LE GRANDEZZE RADIOMETRICHE E DOSIMETRICHE Concorso Docenti 2012 Classi di Concorso A038 e A049 LE GRANDEZZE RADIOMETRICHE E DOSIMETRICHE Salvatore Marotta

Prerequisiti Onde elettromagnetiche; Nozioni di base di fisica atomica e nucleare; Nozioni di base di elettronica.

Obiettivi Cognitivi e Operativi Conoscere le grandezze radiometriche e le grandezze dosimetriche e i loro principali campi di applicazione.

Indicazioni didattiche Si introduca il concetto di radiometria; Si illustrino le varie grandezze radiometriche; Si introduca il concetto di radiazione ionizzante; Si illustrino le varie grandezze dosimetriche e le loro applicazioni pratiche.

RADIOMETRIA Ha per oggetto la misurazione dell’energia radiante in una regione qualsiasi dello spettro elettromagnetico Luce Visibile: 380 nm-780 nm

FOTOMETRIA Ha per oggetto le misurazioni legate alle radiazioni luminose. La luce si trova in una posizione ristretta dello spettro elettromagnetico e vengono introdotte le grandezze fotometriche in parallelo a quelle radiometriche

DOSIMETRIA Ha per oggetto la determinazione delle quantità di radiazioni ionizzanti e non ionizzanti assorbite dalla materia.

GRANDEZZE RADIOMETRICHE

ENERGIA RADIANTE Qe [J] E’ l’energia totale associata all’onda elettromagnetica considerata. Energia irraggiata da una sorgente; Energia che attraversa una superficie nello spazio; Energia assorbita o riflessa dalla superficie di un corpo investito dalla radiazione.

POTENZA RADIANTE Φe [W] E’ l’energia radiante per unità di tempo. E’ detta anche FLUSSO RADIANTE Φe = ΔQe/Δt

POTENZA RADIANTE SPECIFICA Φe(λ) [W/nm] E’ la potenza radiante per intervallo unitario di lunghezza d’onda. E’ detta anche POTENZA RADIANTE SPETTRALE. Φe(λ) = ΔΦe/Δλ

INTENSITA’ RADIANTE Ie [W/sr] E’ la potenza radiante emessa da una sorgente puntiforme in una data direzione n e per angolo solido unitario, attorno a quella direzione Ie = ΔΦe/ΔΩ

RADIANTI E STERADIANTI a=l/R R Se l=R ottengo il radiante [rad] l a P Se l=2πR allora a=2π Ω=S/R^2 R S Se S=R^2 ottengo lo steradiante [sr] Ω P Se S=4πR^2 allora Ω=4π

INTENSITA’ RADIANTE Ie [W/sr] ΔΩ Se Ie non dipende dalla direzione n allora si ha un IRRAGGIAMENTO ISOTROPO

RADIANZA Le [W/(m^2*sr)] E’ definita per sorgenti di energia che non possono essere definite puntiformi a causa delle loro dimensioni. E’ la potenza radiante emessa in una data direzione r e per angolo solido unitario dall’unità di superficie emittente proiettata sul piano perpendicolare alla direzione di emissione. La radianza è particolarmente utile per quantificare la quantità di luce emessa o riflessa da una sorgente che verrà ricevuta da un dato sistema ottico rivolto verso la sorgente stessa e caratterizzato da un determinato diametro. Essa fornisce una buona stima della luminosità apparente di un oggetto. L’angolo solido considerato equivale all’apertura del sistema ottico.

RADIANZA Le [W/(m^2*sr)] ΔΩ θ n Le = ΔIe/ΔS cosθ

RADIANZA SPECIFICA Le(λ) [W/(m^2*sr*nm)] E’ la potenza radiante emessa dall’unità di superficie della sorgente estesa per unità di angolo solido e unità di intervallo di lunghezza d’onda. E’ detta anche RADIANZA SPETTRALE. Le = ΔLe/Δλ

E’ la potenza radiante incidente su una superficie per unità di area IRRADIANZA Ee [W/m^2] E’ la potenza radiante incidente su una superficie per unità di area Ee = ΔΦe/ΔS

EMITTENZA ENERGETICA Me [W/m^2] E’ la potenza radiante emessa da una sorgente estesa per unità di area Me = ΔΦe/ΔS

RADIOMETRI Un radiometro è un sensore utilizzato in radiometria per misurare il flusso della radiazione elettromagnetica emesso da una superficie o un oggetto per effetto della sua temperatura ovvero la sua radianza. Sebbene il termine sia spesso usato per dispositivi che misurano la radiazione infrarossa, si può usare anche per ogni rilevatore che operi ad ogni lunghezza d'onda dello spettro elettromagnetico; un dispositivo che misuri una specifica banda dello spettro elettromagnetico è detto spettroradiometro. I radiometri possono usare diversi tipi di rilevatori. Alcuni rilevano la radiazione elettromagnetica convertendola in calore e quindi in un segnale, altri rilevano i fotoni tramite un fotodiodo. Il radiometro può essere montato su satelliti in orbita o aviotrasportato come strumento per il telerilevamento della Terra. Ad esempio radiometri sono presenti sui satelliti meteorologici Meteosat come strumenti per l'osservazione meteorologica della Terra sia nel campo del visibile sia nell'infrarosso per la rilevazione del vapore acqueo e delle nubi.

