facile rivelabilità. La sua misura si esegue utilizzando la radioattività prodotta da esso e dai suoi figli e l’equilibrio secolare tra questi ultimi ed il Radon stesso. Anche se la condizione di equilibrio non è realizzata, la misura va sempre effettuata realizzando quella condizione nell’ambito del sistema di rivelazione. In caso contrario si ha solo una misura dei figli, alla quale corrisponde una “concentrazione equivalente” del padre.

Equilibrio secolare tra 222Rn e figli

Metodi di misura del Radon Le concentrazioni di Radon si possono misurare utilizzando vari metodi di misura ed osservando vari tipi di radiazioni Sono tanti gli isotopi coinvolti, che si ha a che fare praticamente con tutti i tipi di radiazioni, quindi si possono sfruttare metodi capaci di misurare sia particelle a o b, sia radiazioni g. Il metodo di misura si sceglie in base alle esigenze A parità di metodo la precisione dipende anche dalla durata della misura in quanto in alcuni campi può essere interessante studiare l’andamento temporale delle concentrazioni. Anche in questo caso alcune tecniche si prestano più di altre Dato che le concentrazioni di radon sono soggette a notevoli fluttuazioni stagionali, per ottenere un dato rappresentativo, soprattutto riguardo alla media annuale, è necessario ripetere le misure per diverse volte nell’arco dell’anno.

Campionamento periodico Misura continua ( Attivi ) Metodi di misura Campionamento periodico Misura continua ( Attivi ) Metodi integranti ( Passivi )

Metodi di misura I campionamenti periodici si utilizzano per l’analisi della concentrazione di Radon in campioni raccolti in un intervallo di tempo I metodi continui presentano la peculiarità di fornire informazioni riguardanti le variazioni di concentrazione nel tempo, poiché il monitoraggio è di tipo sistematico e quindi avviene secondo intervalli di tempo costanti. I metodi integranti forniscono un’unica determinazione di concentrazione di Radon integrata su un periodo di tempo variabile da pochi giorni ad alcuni mesi.

Metodi di misura I dispositivi attivi in genere hanno le seguenti caratteristiche: misurano direttamente le particelle  prodotte dal decadimento del Radon e dei suoi figli, forniscono istantaneamente e quindi sul posto il risultato della misura, l’interazione e la rivelazione sono contemporanee, sono strumentazioni in genere dotate di sistemi di conteggio elettronici, sono comunque strumentazioni costose e sviluppate prevalentemente per uso scientifico, inoltre non sono adatti per effettuare misure di Radon per tempi lunghi.

Metodi di misura I dispositivi passivi hanno le seguenti caratteristiche: misurano gli effetti prodotti dal decadimento su un materiale atto alla rivelazione con un metodo indiretto, l’interazione e la rivelazione avvengono in due fasi distinte, l'informazione viene conservata nel tempo.

Metodi di misura del Radon La misura attiva è indicata per confermare le misure eseguite con i dosimetri passivi. Misurando nelle diverse stanze di una casa lo strumento permette di individuare i punti d’ingresso del radon. In questo modo è possibile pianificare meglio le contromisure. In particolare la misura attiva è indispensabile per verificare l’efficacia delle contromisure adottate. I radioprotezionisti solitamente prediligono le misure passive in quanto rappresentative di valori mediati su lunghi periodi. 

Metodi di misura del Radon  La stima della concentrazione si può effettuare in modi diversi in funzione dei tempi di esposizione: 1.   Prolungamento dei tempi di esposizione fino a coprire un intero anno. Questo sistema garantisce una migliore stima. 2.   Esposizioni per tempi inferiori (alcuni mesi) e l'impiego di opportuni fattori di correzione che tengano conto, per esempio, del periodo stagionale durante il quale è stata fatta la misura. 3.   Esposizioni di breve durata (giorni) con un sistema di valutazione del risultato, sulla base del quale decidere se effettuare ulteriori misure.

Alcuni rivelatoriri cosiddetti passivi

CANESTRI AL CARBONE ATTIVO

Metodo dei carboni attivi Un metodo integrante molto usato, per un arco temporale inferiore ad una settimana, è quello dei carboni attivi che vengono posti in piccole scatole dotate di una barriera diffusiva Questa tecnica è semplice e pratica, è basata sul fenomeno di adsorbimento del Radon sul carbone visto che i due elementi presentano un’affinità molecolare.

Metodo dei carboni attivi I contenitori dei carboni attivi sono esposti all’aria da analizzare per un periodo compreso tra due e sei giorni. Essi vengono sigillati, ed infine analizzati dopo circa tre ore dalla chiusura, per garantire l’equilibrio tra Radon e figli Per la misura si esegue il conteggio delle emissioni  derivanti dal 214Pb e dal 214Bi.

ELETTRETI

Rivelatori ad elettrete Sfruttano “alla lettera” la definizione di “rivelazione come ionizzazione”. I rivelatori ad elettrete sono costituiti da una camera di diffusione contenente un disco di teflon precedentemente caricato elettricamente ad una tensione di riferimento nota. L’esposizione alla radiazione dell’aria interna alla camera produce una ionizzazione che causa la riduzione della carica del disco.

