Transcript Capitolo 8(Gamma)_14_15 - INFN

Capitolo 8
Esperimento # 6
MISURE DI RADIOATTIVITA’ AMBIENTALE
Versione 5.1 Settembre 2014
8.1 Introduzione alla radioattività naturale
La radioattività è parte del nostro mondo fin dalla nascita del pianeta. Più di 60 radionuclidi, cioè
isotopi radioattivi, sono presenti in natura, classificati come:
1. Radionuclidi primordiali, cioè creati dai cicli nucleo-sintetici sulla terra.
2. Cosmogenici, cioè formati a seguito dell’interazione dei raggi cosmici
3. Prodotti dall’azione umana sia come creazione ex-novo di un dato isotopo che come
integrazione della parte dovuta ad effetti naturali.
I radionuclidi non solo si trovano nell’ aria, nelle acque e nel suolo ma anche fanno parte del corpo
umano dato che noi inaliamo o ingeriamo continuamente materiale contenente tali isotopi.
L’importanza della radioattività ambientale può essere dimostrata dalla seguente Tabella 8.1 dove è
riportata la ripartizione della dose annua media per la popolazione negli USA
Tabella 8.1
Sorgente
Dose equivalente
(media annuale)
(µSv)
Inalazione (Radon e prodotti di decadimento)
2000
Altri radionuclidi depositati internamente al corpo umano
390
Radiazione ambientale terrestre
280
Raggi Cosmici
270
Radioattività cosmogenica
10
Media Annuale da Sorgenti Naturali
3000
Media Annuale da Sorgenti Artificiali
600
Totale
3600
Come si nota circa l’80% della dose media (che ammonta a 3600 µSievert/anno) è dovuta alla
radioattività ambientale e quasi la metà è dovuta all’inalazione di Radon o prodotti di decadimento
di quest’ultimo.
I radionuclidi primordiali sono stati popolati durante i processi nucleo-sintetici. Sono isotopi
caratterizzati da un tempo di dimezzamento molto lungo, spesso dell’ordine di centinaia di milioni
di anni, che permette di rivelarli in quantità misurabile nei nostri giorni. In generale, radionuclidi
che sono stati popolati nel passato per un tempo equivalente ad una trentina di tempi di
dimezzamento non sono più misurabili.
Nella Tabella 8.2 sono riportate alcune informazioni sui radionuclidi primordiali più importanti.
Tabella 8.2
Radionuclidi Primordiali
Tempo di
dimezzamento
Radionuclide
Caratteristiche principali
Uranio 235
235
U
7.04 x 108 yr 0.72% di tutto l’uranio naturale
Uranio 238
238
U
99.27% di tutto l’uranio naturale che è presente
4.47 x 109 yr con concentrazione dell’ordine di 0.5 - 4.7 ppm
nelle rocce comuni
Torio 232
232
Th
1.41 x 1010 yr
Radio 226
226
Ra
1.60 x 103 yr
Radon 222
222
Rn
3.82 days
40
Potassio 40
K
n.b: ppm parte per milione
1.6 - 20 ppm nelle rocce comuni. Valor medio nella
crosta terrestre 10.7 ppm
16 Bq/kg nei materiali calcarei e 48 Bq/kg nelle
pietre laviche
Gas Nobile; concentrazione media annuale annuale
0.6 Bq/m3 a 28 Bq/m3
1.28 x 109 yr Presente nel terreno 0.037-1.1 Bq/g
Alcuni nuclei come il 232Th hanno una catena di decadimento particolarmente complessa 232Th -->
228
Ra --> 228Ac --> 228Th --> 224Ra -->220Rn --> 216Po --> 212Pb --> 212Bi --> 212Po --> 208Pb (stabile).
Altri radionuclidi primordiali sono: 50V, 87Rb, 113Cd, 115In, 123Te, 138La, 142Ce, 144Nd, 147Sm, 152Gd,
174
Hf, 176Lu, 187Re, 190Pt, 192Pt, 209Bi.
Il continuo bombardamento della parte alta dell’atmosfera terrestre da parte dei raggi cosmici (vedi
Capitolo 4 di queste dispense) produce alcuni nuclei radioattivi che vengono indicati come Nuclidi
Cosmogenici. I principali sono riportati in Tabella 8.3.
Tabella 8.3
Nuclidi Cosmogenici
Tempo di
dimezzamento
Nuclide
Carbonio 14
14
Trizio
3
Berillio 7
7
Reazione sorgente
14
14
0.22 Bq/g nei
materiali
organici
C
5730 yr
H
Interazione dei raggi cosmici con N ed
12.3 yr O, reazioni di spallazione indotte dai
1.2 Bq/g
6
3
raggi cosmici, reazione Li(n, alpa) H
Be
53.28 days
N(n,p) C
Attività
Naturale
Interazione dei raggi cosmici con N ed
O
10 Bq/g
Altri radionuclidi cosmogenici sono: 10Be, 26Al, 36Cl, 80Kr, 14C, 32Si, 39Ar, 22Na, 35S, 37Ar, 33P, 32P,
38
Mg, 24Na, 38S, 31Si, 18F, 39Cl, 38Cl, 34mCl.
La terza categoria è rappresentata dai radionuclidi che sono creati da attività umane, a causa dell’
uso di materiali radioattivi in molte applicazioni. Tali radionuclidi vanno in alcuni casi a sommarsi
con una componente naturale. Notiamo come il rilascio in atmosfera di isotopi radioattivi collegati
a test di ordigni nucleari sia significativamente diminuito negli ultimi anni dopo l’ arresto di tali test
da parte di Russia ed USA.
