LA MISURA DEL RADON GENERALITÀ CANESTRI AL CANESTRI AL CARBONE ATTIVO CARBONE ATTIVO ELETTRETI...
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LA MISURA DEL RADON
GENERALITÀCANESTRI AL
CARBONE ATTIVO
ELETTRETI LR-115 RaMonA
GENERALITA’
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/mBq/m33
(Becquerel per metro cubo)
Unità di misura
In pratica una concentrazione di 400 Bq/m3 vuol dire che vengono emesse 400 radiazioni ogni secondo, in ogni metro cubo di aria.
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.
Metodi di misura del Radon
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 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 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.
Metodi di misura
• Campionamento periodico
• Misura continua ( Attivi )
• Metodi integranti ( Passivi )
• I campionamenti periodici I campionamenti periodici si utilizzano per l’analisi 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 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 attiviI 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. l’interazione 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
Metodi di misura
I dispositivi passiviI dispositivi passivi hanno le seguenti caratteristiche:
a. misurano gli effetti prodotti dal decadimento su un materiale atto alla rivelazione con un metodo
indiretto,
b. l’interazione e la rivelazione avvengono in due fasi distinte,
c. 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
Sfruttano “alla lettera” la definizione di “rivelazione come ionizzazione”.
I rivelatori ad elettreteelettrete sono costituiti da una camera di diffusione contenente un disco di teflondisco 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
Rivelatori ad elettrete
Principi di funzionamento
disco di teflon
Il Radon diffonde insieme all’aria all’interno della
camera di raccolta .Quando un atomo Rn decade e la
particella 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.
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 .
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 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.
atomo di radon (T1/2 = 3,8 giorni)
atomi di figli del radon legati a particelle grandi
bustina di polietilene : non ha effetto sugli atoli di Radon, ma blocca i suoi figli che, grazie alla loro reattività, si sono legati a particelle di aerosol o ad altre molecole presenti nell'aria Blocca anche gli atomo di Thoron che, a causa del loro breve tempo di dimezzamento e del rallentamento subito nell'attraversamento del polietilene, decadono prima di entrare nel volume di misura
al momento della diffusionedopo un certo ritardo dalla diffusione
atomo di radon (T1/2 = 30 secondi)
Aria di una stanza
Un rivelatore di tracceUn rivelatore di tracce
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
L’energia della particella è in genere troppo elevata per produrre un danno osservabile al film
LR-115
E = 6 MeVE = 5,5 MeV (piccolo danno piccola traccia)
E = < 1 MeV grande danno grande traccia
Ea = 6 MeV
rallentatore
rivelatore
A B
C
A la particella ha un'energia troppo alta per provocare nel rivelatore un danno osservabile B se sul percorso della particella si interpone un assorbitore, che la ralenta, la sua energia può ridursi abbastanza da produrre nel rivelatore un danno osservabile C il rallentatore può anche consistere in un opportuno spessore di aria
Rivelatori di tracce Rivelatori di tracce in praticain 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
La profondità delle tracce dipende dall’energia con
cui impattano le particelle
Rivelatori di tracce nucleari LR-115
Film prima dell’attacco chimico
Film dopo l’attacco chimico
Il conteggio delle tracce, cioè la lettura dei risultati può avvenire mediante metodologie otticheottiche o elettrostaticheelettrostatiche::
Metodi otticiMetodi ottici
-microscopio ottico a luce diretta
-scanner fotografico
Metodo elettrostaticoMetodo elettrostatico
-mediante l’applicazione di un campo elettrico (se le tracce sono passanti).
Lettura e conteggio
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
LetturaConteggio
Pellicola vista al microscopio
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
Tracce passanti
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 Solo dopo aver apportato tali correzioni,conoscendo il fattore di calibrazione, si è in grado di risalire al valore fattore di calibrazione, si è in grado di risalire al valore della concentrazione di Radon integrata sul tempo di della concentrazione di Radon integrata sul tempo di
esposizione. esposizione.
Elaborazione dei dati
RAMONA
RaMonA 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
Rivelatore di particelle stato solido posto a massa
Tensione di raccolta3500 volt
Aria in Aria 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)
Il rivelatore di RaMoNA
Rivelatore di particelleVerso massa
3500 V
+
++
rinculo
Traiettoria di uno ione
Traiettoria del 222Rnprima 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
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 218Po+ (216Po+ per il Thoron) dalle pareti della cella
verso il rivelatore. Il successivo decadimento degli ioni Po genera particelle che
possono essere rivelate.
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 218Po
Atomo di 218Po
+
+
L’energia 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, quest’ultima non ha alcuna possibilità di essere rivelata.
Questo rivelatore permette la spettroscopia delle particelle alfa rivelate.
range
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
+
++
rinculo
Traiettoria di uno ione
Traiettoria del 222Rnprima del decadimento
Condizioni necessarie 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 )
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 dell’aria, dall’umidità e dalla temperatura
Parametri della raccolta elettrostatica
Parametri della raccolta elettrostatica
a. L’energia 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 dall’umidità);
2) la ricombinazione dipende dalla umidità dell’aria e dalla temperatura (pressione);
Per tutti questi motivi l’efficienza e la risoluzione Per tutti questi motivi l’efficienza e la risoluzione del picco sono influenzati da tali parametri del picco sono influenzati da tali parametri
ambientaliambientali.
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).
Utilizzo della camera
• Misure indoor e outdoor
• Misure istantanee e continue
• Misure nei suoli
• Misure nelle acque
• Misure di controllo in apparati di taratura
0
200
400
600
800
1000
1200
5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000
E (keV)
U-238
Th-232
Po218
Bi212
Po216
Po212Po214
Po210 coinc +
Spettro di sorgenti di 222222RnRn e e 220220RnRn
prodotto con RaMoNa