Rivelatori ad elettrete

Principi di funzionamento Il Radon diffonde insieme all’aria all’interno della camera di raccolta .Quando un atomo Rn decade e la particella a emessa ionizza l’aria contenuta in essa, il disco di teflon raccoglie gli ioni prodotti e perde una parte della sua carica. La variazione di carica complessiva del disco dopo l’esposizione ci dice quanto è stato irraggiato. disco di teflon Camera di raccolta Rn

Rivelatori ad elettrete La misura di questa variazione mediante un elettrometro e la conoscenza di un coefficiente di calibrazione, uniti alla conoscenza del tempo di esposizione, portano alla determinazione della concentrazione di Radon. Per tener conto della ionizzazione prodotta dalla radiazione gamma che proviene dall’esterno della camera, quindi non solo dal decadimento dei figli del Radon che vi è entrato, questa tecnica deve essere integrata da una misura dell’ esposizione gamma.

Calcolo della concentrazione Infatti il disco di teflon è sensibile a tutte le radiazione ionizzanti: - Radiazione cosmica - Radiazione gamma ambientale Radiazioni del Radon e dei suoi prodotti di decadimento Poiché la concentrazione di Rn (Bq/m3) presente nell’aria è responsabile di una parte della differenza di potenziale totale, è necessario effettuare una stima della radiazione cosmica e della radiazione gamma ambientale per ricavare la concentrazione di Radon.

LR-115

Rivelatori di tracce nucleari I rivelatori integranti più utilizzati sono i rivelatori di tracce nucleari a stato solido (SSNTD) costituiti da speciali polimeri (CR39) o da film fotografici (LR115)

Metodi di misura del Radon I rivelatori a tracce sono vantaggiosi sia per la loro semplicità che per il basso costo. Una loro particolarità è il livello di soglia; per ogni materiale infatti esiste un valore minimo di energia persa dalle particelle, necessario affinché l’attacco chimico possa evidenziare le tracce. l livello di soglia è sempre superiore all’energia che può rilasciare un elettrone, ciò li rende insensibili alla rivelazione di elettroni veloci e di raggi g.

Rivelatori di tracce nucleari (film LR-115) I dosimetri LR-115 sono costituiti da una piccola cella di diffusione (circa 1 cm) sui bordi della quale sono poste due pellicole di nitrato di cellulosa (LR-115). L’esposizione alla radiazione a del dosimetro provoca il danneggiamento fisico della pellicola.

Rivelatori di tracce nucleari LR-115 La rivelazione è ottenuta per mezzo della interazione tra le particelle alfa del Radon e dei suoi figli ed i materiali che costituiscono tali polimeri. Tali particelle ionizzano le molecole che incontrano lungo il loro percorso provocando un danno al materiale.

Rivelatori di tracce nucleari L’esposizione ha luogo all’interno di piccole camere a diffusione.

Un rivelatore di tracce Aria di una stanza

Ottimizzazione della risposta Inserendo una pellicola di mylar che rallenta le particelle a, esse arrivano sul film con un energia più bassa producendo un danno maggiormente evidente e dunque osservabile (Rn),Po a LR-115 Mylar (Rn), Po a L’energia della particella a è in genere troppo elevata per produrre un danno osservabile al film LR-115

Rivelatori di tracce in pratica

Sviluppo degli LR-115 Dopo l’esposizione il film viene sviluppato, cioè trattato con un processo chimico o elettrochimico, in modo da rendere maggiormente evidenti le tracce. La forma delle tracce varia a seconda dell’angolo di incidenza delle particelle a La profondità delle tracce dipende dall’energia con cui impattano le particelle a

Rivelatori di tracce nucleari LR-115 Film prima dell’attacco chimico Film dopo l’attacco chimico

-microscopio ottico a luce diretta Metodo elettrostatico Lettura e conteggio Il conteggio delle tracce, cioè la lettura dei risultati può avvenire mediante metodologie ottiche o elettrostatiche: Metodi ottici -microscopio ottico a luce diretta -scanner fotografico Metodo elettrostatico -mediante l’applicazione di un campo elettrico (se le tracce sono passanti).

Lettura ottica Conteggio Lettura La pellicola LR-115 presenta un diverso grado di opacità nei punti in cui è stata danneggiata dal passaggio delle particelle a In pratica la luce passa più facilmente dove la pellicola è più sottile Tutti i metodi ottici si basano sulla capacità leggere questa differenza nel passaggio della luce e sono affiancati da sistemi software ed hardware che rendono questo processo di lettura veloce e affidabile Conteggio Lettura

Pellicola vista al microscopio

Lettura elettrostatica (spark counter) output Apparato per il conteggio LR-115 Tensione di riferimento La pellicola LR-115 è un isolante, se viene applicata una differenza di potenziale tra le sue facce si produrranno tante scariche elettriche quanti sono i buchi sulla sua superficie. Il conteggio delle scariche fornisce il numero di tracce.