Tabella 8.4
Radionuclidi prodotti dall’azione dell’uomo
Tempo di
dimezzamento
Isotopo
Origine
Prodotto in esplosioni nucleari e nei reattori a
fissione, negli stabilimenti di riprocessamento del
12.3 yr
combustibile nucleare e nei siti di preparazione
delle armi nucleari.
Trizio
3
Iodio 131
131
I
8.04 days
Prodotto di fissione rilasciato da armi nucleari e
da reattori. Viene utilizzato in medicina.
Iodio 129
129
I
1.57 x 107 yr
Prodotto di fissione rilasciato da armi nucleari e
da reattori.
Cs
30.17 yr
Prodotto di fissione rilasciato da armi nucleari e
da reattori.
Sr
28.78 yr
Prodotto di fissione rilasciato da armi nucleari e
da reattori.
Tc
2.11 x 105 yr
Prodotto del decadimento del 99Mo, utilizzato in
diagnostica medica.
2.41 x 104 yr
Prodotto dal bombardamento con neutroni del
238
U
238
( U + n--> 239U--> 239Np +ß--> 239Pu+ß)
Cesio 137
H
137
Stronzio 90
90
Tecnezio 99
99
Plutonio 239
239
Pu
Nelle tabelle seguenti sono presentati valori indicativi della radioattività naturale presente nel
terreno, nelle acque degli oceani (1971 Radioactivity in the Marine Environment, National
Academy of Sciences, USA), nel cibo, nel corpo umano ed in alcuni materiali da costruzione.
Questi ultimi valori sono stati presi da: Handbook of Radiation Measurement and Protection,
Brodsky, A. CRC Press 1978 and Environmental Radioactivity from Natural, Industrial and
Military Sources, Eisenbud, M and Gesell T. Academic Press, Inc. 1997.
Radioattività nell’ acqua marina
Nuclide
Terreno
Stima
Nuclide
dell’ Attività
Uranio
25 Bq/kg
Torio
40 Bq/kg
Potassio 40
400 Bq/kg
Radio
48 Bq/kg
Radon
10 kBq/m3
Uranio
Attività
33 mBq/l
Potassio 40
Tritio
11 Bq/l
0.6 mBq/l
Carbonio 14
5 mBq/l
Tabella 8.5
Rubidio 87
1.1 Bq/l
Tabella 8.6
Nella tabella seguente sono riportati i valori per la radioattività naturale in alcuni cibi. I radionuclidi
più comuni nei cibi sono il potassio (40K), il radio 226 (226Ra), l’ uranio 238 (238U) e prodotti di
decadimento associati.
Radioattività naturale in alimenti
40
Alimento
Banane
226
K
Bq/kg
10
Ra
Bq/kg
0.27 x 10-2
Noci del Brasile 15
2.7-18.9
Carote
9
0.2-0.5 x 10-2
Patate
9
0.27-0.67 x 10-2
Birra
1
---
Carne Rossa
8
0.13 x 10-2
Fagioli
12
0.5-1.3 x 10-2
Acqua Potabile
---
0- 5 x 10-4
Tabella 8.7
Stime sulla quantità media di radionuclidi in un individuo adulto del peso di 70 kg (dati ICRP 30)
Radioattività Naturale nel corpo umano
Nuclide
Quantità nel corpo umano Attività totale Assunzione giornaliera
Uranio
90 µg
1.1 Bq
1.9 µg
Torio
30 µg
0.11 Bq
3 µg
Potassio 40
17 mg
4.4 kBq
0.39 mg
Radio
31 pg
1.1 Bq
2.3 pg
Carbonio 14
22 ng
3.7 kBq
1.8 ng
Trizio
0.06 pg
23 Bq
0.003 pg
Polonio
0.2 pg
37 Bq
~0.6 fg
Tabella 8.8
Radioattività naturale in materiali da costruzione (dati da NCRP 94, 1987)
Uranio
ppm mBq/g
Granito
4.7
63
Arenaria
0.45
6
Cemento
3.4
46
Calcestruzzo di calcare
2.3
31
Calcestruzzo di arenaria 0.8
11
Cartongesso
1.0
14
Scarti lavorazione gesso 13.7 186
Gesso Naturale
1.1
15
Legno
Mattoni di argilla
8.2
111
Materiale
Torio
ppm mBq/g
2
8
1.7
7
5.1
21
2.1
8.5
2.1
8.5
3
12
16.1
66
1.8
7.4
10.8
44
Potassio
ppm mBq/g
4.0 1184
1.4
414
0.8
237
0.3
89
1.3
385
0.3
89
0.02
5.9
0.5
148
11.3 3330
2.3
666
Tabella 8.9
8.2 Il Problema del radon
Il Radon è un gas nobile presente in natura con gli isotopi 219Rn, 220Rn e 222Rn. Per abbondanza
isotopica e tempo di dimezzamento l’isotopo più importante è il 222Rn a cui si fa riferimento quanto
si parla di Radon. L’abbondanza naturale dell’elemento Rn è di 4 x 10-13 mg/kg nella crosta
terrestre e 6 x 10-16 mg/l nell’ acqua marina.
La catena di decadimento che popola il 222Rn è mostrata nella Fig.8.1 in cui sono anche indicati i
prodotti di decadimento, le transizioni gamma e le particella alfa che li caratterizzano.
Fig. 8.1 Popolazione e decadimento del 222Rn.
