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

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

2 GENERALITA

3 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/m 3 (Becquerel per metro cubo) Unità di misura In pratica una concentrazione di 400 Bq/m 3 vuol dire che vengono emesse 400 radiazioni ogni secondo, in ogni metro cubo di aria.

4 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 lequilibrio secolare tra questi ultimi ed il Radon stesso.lequilibrio secolare Anche se la condizione di equilibrio non è realizzata, la misura va sempre effettuata realizzando quella condizione nellambito del sistema di rivelazione. In caso contrario si ha solo una misura dei figli, alla quale corrisponde una concentrazione equivalente del padre. Metodi di misura del Radon

5 Equilibrio secolare tra 222 Rn e figli

6 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 o, sia radiazioni. 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 landamento 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 nellarco dellanno.

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

8 I campionamenti periodiciI campionamenti periodici si utilizzano per lanalisi della concentrazione di Radon in campioni raccolti in un intervallo di tempo I metodi continuiI 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 integrantiI metodi integranti forniscono ununica determinazione di concentrazione di Radon integrata su un periodo di tempo variabile da pochi giorni ad alcuni mesi. Metodi di misura

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

10 I dispositivi passivi I dispositivi passivi hanno le seguenti caratteristiche: a.misurano gli effetti prodotti dal decadimento su un materiale atto alla rivelazione con un metodo indiretto, b.linterazione e la rivelazione avvengono in due fasi distinte, c.l'informazione viene conservata nel tempo.

11 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 dingresso del radon. In questo modo è possibile pianificare meglio le contromisure. In particolare la misura attiva è indispensabile per verificare lefficacia delle contromisure adottate. I radioprotezionisti solitamente prediligono le misure passive in quanto rappresentative di valori mediati su lunghi periodi.

12 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.

13 Alcuni rivelatoriri cosiddetti passivi

14 CANESTRI AL CARBONE ATTIVO

15 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 unaffinità molecolare.

16 Metodo dei carboni attivi I contenitori dei carboni attivi sono esposti allaria 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 lequilibrio tra Radon e figli Per la misura si esegue il conteggio delle emissioni derivanti dal 214 Pb e dal 214 Bi.

17 ELETTRETI

18 Sfruttano alla lettera la definizione di rivelazione come ionizzazione. elettrete disco di teflon 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. Lesposizione alla radiazione dellaria interna alla camera produce una ionizzazione che causa la riduzione della carica del disco. Rivelatori ad elettrete

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20 Principi di funzionamento disco di teflon Il Radon diffonde insieme allaria allinterno della camera di raccolta.Quando un atomo Rn decade e la particella emessa ionizza laria 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 lesposizione ci dice quanto è stato irraggiato. Camera di raccolta Rn

21 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 dallesterno 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.

22 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/m 3 ) presente nellaria 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.

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24 LR-115

25 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)

26 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 lattacco chimico possa evidenziare le tracce. l livello di soglia è sempre superiore allenergia che può rilasciare un elettrone, ciò li rende insensibili alla rivelazione di elettroni veloci e di raggi.

27 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). Lesposizione alla radiazione del dosimetro provoca il danneggiamento fisico della pellicola.

28 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.

29 Rivelatori di tracce nucleari Lesposizione ha luogo allinterno di piccole camere a diffusione.

30 Aria di una stanza Un rivelatore di tracce

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

32 Rivelatori di tracce in pratica

33 Sviluppo degli LR-115 Dopo lesposizione 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 dellangolo di incidenza delle particelle La profondità delle tracce dipende dallenergia con cui impattano le particelle

34 Rivelatori di tracce nucleari LR-115 Film prima dellattacco chimico Film dopo lattacco chimico

35 otticheelettrostatiche: 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 lapplicazione di un campo elettrico (se le tracce sono passanti). Lettura e conteggio

36 Lettura ottica - La pellicola LR-115 presenta un diverso grado di opacità nei punti in cui è stata danneggiata dal passaggio delle particelle - 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 Lettura Conteggio

37 Pellicola vista al microscopio

38 Tensione di riferimento LR-115 output Lettura elettrostatica (spark counter) 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. Apparato per il conteggio

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40 Tracce passanti

41 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. Elaborazione dei dati

42 RAMONA

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

44 Cella di raccolta elettrostatica Rivelatore di particelle stato solido posto a massa Tensione di raccolta 3500 volt Aria inAria out 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)

45 Il rivelatore di RaMoNA Rivelatore di particelle Verso massa 3500 V + + + rinculo Traiettoria di uno ione Traiettoria del 222 Rn prima del decadimento Atomo di 222 Rn Ione di 218 Po 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.

46 La raccolta elettrostatica Traiettorie degli ioni trasportati dal campo elettrostatico 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 218 Po + ( 216 Po + per il Thoron) dalle pareti della cella verso il rivelatore. Il successivo decadimento degli ioni Po genera particelle che possono essere rivelate.

47 Perdita di energia delle particelle nella camera In aria una particella da 6 MeV perde tutta la sua energia in circa 3 cm (range) ricombinazione + + Rivelatore di particelle 3500 volt Verso massa Ione di 218 Po Atomo di 218 Po + + Lenergia con cui la particella 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, questultima non ha alcuna possibilità di essere rivelata. Questo rivelatore permette la spettroscopia delle particelle alfa rivelate. range

48 Schema del rivelatore a raccolta elettrostatica La velocità di trasporto degli ioni è 10 4 cm/s. Il tempo di raccolta è quindi 10 -3 s, trascurabile rispetto alla vita media del 218 Po (180 s). In linea di principio tutti gli isotopi del polonio ionizzati vengono raccolti sul rivelatore. Rivelatore di particelle 3500 V Verso massa + + + rinculo Traiettoria di uno ione Traiettoria del 222 Rn prima del decadimento

49 Condizioni necessarie la frazione ionizzata positivamente del Po generato dal decadimento del Rn è circa il 90% sia per il 218 Po che per il 216 Po il tempo di raccolta (10 -3 s) è trascurabile rispetto alla vita media dello ione che si vuole raccogliere (180 s per il 218 Po e 0.145 s per il 216 Po ) a.La quantità di ioni raccolti sul rivelatore dipende: 1)- dalla probabilità di ricombinazione del Po + con ioni negativi in aria che è funzione della concentrazione di ioni negativi 2)dalla mobilità ionica che dipende dalla pressione dellaria, dallumidità e dalla temperatura Parametri della raccolta elettrostatica

50 a.Lenergia rilasciata nel rivelatore dalle particelle 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; 1) la mobilità degli ioni dipende dalla pressione e dalla temperatura ( e dallumidità); 2) la ricombinazione dipende dalla umidità dellaria e dalla temperatura (pressione); Per tutti questi motivi lefficienza e la risoluzione del picco sono influenzati da tali parametri ambientali Per tutti questi motivi lefficienza e la risoluzione del picco sono influenzati da tali parametri ambientali.

51 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 222 Rn da quelli del 220 Rn. Lieve interferenza dovuta il 212 Bi, superata dalla buona separazione del 214 Po (U) e del 216 Po (Th).

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

53 222 Rn e 220 Rn Spettro di sorgenti di 222 Rn e 220 Rn prodotto con RaMoNa