Tracce passanti

Sottrarre le tracce dovute al fondo Elaborazione dei dati Nota la densità delle tracce, bisogna apportare le seguenti correzioni : Sottrarre le tracce dovute al fondo Normalizzare il numero di tracce allo spessore di riferimento di 6.5 micron ( infatti è lecito aspettarsi che a parità di esposizione, i films che dopo lo sviluppo hanno uno spessore minore, presentino un maggior numero di tracce, di qui la necessità di riportare il tutto ad uno spessore di riferimento uguale per tutti i films che è di 6.5 ). Solo dopo aver apportato tali correzioni,conoscendo il fattore di calibrazione, si è in grado di risalire al valore della concentrazione di Radon integrata sul tempo di esposizione.

RAMONA

(Radon Monitoring and Acquisition) RaMonA (Radon Monitoring and Acquisition) Si tratta di un’apparecchiatura completamente realizzata in ambito universitario e opportunamente modificata e migliorata Il rivelatore è una camera di raccolta elettrostatica dei discendenti ionizzati del Radon

Cella di raccolta elettrostatica La cella di raccolta consiste di un contenitore di metallo di forma cilindrica che contiene il campione da analizzare, su una delle basi del cilindro viene alloggiato un rivelatore a stato solido (silicio) Rivelatore di particelle a stato solido posto a massa Aria in Aria out Tensione di raccolta 3500 volt

Il rivelatore di RaMoNA Rivelatore di particelle Verso massa 3500 V dw + a rinculo Traiettoria di uno ione Traiettoria del 222Rn prima del decadimento Atomo di 222Rn Ione di 218Po 3000 V Il funzionamento di RaMonA si basa sulla raccolta delle particelle  emesse dai discendenti ionizzati positivamente del Radon ( Po+). Tale raccolta avviene grazie ad un campo elettrico applicato tra il rivelatore al silicio e le pareti del contenitore.

La raccolta elettrostatica La differenza di tensione tra il corpo della cella (3500 volt) e il rivelatore (massa) genera il campo elettrostatico di raccolta. Il campo spinge i figli del Rn, ioni 218Po+ (216Po+ per il Thoron) dalle pareti della cella verso il rivelatore. Il successivo decadimento degli ioni Po genera particelle a che possono essere rivelate. Traiettorie degli ioni trasportati dal campo elettrostatico

Perdita di energia delle particelle a nella camera In aria una particella a da 6 MeV perde tutta la sua energia in circa 3 cm (range) Verso massa L’energia con cui la particella a giunge sul rivelatore dipende dalla posizione dello ione al momento del decadimento. Se la ricombinazione interviene ad una distanza dal rivelatore superiore al range della particella, quest’ultima non ha alcuna possibilità di essere rivelata. Questo rivelatore permette la spettroscopia delle particelle alfa rivelate. Rivelatore di particelle + Atomo di 218Po range + Ione di 218Po ricombinazione + + 3500 volt

Schema del rivelatore a raccolta elettrostatica La velocità di trasporto degli ioni è 104 cm/s. Il tempo di raccolta è quindi 10-3 s, trascurabile rispetto alla vita media del 218Po (180 s). In linea di principio tutti gli isotopi del polonio ionizzati vengono raccolti sul rivelatore. Rivelatore di particelle 3500 V Verso massa dw + a rinculo Traiettoria di uno ione Traiettoria del 222Rn prima del decadimento

Condizioni necessarie Parametri della raccolta elettrostatica la frazione ionizzata positivamente del Po generato dal decadimento del Rn è circa il 90% sia per il 218Po che per il 216Po il tempo di raccolta (10-3 s) è trascurabile rispetto alla vita media dello ione che si vuole raccogliere (180 s per il 218Po e 0.145 s per il 216Po ) Parametri della raccolta elettrostatica La quantità di ioni raccolti sul rivelatore dipende: - dalla probabilità di ricombinazione del Po+ con ioni negativi in aria che è funzione della concentrazione di ioni negativi dalla mobilità ionica che dipende dalla pressione dell’aria, dall’umidità e dalla temperatura

Parametri della raccolta elettrostatica L’energia rilasciata nel rivelatore dalle particelle a dipende dalla posizione in cui avviene il decadimento, che è un compromesso tra la vita media del polonio, la mobilità degli ioni e la probabilità di ricombinazione; la mobilità degli ioni dipende dalla pressione e dalla temperatura ( e dall’umidità); la ricombinazione dipende dalla umidità dell’aria e dalla temperatura (pressione); Per tutti questi motivi l’efficienza e la risoluzione del picco sono influenzati da tali parametri ambientali.

Caratteristiche principali della camera Le caratteristiche principali di questo rivelatore sono: Totale assenza di rumore di fondo Buona risoluzione in energia che permette di distinguere le diverse righe, quindi possibilità di separare i prodotti del 222Rn da quelli del 220Rn. Lieve interferenza dovuta il 212Bi, superata dalla buona separazione del 214Po (U) e del 216Po (Th).

Misure indoor e outdoor Misure istantanee e continue Utilizzo della camera Misure indoor e outdoor Misure istantanee e continue Misure nei suoli Misure nelle acque Misure di controllo in apparati di taratura

Spettro a di sorgenti di 222Rn e 220Rn prodotto con RaMoNa