Il Radon è normalmente generato nelle rocce o nel suolo o è emanato dai materiali da costruzione e
si muove liberamente raggiungendo l’ aria attraverso le porosità del materiale. Il movimento del
Radon avviene nei fluidi per diffusione molecolare mentre nei solidi (suolo) occorre un fluido (aria
o acqua) che attui il trasporto. Qualora emesso dal suolo in un ambiente aperto, il radon si disperde
rapidamente non creando normalmente concentrazioni significative. Al contrario, nel caso di
ambienti chiusi non ventilati si possono creare concentrazioni importanti. Nel caso di abitazioni,
oltre per effetto diretto dell’emanazione dal suolo, la concentrazione di radon può aumentare anche
a causa di gradienti di pressione sia pur minimi interno - esterno dovuti all’azione di agenti
atmosferici e alla presenza del riscaldamento. Come mostrato in Tabella 8.1, il maggior contributo
all’ esposizione totale della popolazione alle radiazioni ionizzanti deriva dall’ isotopo 222Rn
(Radon) e dai prodotti di decadimento. L’esposizione al Radon avviene normalmente in ambienti
chiusi ove si presenta una concentrazione elevata di tale gas. Studi epidemiologici condotti sui
lavoratori delle miniere di Uranio hanno mostrato una correlazione tra esposizione al Radon e
tumori polmonari. Tuttavia non è sicura l’ estrapolazione di questi studi epidemiologici al rischio
da radon in abitazioni (vedi pg.209 del volume Air Quality Guidelines for Europe, Second Edition,
WHO, reperibile al sito http://www.euro.who.int/document/e71922.pdf . Studi epidemiologici
condotti in Svezia hanno portato a stabilire una correlazione lineare tra livello di Radon (in Bq/m3)
e frazione di tumori ai polmoni attribuibili a questa causa, come mostrato in Fig.8.2
Fig. 8.2 Correlazione tra percentuale di casi di tumori polmonari e concentrazione di Radon.
Un maggiore dettaglio è riportato nella Tabella 8.10.
Tabella 8.10
Come si vede per un’esposizione media di 100 Bq/m3 ci si attende un aumento di 2700-5100 unità
delle morti per cancro ai polmoni. Studi epidemiologici mostrano anche come gli effetti del Radon
si sommino alle altre fonti di rischio (come il fumo) per tale patologia.
In Italia sono state condotte campagne di misura tese a determinare il livello di radon nelle
abitazioni. Tali campagne sono state realizzate a livello regionale dalle Agenzie Regionali per la
Prevenzione Ambientale. L’ultima indagine relativa alla Regione Veneto è reperibile presso il sito
dell’ ARPAV (http://www.arpa.veneto.it/agenti_fisici/htm/radon_9.asp) . Alcuni risultati dell’
indagine regionale sono riportati in Fig.8.3. In particolare sono riportate le dosi medie misurate per
diverse tipologie di abitazione, materiali da costruzione ed anno di edificazione. Come è facilmente
comprensibile, le maggiori concentrazioni sono state riscontrate in abitazioni mono - familiari
costruite prima del 1900 con l’ impiego di materiali tipo pietra. La concentrazione maggiore si
riscontra ovviamente al piano terra. La distribuzione geografica dei siti dove si ha un’elevata
presenza di Radon nelle abitazioni mostra una prevalenza delle zone montane mentre è molto più
bassa nella pianura e lungo le coste. Tale distribuzione rispecchia l’effetto della conformazione
geologica sulla presenza di radon.
Fig.8.3 Alcuni risultati dell’ indagine regionale sui livelli di radon nelle abitazioni.
In Veneto i valori medi riscontrati sono circa 60 Bq/m3, sotto la media nazionale di 75 Bq/m3.
Valutando i tempi medi di permanenza della popolazione all’interno degli ambienti chiusi, la
concentrazione media di Radon in Italia corrisponde ad una dose di 1.5 mSv/anno, inferiore ai 2
mSv/anno riportati in Tabella 8.1.
Come ultima notazione ricordiamo come in Italia manchino disposizioni circa le abitazioni, mentre
esiste un decreto che limita a 500 Bq/m3 il valore massimo per la concentrazione di Radon negli
ambienti di lavoro. E’ interessante inoltre notare come esistano linee guida per il monitoraggio
della concentrazione di radon in ambienti in cui siano state applicate contromisure. Un tipico
esempio è mostrato in Fig.8.4. in cui viene mostrato l’ andamento temporale della concentrazione
di radon in un locale a seconda che vengano tenuti accesi i sistemi di ventilazione.
Fig. 8.4
Questa esperienza di laboratorio è dedicata a misure di radioattività ambientale in campioni di
origine diversa e all’effettuazione di una misura diretta della concentrazione di Radon in
ambienti chiusi, situati all’ interno del Dipartimento di Fisica.
8.3 Apparato sperimentale
L’apparato per misure di basso fondo consiste in un pozzetto schermato equipaggiato con due
rivelatori per spettroscopia gamma: un rivelatore a scintillazione NaI(Tl) ed un rivelatore HPGe
(rivelatore al germanio iper-puro) operato alla temperatura dell’ azoto liquido.
Il pozzetto aperto con il rivelatore NaI(Tl) e gli anelli di centraggio dei campioni è mostrato in
Fig.8.5.
Fig. 8.5 Bassofondo aperto. Si vede il rivelatore NaI(Tl) e gli anelli per il centraggio dei
campioni. Il rivelatore HPGe viene inserito dall’ apposita apertura.