RADIOMETRO DI CROOKES Il radiometro di Crookes, conosciuto anche come "mulino a luce" o "motore solare", consiste in un bulbo di vetro ermetico entro cui è stato fatto un vuoto parziale. All'interno c'è una girandola montata su di un fuso. Le palette entrano in rotazione quando vengono esposte alla luce e la velocità di rotazione è proporzionale all'intensità della sorgente luminosa, permettendo una misura quantitativa dell'intensità della radiazione elettromagnetica.

E’ possibile confrontare le grandezze radiometriche con le grandezze fotometriche introducendo le seguenti unità di misura: Candela [cd] Lumen [lm]: 1lm=1cd*1sr Lux [lx]: 1lx=1lm/1m^2

GRANDEZZE A CONFRONTO RADIOMETRICHE FOTOMETRICHE ENERGIA RADIANTE Qe [J] ENERGIA LUMINOSA Qv [lm*s] POTENZA RADIANTE O FLUSSO RADIANTE Φe [W] POTENZA LUMINOSA O FLUSSO LUMINOSO Φv [lm] INTENSITA’ RADIANTE Ie [W/sr] INTENSITA’ LUMINOSA Iv [cd]=[lm/sr] RADIANZA Le [W/(m^2*sr)] LUMINANZA Lv [cd/m^2]= [lm/(m^2*sr)] IRRADIANZA O IRRADIAMENTO Ee [W/m^2] ILLUMINAMENTO Ev [lux]=[lm/m^2] EMITTENZA ENERGETICA Me EMITTENZA LUMINOSA Mv

GRANDEZZE DOSIMETRICHE

RADIAZIONI IONIZZANTI Le radiazioni ionizzanti sono, per definizione, radiazioni capaci di causare, direttamente o indirettamente, la ionizzazione degli atomi e delle molecole dei materiali attraversati. In pratica, nell'attraversare la materia, queste radiazioni riescono a strappare, in virtù della loro energia, un elettrone dall'orbita esterna di un atomo creando così una coppia di ioni. E’ utile ricordare che l'energia delle radiazioni ionizzanti si misura in elettronvolt (eV): 1eV =1,6*10^(-19) J

RADIAZIONI IONIZZANTI Le radiazioni ionizzanti possono essere prodotte in due modi: da particolari sostanze (dette radioattive); da macchine elettriche (dette macchine radiogene, come ad es. le macchine per le radiografie).

RADIOATTIVITA’ Si definisce RADIOATTIVITA’ la proprietà che hanno gli atomi di alcuni elementi di emettere spontaneamente radiazioni ionizzanti. Nel 1896 Henri Becquerel, indagando sui fenomeni di luminescenza di alcuni materiali, collegò l’annerimento di una lastra fotografica lasciata vicino a minerali d’uranio agli esperimenti ed alle radiografie effettuate da Rontgen; Nel 1898 Marie Curie, proseguendo gli studi iniziati da Becquerel, scoprì che anche altre sostanze godevano della stessa proprietà dell'uranio e suggerì di chiamare tali sostanze radio (radium = raggio) attive.

RADIOATTIVITA’ Marie Curie riuscì a stabilire la natura dei raggi emessi scoprendo che trattava di 3 tipi di radiazioni: la prima elettricamente carica negativamente, la seconda carica positivamente e la terza neutra. Associò a tali raggi le prime tre lettere dell'alfabeto greco: α(alfa): atomi di He; β(beta): elettroni; γ(gamma): onde elettromagnetiche. La radioattività, o meglio il decadimento radio attivo, è quindi un processo per cui il nucleo di un elemento, o radionuclide, si trasforma nel nucleo di un elemento diverso e raggiunge uno stato energetico minore, emettendo radiazioni ionizzanti

GRANDEZZE DOSIMETRICHE Sono grandezze che si riferiscono agli effetti delle radiazioni sulla materia e dipendono dalle caratteristiche del tipo di radiazioni e del mezzo.

ATTIVITA’ A [Bq] A = ΔN/Δt E’ il numero di disintegrazioni nucleari (decadimenti) che si verificano in un secondo A = ΔN/Δt Ha le stesse dimensioni del’Hertz e si misurava in passato in Curie [Cu] 1Cu=3,7*10^10 Bq

DOSE ASSORBITA D [Gy]=[J/kg] E’ la quantità di energia depositata dalle radiazioni ionizzanti per unità di massa D = ΔE/Δm In passato si misurava in RAD [Radiation Absorbed Dose] 1 Gy=100 RAD

RATEO DI DOSE ASSORBITA D [Gy/s] . RATEO DI DOSE ASSORBITA D [Gy/s] E’ la dose assorbita per unità di tempo . D = ΔD/Δt

