Transcript LE GRANDEZZE RADIOMETRICHE E

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
ionizzante;
il
concetto
di
radiazione
 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
radiazioni luminose.
misurazioni
legate
alle
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
l
a
P
Se l=2πR allora a=2π
Ω=S/R^2
R
P
Se l=R ottengo il radiante [rad]
Ω
S
Se S=R^2 ottengo lo steradiante [sr]
Se S=4πR^2 allora Ω=4π
INTENSITA’ RADIANTE Ie [W/sr]
n
S
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)]
r
ΔS
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
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
ENERGIA
RADIANTE
Qe
FOTOMETRICHE
[J]
ENERGIA
LUMINOSA
Qv
[lm*s]
Φv
[lm]
POTENZA
RADIANTE O
FLUSSO RADIANTE
Φe
[W]
POTENZA
LUMINOSA O
FLUSSO
LUMINOSO
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
[W/m^2]
EMITTENZA
LUMINOSA
Mv
[lux]=[lm/m^2]
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:
1.da particolari sostanze (dette radioattive);
2.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]
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]
E’ la dose assorbita per unità di tempo
.
D = ΔD/Δt
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]
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 H nei
diversi organi e tessuti, ciascuna moltiplicata per
un fattore di ponderazione WT che tiene conto
della diversa radiosensibilità degli organi
irraggiati.
T
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
classificati in due differenti tipologie:
possono
essere
1.Effetti di tipo deterministico (reazioni dei tessuti);
2.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).