Mentre il rivelatore NaI(Tl) può essere utilizzato senza limiti temporali e quindi permette anche di
realizzare misure ad alta statistica durante la notte, il serbatoio (dewar) di azoto liquido del
rivelatore HPGe permette l’ operazione di tale rivelatore nella stazione di misura per un massimo di
8 ore. Ciò comporta l’utilizzo del rivelatore strettamente nel periodo di apertura del laboratorio. La
descrizione dei rivelatori a scintillazione NaI(Tl) è nel Capitolo 3 di queste dispense (Esperimento
Scattering Compton). Per le generalità dei rivelatori a semiconduttore si può fare riferimento a
quanto riportato nel Capitolo 6 (paragrafo 6.3).
Lo scintillatore NaI(Tl) è un cilindro di dimensioni 7.5 cm x 7.5 cm ed è accoppiato ad un
fotomoltiplicatore ( PMT ), collegato con una base in cui si trova il partitore di tensione per l'
alimentazione dei dinodi e dell' anodo. Per maggiori informazioni su questi tipo di rivelatore si
rimanda al capitolo sullo Scattering Compton di queste dispense. Il segnale in uscita deriva
direttamente dall' anodo (segnale di Tempo, utilizzato per misure temporali) o è formato da un preamplificatore contenuto nella base (segnale di Energia, per spettroscopia) collegato all’ ultimo
dinodo. Il rivelatore è operato ad una tensione fissa di HV=+700 Volt.
L’ elettronica di lettura è semplice: il segnale di energia viene formato da un amplificatore
spettroscopico (CAMBERRA modello 2011). Il segnale di anodo viene inviato ad un
discriminatore (ELSCINT Snap-off Discriminator) che genera in uscita un’ onda quadra positiva
ogni volta che il segnale in ingresso supera la soglia. Per ogni evento si ottiene in questo modo un
segnare analogico per la misura dell’ energia (E) ed un segnale logico per far partire l’ acquisizione
dati. Il segnale logico è inviato ad un sum-amplifier (Modello ORTEC 415) che ha la funzione di
operare un OR tra il segnale logico del NaI(Tl) e quello del rivelatore HPGe in modo da far partire
l’ acquisizione ogni volta che ci sia un segnale in uscita da uno dei due rivelatori.
La stazione di misura è equipaggiato anche con un rivelatore HPGe tipo GMX di efficienza 25%
(relativa ad uno scintillatore NaI(Tl) standard di dimensioni 3” x 3”). Quando non è utilizzato, il
rivelatore è collegato ad un dewar principale montato su treppiede che contiene azoto liquido
sufficiente per mantenere il rivelatore alla temperatura del liquido criogenico per una settimana.
Per gravità l’azoto liquido fluisce continuamente dal dewar principale al serbatoio del rivelatore.
Il sistema è mostrato in Fig.8.6
Fig. 8.6 Rivelatore HPGe connesso al dewar principale e particolari del rivelatore.
Prima dell’inizio di ciascun turno di laboratorio il rivelatore viene posizionato nel pozzetto a basso
fondo e collegato all’ elettronica in modo che gli studenti trovino il sistema pronto per l’ utilizzo. Il
Rivelatore HPGe lavora ad una tensione HV=-2000 Volt. La messa in tensione del rivelatore e il
relativo spegnimento è un processo che deve essere realizzato lentamente, per non correre il rischio
di danneggiare il semiconduttore. Il rivelatore sarà quindi utilizzabile dalle ore 14 alle ore 18 di
ogni turno misura.
Il preamplificatore del HPGe è montato direttamente a contatto con il cristallo di germanio nella
capsula sotto vuoto. Sono disponibili due output dal preamplificatore. Come nel caso del rivelatore
NaI(Tl) un cavo verrà connesso all’ ingresso dell’ amplificatore spettroscopico (CAEN) per la
misura dell’ energia e l’ altro, dopo essere stato formato da un amplificatore veloce (Delay Line
Amplifier ORTEC 460) viene collegato ad un discriminatore (Timing SCA ORTEC 420) per
generare il trigger per l’ acquisizione.
Troverete l’ elettronica già cablata e dovrete solo controllare i segnali all’ oscilloscopio prima di
iniziare l’ esperienza. Per l’acquisizione dati di questa esperienza viene utilizzata la stessa scheda
FADC che è descritta nella Appendice V di queste dispense. Come trigger per l’acquisizione si
utilizzerà il segnale OR tra i segnali logici positivi del NaI(Tl) e HPGe che verrà inviato al canale
Ch#0 della scheda mentre le uscite unipolari degli amplificatori saranno connesse al canale Ch#2
(NaI(Tl) e Ch#3 (HPGe). Si suggerisce di selezionare solo i canali #2 e #3 per il display dell’
acquisizione.
In generale si utilizzerà il rivelatore NaI(Tl) per misure quantitative di attività dei campioni mentre
il rivelatore HPGe sarà utilizzato per studiare in dettaglio lo spettro gamma ed identificare gli
isotopi presenti. Occorrerà quindi preliminarmente calibrare i rivelatori in energia e determinare
l’efficienza del sistema.
8.4 Caratterizzazione dei rivelatori
All’inizio dell’esperienza (prima sessione) misurerete l’ efficienza dei rivelatori utilizzando
sorgenti di attività nota di 22Na (511 keV, 1275 keV) o di 60Co(1.17 MeV, 1.33 MeV) (a seconda
delle disponibilità in laboratorio) e di 241Am (59 keV). Tali sorgenti saranno montate dall’
assistente di laboratorio su di un supporto in modo da essere a distanza nota dalla superficie del
rivelatore NaI(Tl) ed in asse con il rivelatore. In questo modo, nota la geometria di misura e l’
attività nominale della sorgente, è possibile determinare l’ efficienza assoluta del rivelatore NaI(Tl)
per le energie in esame.