In passato si misurava in Rontgen ESPOSIZIONE X [C/kg] E’ una misura della capacità delle radiazioni di ionizzare l’aria. Misura la quantità di carica elettrica prodotta per ionizzazione in una data massa d’aria. X = ΔQ/Δm In passato si misurava in Rontgen 1 R=0,000258 C/kg

KERMA K [Gy] K = ΔEcin/Δm L’acronimo vuol dire Kinetic Energy Released in Matter ovvero energia cinetica rilasciata nella materia. E’ definita come la somma delle energie cinetiche di tutte le particelle cariche generate in un campione da una radiazione ionizzante non carica (neutroni e fotoni) divisa per la massa del campione stesso. K = ΔEcin/Δm

DOSE EQUIVALENTE H [Sv] E’ una grandezza che dipende dal il fattore di ponderazione della radiazione WR, parametro che tiene conto della differente pericolosità delle varie radiazioni, a parità di dose assorbita, rispetto alla radiazione di riferimento (fotoni) che hanno WR=1 H = WR*D 1Sv =100 REM [Rontgen Equivalent in Man] 1Sv = 1 dose di 1 Gy impartita da raggi X o γ

FATTORE DI PONDERAZIONE WR

DOSE EQUIVALENTE EFFICACE E [Sv] E’ la somma delle dosi equivalenti efficaci HT nei diversi organi e tessuti, ciascuna moltiplicata per un fattore di ponderazione WT che tiene conto della diversa radiosensibilità degli organi irraggiati. E = ΣWT*HT

FATTORE DI PONDERAZIONE WT

DOSIMETRI Un dosimetro è un dispositivo usato per determinare l'esposizione individuale alle radiazioni ionizzanti. I dosimetri esistono per diversi intervalli di misura. In ambito lavorativo civile (radiologia, laboratori, centrali nucleari) la scala arriva a 3,6 mSv. I dosimetri per uso militare arrivano a 5 Sv.

CONTATORE GEIGER-MULLER Uno strumento di amplissimo uso è stato il contatore Geiger-Muller, che ci fornisce un’indicazione (anche sonora) del passaggio di una radiazione, senza tuttavia riuscire a discriminarne il tipo. E’ un rivelatore a gas. Il cuore del contatore Geiger è costituito da un tubo contenente un gas a bassa pressione (per esempio, una miscela di argon e vapore di alcol). Lungo l'asse del tubo è teso un filo metallico, isolato dal tubo stesso. Tra il filo e il tubo si stabilisce una differenza di potenziale (cirva 1kV), attraverso una resistenza dell'ordine di 10^9 Ω. Quando una radiazione attraversa il tubo e colpisce una delle molecole del gas, la ionizza, creando una coppia ione-elettrone. Gli ioni primari vengono accelerati a sufficienza da creare ionizzazioni secondarie, urtando con le altre molecole di gas creando una moltiplicazione a valanga. L'impulso elettrico risultante sarà testimone dell'avvenuto contatto con una radiazione ionizzante, e sarà contato da un circuito elettronico.

EFFETTI DELLE RADIAZIONI SULL’UOMO Gli effetti delle radiazioni sull’uomo possono essere classificati in due differenti tipologie: Effetti di tipo deterministico (reazioni dei tessuti); Effetti di tipo stocastico o probabilistico (neoplasie). Per i primi esiste una soglia al di sopra del quale si manifesta l’effetto. Per gli effetti stocastici legati ad esposizioni a dosi inferiori alle soglie richieste per gli effetti deterministici, non è definibile una soglia di esposizione. L’esposizione in questo caso aumenta la probabilità di comparsa del danno, e non l’entità del danno stesso.

EFFETTI DELLE RADIAZIONI SULL’UOMO

RADIOPROTEZIONE SORGENTI DI TIPO ALFA In questo caso l’irraggiamento dall’esterno NON costituisce un problema. Bisogna però assolutamente evitare: • l’inalazione; • l’ingestione; • la contaminazione sistemica (ovvero tramite ferite). In condizioni normali, nei laboratori si adottano le consuete procedure di pulizia ed igiene e test periodici di contaminazione delle superfici. Il livello di rischio può essere elevato.

RADIOPROTEZIONE SORGENTI DI TIPO BETA Per le condizioni normali valgono sostanzialmente le stesse considerazioni fatte per le sorgenti di tipo ALFA, anche se l’irraggiamento esterno può diventare rilevante. Il livello di rischio è inferiore che nel caso precedente.

RADIOPROTEZIONE SORGENTI DI TIPO GAMMA L’irraggiamento dall’esterno costituisce un problema anche rilevante. In condizioni normali si dovranno avere le stesse precauzioni descritte nel caso di presenza in una sala radiologica. E’ pertanto necessario l’uso di mezzi di protezione piombati (camice, guanti, occhiali) oltre alle usuali precauzioni anticontaminazione. Il livello di rischio può essere elevato. Per legge, tutti i luoghi di lavoro ove sia presenza di radiazioni ionizzanti deve essere considerato a rischio radiologico e rientra quindi nella normativa prevista (D.Lgs. 230/1995).