Una seconda determinazione dell’efficienza globale del NaI(Tl) per i fotoni emessi nel
decadimento del Radon sarà effettuata tramite l’ uso di un canister calibrato (vedi la descrizione
della misura del Radon Counting). Tramite queste caratterizzazioni del rivelatore sarà possibile
determinare l’attività dei diversi campioni.
Per quanto riguarda la caratterizzazione del rivelatore HPGe, si procederà in due tempi. Una prima
misura sarà fatta con le sorgenti di 241Am e 22Na, posizionate opportunamente ad una distanza nota
dal rivelatore. In questo modo sarà possibile avere una stima diretta dell’efficienza del rivelatore.
In un secondo momento si utilizzerà una sorgente di 152Eu che, decadendo sia β+ che β- popola
come nuclei finali il 152Gd ed il 152Sm. Poiché sono note con grande precisione sia le energie che le
intensità relative delle transizioni gamma prodotte da tale sorgente ( riportate in Tab. 8.11 e
Fig.8.7) sarà possibile ottenere sia la calibrazione di energia che la curva di efficienza relativa di
tale rivelatore. Tali dati sono necessari per poter individuare gli emettitori gamma identificati nello
spettro e valutarne il peso relativo.
Tab. 8.11 Energie ed intensità relative di una sorgente di 152Eu.
Fig. 8.7 Tipico spettro di una sorgente di 152Eu misurato con un rivelatore HPGe.
8.5 Radon Counting
Si vuole determinare l’attività del Radon presente naturalmente in un ambiente con tecniche
standard che utilizzano l' osservazione delle transizioni gamma emesse nel decadimento dei nuclei
prodotti nella catena originata dal Radon. I nuclei coinvolti, i tipi di decadimento e le
corrispondenti vite medie sono mostrate in figura 8.1.
Il Radon presente in un determinato ambiente sarà assorbito in appositi " canister " ai carboni attivi
che verranno lasciati aperti per 48 ore (da lunedì pomeriggio al mercoledì pomeriggio). I gamma
emessi dai nuclei radioattivi catturati nel canister verranno quindi contati con l’ apparato per
spettroscopia gamma descritto in precedenza. Il calcolo della attivita' di Radon per litro d' aria sarà
fatto secondo le norme standard dell’ EPA ( Environmental Protection Agency - USA).
Nella prima sessione dell’esperimento, il lunedì) il canister va pesato e quindi esposto aperto in uno
specifico locale all’interno del Polo Didattico. All’inizio della terza sessione, il mercoledì
pomeriggio, il canister sarà recuperato, chiuso e sigillato con il nastro adesivo originale e ripesato.
Si ottiene così il cosiddetto " water gain ", cioè l’aumento in peso dovuto all’assorbimento di
vapore acqueo. Se il water gain è meno di un grammo si stabilisce convenzionalmente che l'
umidità media durante l' esposizione era il 20 %. Se il water gain è maggiore di 1.0 g e minore di
4.0 g si fissa l’ umidità al 50 %; infine se il water gain è maggiore di 4.0 g si fissa il 80 %. Tali
valori servono per determinare gli appropriati fattori di calibrazione CF ed AF ( Fig.8.8 e 8.9)
utilizzati nel seguito.
Si determina ovviamente il tempo di esposizione Ts in cui il canister è rimasto aperto nel locale.
Water Gain, Umidità media e tempo di esposizione Ts servono per calcolare il fattore di
calibrazione CF ( litri/minuto ) che indica quanti litri d' aria sono presumibilmente stati filtrati al
minuto dal canister durante l' esposizione.
Il CF si calcola in generale per una esposizione di n giorni nel seguente modo:
CF=CF(2) x AF (Ts )/AF(2)
dove CF(2) è il fattore di calibrazione per una esposizione standard di due giorni ed AF sono fattori
di " adjustment", dipendenti dall' umidità, che servono a rapportare il CF di due giorni con il CF
relativo al reale tempo di esposizione. Poiché nel nostro caso l’esposizione è di 2 giorni , si
utilizzerà direttamente CF=CF(2)
Si eseguono conteggi per la sorgente standard di Radio, per un canister non esposto (fondo) e per il
canister esposto. Si suggerisce di acquisire ciascuno spettro per circa 30 minuti . Registrate ed
interpretate lo spettro gamma dalla sorgente standard guardando ai dati ad alta risoluzione del
rivelatore HPGe. Definite la zona di interesse (cioè l’ intervallo di energia gamma) per la misura
quantitativa con lo NaI(Tl). Si suggerisce di considerare un intervallo di energia che comprenda
tutte le principali transizioni gamma.
Definiamo come E il numero netto (sottraendo il fondo corrispondente misurato con il canister di
fondo) di conteggi al minuto per pCi della sorgente standard di calibrazione nella zona di interesse
(sommando su tutte le transizioni gamma presenti nella zona di interesse) ed N il corrispondente
numero netto di conteggi al minuto per il canister esposto ( fondo sottratto come nel caso
precedente).
Calcoliamo il decay factor DF che tiene in conto che parte del Radon intrappolato nel canister può
decadere prima di essere contato:
DF=EXP( - (0.693 t)/ (T1/2 per il Radon ))
DF=EXP( - (0.693 t)/ (5501 ))
dove t e' il tempo in minuti da metà del periodo di esposizione del canister a quando esso viene
contato nel pozzetto.
6) L'attività di radon per litro d' aria RN nell' ambiente esaminato si calcola come:
RN= N/ ( DF x E x CF x Ts ).
Con Ts in minuti.
Fig. 8.8
Fig. 8.9
8.6
Protocollo Sperimentale
Scopo dell’esperimento di Radioattività ambientale è:
a) Calibrare in energia ed efficienza il sistema a basso fondo in dotazione nel laboratorio
b) Misurare lo spettro del fondo ambiente ed identificare l’origine delle transizioni nello
spettro gamma.
c) Misurare la radioattività ambientale in campioni (a scelta dello studente) di diversi materiali
di tipo organico o inorganico.
d) Realizzare una misura di radon “indoor” in un ambiente del Polo Didattico.
Il protocollo sperimentale è direttamente ripartito tra i tre pomeriggi a disposizione per l’
esperimento. La struttura temporale dell’esperimento è solo una guida per l’attività e può essere
variata dagli studenti.
Prima sessione: calibrazione dei rivelatori
All’inizio della prima sessione pesate il canister per l’ esperienza del Radon Counting,
posizionatelo nel locale prescelto per la misura ed apritelo. Registrate il peso e il tempo
dell’apertura del canister.
Procedete quindi con le calibrazioni dei rivelatori gamma. Aprite il coperchio del basso fondo.
a) Fate posizionare la sorgente di 22Na sull’ apposito supporto controllando la distanza tra la
sorgente ed il centro del rivelatore
b) Collegate le uscite del rivelatore NaI(Tl) ai due canali dell’ oscilloscopio usando come
trigger il segnale di tempo. Controllate che il rivelatore sia alimentato ad HV=+700 volt.
Riportate le caratteristiche dei due segnali sul protocollo di misura.
c) Collegate ora il cavo E all’output dell’ amplificatore ed il cavo T all’ input del
discriminatore. Collegate le uscite di questi due moduli all’oscilloscopio e controllate la
correlazione tra i due segnali (logico ed analogico), utilizzando come trigger con il segnale
logico. Verificate che le soglie indotte dal discriminatore siano trascurabili. L’amplificatore
deve lavorare con il guadagno al minimo. Collegate i segnali al sistema di acquisizione.
d) Acquisite uno spettro di calibrazione per 10 minuti salvandolo su file. Eseguite fit gaussiani
dei picchi e riportate i valori sul protocollo
e) Fate sostituire la sorgente di 22Na con quella di 241Am ed acquisite anche in questo caso uno
spettro per 10 minuti (salvate il file). Eseguite il fit gaussiano del picco e riportate il valore
sul protocollo
f) Calcolate la retta di calibrazione utilizzando i tre valori di energia.
g) Fate posizionare la sorgente di 22Na a circa 20 cm dal rivelatore HPGe, misurate la distanza
e collegate ora i cavi di questo rivelatore come al punto b) ed eseguite i controlli al punto
c).
h) Acquisite uno spettro di calibrazione per 10 minuti salvandolo su file eseguite i fit
gaussiano e riportate i valori.
i) Fate sostituire la sorgente di 22Na con quella di 241Am ed acquisite anche in questo caso
spettro da 10 minuti (e salvate i files). Eseguite il fit gaussiano e riportate il valore.
j) Calcolate la retta di calibrazione utilizzando i tre valori di energia.
k) Fate posizionare ora la sorgente di 152Eu. Acquisite uno spettro per 20 minuti. Salvate il file.
l) Fate allontanare tutte le sorgenti radioattive dal laboratorio. Acquisite uno spettro del fondo
ambiente per almeno 30 minuti.
Suggerimenti per l’ analisi dati:
1) Determinazione dell’ efficienza intrinseca dei rivelatori con le sorgenti di 22Na ed
241
Am
L’efficienza intrinseca di un rivelatore è definita come il rapporto tra il numero di eventi registrati
diviso il numero di particelle che hanno colpito il rivelatore. Nel nostro caso è anche interessante
calcolare l’efficienza intrinseca per picco di full-energy, definita come il rapporto tra il numero
degli eventi in tale picco diviso il numero di particelle che hanno colpito il rivelatore.
Il numero degli eventi in un picco può essere determinato tramite fit gaussiano sottraendo
opportunamente il fondo.
Per determinare il numero delle particelle che hanno inciso su di un rivelatore occorre conoscere in
numero di decadimenti al secondo della sorgente, la frazione di decadimenti che produce una
determinata transizione gamma e il tempo di misura e la frazione di angolo solido sottesa dal
rivelatore. La prima quantità si ricava dai dati disponibili sulle sorgenti stimando l’attività alla data
delle misure in laboratorio. La seconda è derivabile dagli schemi di decadimento. Il tempo di
misura può essere letto direttamente dal sistema di acquisizione. Per quanto riguarda la frazione di
angolo solido, utilizzate direttamente la distanza sorgente/superficie del rivelatore e l’area nominale
del rivelatore (75 mm di diametro per lo scintillatore NaI(Tl) e 1200 mm2 di area per il rivelatore
HPGe).
Riportate in grafico efficienza misurata verso energia del fotone.
2) Determinazione della curva di efficienza relativa del rivelatore HPGe con sorgente di 152Eu
Come mostrato in Tabella 7.11, i dati delle rese relative sono normalizzati assumendo che la
transizione a 1408 keV abbia resa del 100% .
Analizzate lo spettro gamma ricavando tramite fit gaussiano il numero degli eventi per ogni
transizione gamma (sottraendo opportunamente il fondo). Rinormalizzate le aree dei picchi in
modo da avere il valore nominale 100 per la transizione a 1408 keV. Se ora dividete i valori
sperimentali per quelli tabulati ottenete una curva di efficienza relativa. In figura è mostrata una
curva di efficienza relativa normalizzata al valore 1 per la transizione a 344 keV.
Riportate in grafico i valori dell’ efficienza relativa misurati.
ESPERIMENTO RADIOATTIVITA’ AMBIENTALE
SET UP E CALIBRAZIONE DEL RIVELATORE
NaI(Tl)
Gruppo...........
Padova..........................
Sorgente………
Cartteristiche segnale Amplificatore
Forma Segnale
Vmax
Tempo di salita
(ns)
Livello Rumore
(mV)
Tempo
Enrgia
Guadagno Amplificatore: ......................
SPETTRO DI CALIBRAZIONE
Distanza sorgente rivelatore=.......................cm
Sorgente……………..Attività……………..alla data………………….
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
Analisi spettro
Picco Energia Centroide Sigma
#
(keV)
1
2
Integrale
Risoluzione Energia @...... keV ………………
Risoluzione Energia @...... keV ………………
Efficienza @...... keV ………………
Efficienza @........ keV ………………
SPETTRO DI CALIBRAZIONE II
Distanza sorgente rivelatore=.......................cm
Sorgente……………..Attività……………..alla data………………….
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
Analisi spettro
Picco Energia Centroide Sigma
#
(keV)
1
Integrale
Risoluzione Energia @...... keV ………………
Efficienza @.....
keV ………………
SPETTRO DI CALIBRAZIONE III
Distanza sorgente rivelatore=.......................cm
Sorgente……………..Attività……………..alla data………………….
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
Analisi spettro
Picco Energia Centroide Sigma
#
(keV)
1
Integrale
Risoluzione Energia @...... keV ………………
Efficienza @.....
keV ………………
ESPERIMENTO RADIOATTIVITA’ AMBIENTALE
SET UP E CALIBRAZIONE DEL RIVELATORE
HPGe
Gruppo...........
Padova..........................
Sorgente………
Cartteristiche segnale Amplificatore
Forma Segnale
Vmax
Tempo di salita
(ns)
Livello Rumore
(mV)
Tempo
Enrgia
Guadagno Amplificatore: ......................
SPETTRO DI CALIBRAZIONE
Distanza sorgente rivelatore=.......................cm
Sorgente……………..Attività……………..alla data………………….
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
Analisi spettro
Picco Energia Centroide Sigma
#
(keV)
1
2
Integrale
Risoluzione Energia @...... keV ………………
Risoluzione Energia @...... keV ………………
Efficienza @...... keV ………………
Efficienza @....... keV ………………
SPETTRO DI CALIBRAZIONE II
Distanza sorgente rivelatore=.......................cm
Sorgente……………..Attività……………..alla data………………….
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
Analisi spettro
Picco Energia Centroide Sigma
#
(keV)
1
Risoluzione Energia @.......
Efficienza @........
Integrale
keV ………………
keV ………………
SPETTRO DI CALIBRAZIONE II
Distanza sorgente rivelatore=.......................cm
Sorgente……………..Attività……………..alla data………………….
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
Analisi spettro
Picco Energia Centroide Sigma
#
(keV)
1
Risoluzione Energia @.......
Efficienza @........
Integrale
keV ………………
keV ………………
SPETTRO DI CALIBRAZIONE CON 152 Eu
Distanza sorgente rivelatore=.......................cm
Sorgente……………..Attività……………..alla data………………….
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
Analisi spettro
Picco Energia Energia Centroide Sigma
#
Misurata Tabulata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Integrale
Resa
Relativa
SPETTRO FONDO AMBIENTE
NaI(Tl)
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
Analisi spettro
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Integrale
Origine
SPETTRO FONDO AMBIENTE
HPGe
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
Analisi spettro
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Integrale
Origine
Seconda sessione: analisi di campioni.
1) Ricontrollate le calibrazioni di energia acquisendo brevemente uno spettro con la sorgente
di 22Na.
2) Selezionate alcuni campioni tra quelli disponibili, utilizzate almeno un campione di tipo
inorganico (cemento……) ed un campione di tipo organico. In Fig. 7.10 viene riportato a
titolo di esempio lo spettro del campione di Ossido di Zirconio. Sono disponibili anche due
campioni di bassa attività nota che possono essere utilizzati come standard per misurare l’
attività di altri campioni: un campione di 8 g di KCl di attività nominale 12 Bq per l’
emissione del fotone da 1.4 MeV e un campione di 500 g di acqua con una attività
certificata di 0,0168 Bg/g di 137Cs (attività totale 8 Bq).
3) Rimisurate lo spettro del fondo ambiente per circa 15 minuti e poi misurate ciascun
campione per 15 minuti ciascuno.
4) Analizzate gli spettri ottenuti e riempite le tabelle del protocollo sperimentale. Stimate l’
attività in Bq/kg dei diversi radionuclidi identificati in ciascun campione.
Fig. 8.10 Campione di Ossido di Zirconio
Suggerimenti per l’ analisi dati:
2) Determinazione dell’ attività per i campioni.
La presenza di un determinato radionuclide è verificata dalla presenza nello spettro gamma
(dell’ HPGe e del NaI(Tl)) di un picco all’ energia attesa. Una volta determinata l’area del picco
tramite fit gaussiano e sottrazione del fondo opportuno nello spettro gamma e noto il tempo di
misura, bisogna determinare l’ efficienza di conteggio del sistema di misura. In questo caso
bisogna determinare l’efficienza assoluta di conteggio, che è funzione dell’ energia della
transizione gamma.
Per il rivelatore NaI(Tl) durante la prima giornata sono stati determinati i valori dell’ efficienza
intrinseca di full energy per le energie 59, 511 e 1275 keV (241Am e 22Na). Per ogni transizione
di energia E identificata nel campione, l’efficienza intrinseca può essere ottenuta tramite
interpolazione o estrapolazione dei valori misurati. L’efficienza intrinseca di full energy può
quindi essere utilizzata per correggere i valori misurati ed ottenere il numero di fotoni che
hanno colpito il rivelatore. L’ultima correzione per avere il numero dei fotoni emessi dal
campione è quella relativa all’ angolo solido percentuale. In questo caso considerate come se la
sorgente dei fotoni fosse posta al centro del campione esteso che avete utilizzato e di cui potete
stimare l’angolo solido percentuale. In questo modo potete determinare il numero di
decadimenti al secondo e quindi il valore di Bq/kg.
Per quello che riguarda il rivelatore HPGe, avete a disposizione una curva di efficienza relativa
(misurata con la sorgente di Europio) ed i valori assoluti misurati con le sorgenti di 241Am e
22
Na. Potete normalizzare la curva relativa ai valori sperimentali assoluti ed utilizzare quest’
ultima curva per avere l’ efficienza assoluta di full energy in funzione dell’ energia dei gamma.
Per ogni campione verificate e discutete la differenza tra i valori di Bq/kg determinati con il
rivelatore NaI(Tl) ed HPGe.
SPETTRO CAMPIONE……………………………………
Diametro…………cm
Altezza materiale………….cm
Peso………………..kg
NaI(Tl)
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Integrale
Origine
Attività
(fondo sottratto)
Bq/kg
Origine
Attività
(fondo sottratto)
Bq/kg
HPGe
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Integrale
SPETTRO CAMPIONE……………………………………
Diametro…………cm
Altezza materiale………….cm
Peso………………..kg
NaI(Tl)
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Integrale
Origine
Attività
(fondo sottratto)
Bq/kg
Origine
Attività
(fondo sottratto)
Bq/kg
HPGe
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Integrale
SPETTRO CAMPIONE……………………………………
Diametro…………cm
Altezza materiale………….cm
Peso………………..kg
NaI(Tl)
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Integrale
Origine
Attività
(fondo sottratto)
Bq/kg
Origine
Attività
(fondo sottratto)
Bq/kg
HPGe
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Integrale
SPETTRO CAMPIONE……………………………………
Diametro…………cm
Altezza materiale………….cm
Peso………………..kg
NaI(Tl)
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Integrale
Origine
Attività
(fondo sottratto)
Bq/kg
Origine
Attività
(fondo sottratto)
Bq/kg
HPGe
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Integrale
SPETTRO CAMPIONE……………………………………
Diametro…………cm
Altezza materiale………….cm
Peso………………..kg
NaI(Tl)
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Integrale
Origine
Attività
(fondo sottratto)
Bq/kg
Origine
Attività
(fondo sottratto)
Bq/kg
HPGe
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Integrale
Terza sessione: RADON COUNTING.
1) Recuperate il canister. Sigillatelo con il nastro adesivo originale e pesatelo. Determinato il
water gain come differenza delle pesate, identificate i coefficienti di correzione AC ed AF
dalle tabelle.
2) Ricontrollate le calibrazioni in energia acquisendo brevemente uno spettro con la sorgente
di 60Co.
3) Inserite nel sistema di misura il canister calibrato, acquisite uno spettro per 30 minuti.
4) Inserite ora il canister che avete recuperato. Acquisite uno spettro per 30 minuti.
5) Inserite un canister per la misura di fondo. Acquisite lo spettro di fondo per 30 minuti.
6) Seguendo la procedura descritta in queste dispense determinate l’ attività del campione e
quindi la presenza di radon nell’ ambiente in cui avete eseguito la misura. NB deve essere
determinata l’ attività complessiva del campione e non solo quella relativa a singole
transizioni.
7) Eseguite una misura di un campione di roccia di autunnite e determinatene l’ attività.
Fig. 7.11 Tipici spettri ottenuti con il canister esposto (nero) confrontati con lo spettro di fondo
(blu).
Suggerimenti per l’ analisi dati
Nel caso della misura di Radon, disponete di un campione calibrato che ha la stessa geometria (ed è
fatto dello stesso materiale ) dei canister utilizzati per campionare il materiale radioattivo. La
determinazione dell’ attività del campione esposto può essere fatta semplicemente utilizzando la
stessa finestra di energia per determinare il numero di conteggi nei tre spetti, sia con il NaI(Tl) che
con il rivelatore HPGe. Nel caso del campione di autunite potete utilizzare la stessa finestra di
energia e correggere solo, eventualmente per la distanza centro campione-rivelatore.
RADON COUNTING
CANISTER ESPOSTO
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
NaI(Tl)
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Integrale
Origine
HPGe
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Integrale
Origine
RADON COUNTING
CANISTER (NON ESPOSTO) FONDO
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
NaI(Tl)
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Integrale
Origine
HPGe
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Integrale
Origine
RADON COUNTING
CANISTER CAMPIONE
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
NaI(Tl)
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Integrale
Origine
HPGe
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Integrale
Origine
RADON COUNTING
CAMPIONE DI AUTUNNITE
Tempo di misura………..s
Spettro salvato come…………………………………………………
NaI(Tl)
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Integrale
Origine
HPGe
Picco Energia Centroide Sigma
#
Misurata
(keV)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Integrale
Origine