Gruppo F

Francesco FacchinelliAlessandro GazzoliGianluca MariottiniFrancesco MasieroLorenzo ValbusaGiorgio Valerin

Tutor:Carlos Rossi Alvarez

Liliana MouVirginia Strati

Introduzione alla radioattivitàTipi di misurazioneRivelatori a semiconduttore (HPGe)Preparazione dei campioni di rocceAnalisi degli spettri dei campioniRivelatore a scintillazione (NaI)Acquisizione misure in situ Analisi degli spettri acquisiti in situConclusioni

Sommario

Perché proprio la radioattività?La radioattività naturale (natural background) si può

classificare secondo l’origine in due categorie generali:

PRIMORDIALE COSMOGENICA

Th

Si origina continuamentedai raggi cosmici

provenienti dallo spazio

Orginatasi con la formazione della Terra 

U KHC Be

Gli elementi che ci interessa misurare sono 40K, 232Th e 238U poichècaratterizzano la maggior parte del fondo radioattivo naturale

43%

8%15%

20%

13% 1%

Radon

Cibo e acquapotabile

Terra

Medicina

Raggicosmici

Attivitànucleariumane

Decadimento Alfa

Decadimento Beta

Decadimento Gamma

La radioattività è attorno a noi!La radioattività è un fenomeno fisico naturale che si verifica quando il nucleo di un atomo instabile raggiunge un nuovo stato di equilibrio emettendo radiazioni.

1 Bq = 1 decadimento al secondo

La radioattività viene quantificata in termini di disintegrazioni per unità di tempo

1) Effettofotoelettrico

3) Produzione di coppie

I meccanismi di assorbimento Fotoelettrico

e Compton includonosoltanto l’interazioni con gli

elettroni orbitali.

Nel caso di fotoni di energia più grande di 1.02MeV, occorre la produzione di

coppie dove l’energia elettromagnetica viene trasformata in massa.

annichilazione

Principali interazioni dei fotoni con la materia

2) Effetto Compton

Per  poter essere rivelati i raggi gamma devono prima creare una particella carica e/o trasferire energia alle particelle cariche. 

Catene di decadimento (U e Th)A differenza del potassio che è un emettitori gamma, ricaviamo le concentrazioni di uranio e torio a partire dai decadimenti di alcuni nuclei figli delle loro catene di decadimento

È necessario assumere l’equilibrio secolare

… in situ… in laboratorio … in volo

~ 10 m~ 0.1 m ~ 100 m~ 10 m

Spettroscopia gamma a diverse scaleSpettroscopia gamma a diverse scale

RIVELATORI A SEMICONDUTTORE

I rivelatori al germanio

Le bande di energia nei solidi cristallini

Banda di valenza: insieme di valori dienergia che possiede un elettrone legatoall’atomo.

Banda proibita: insieme di valoridi energia che un elettrone nonpuò possedere.

Banda di conduzione: costituita da livellienergetici vuoti, disponibili ad essereoccupati da elettroni provenienti dallabanda di valenza.

Nei solidi cristallini la struttura dei livelli energetici più esterni degli atomiviene modificata, raggruppandosi in fasce chiamate bande.

Isolanti, semiconduttori e metalli

eVEgap 105÷≈ eVEgap 1≈

A temperature prossime allo zero assoluto il semiconduttore si comporta da isolante. All’aumentare della temperatura alcuni elettroni migrano nella banda di conduzione e la conduttività del materiale aumenta  

Elettroni e lacuneOgni volta che un 

elettrone abbandona la banda di valenza lascia dietro di sé uno stato di vuoto chiamato lacuna, che si comporta come una particella di carica 

positiva. 

In assenza di un campo elettrico l’ultimo stadio del processo dieccitazione è la ricombinazione degli elettroni con le lacune e ilritorno ad uno stato neutro del cristallo.

‐

n

‐ ‐ ‐ ‐+ + + + +

‐ ‐ ‐ ‐ ‐

+ + + + +

p

Cariche libere

Il funzionamento deidetector a semiconduttoresi basa quindi sulleproprietà della giunzionep‐n.

n

+

‐

p

Regione di svuotamento

Una radiazione incidente sulla zona attiva del rivelatore (zona di svuotamento) produrrà delle coppie ione‐lacuna che sotto 

l’influenza del campo elettrico esterno si sposteranno creando una corrente che può essere così rivelata.

Giunzioni p-n

Con i 2 rivelatori al germaniosono stati misurati campioni

preparati con rocce raccolte sulterritorio della Regione Veneto

Il rivelatore deve esseremantenuto alla temperaturadell’azoto liquido (‐195.80 °C),per evitare che il caloredell’ambiente ecciti glielettroni facendoli passaredalla banda di valenza a quelladi conduzione.

Misure con Rivelatore HPGe

IL SISTEMA MCA_RAD

Ubicazione dei punti di raccolta

54 CAMPIONI DI ROCCIA

1) FRANTUMAZIONE DEI CAMPIONI DI ROCCIA2) RIEMPIMENTO DELLE SCATOLETTE (200 cc)

Preparazione dei campioni

3) PESATURA ED ETICHETTAMENTO DELLE SCATOLETTE CON CODICE A BARRE

Preparazione dei campioni…

…la loro misura

3) DISPOSIZIONE DEI CAMPIONI NEL SISTEMA MCA_RAD

4) INSERIMENTO DEI DATI NEL PROGRAMMA CHE GESTISCE LA

MISURA

Avviare la misura ed aspettare…

Analisi dei dati

I risultati ottenuti dall’analisi dei dati vengono salvati ed elaboratiusando il programma Excel.

L’analisi dati viene eseguita in automatico dal computer avendo adisposizione l’informazione della calibrazione energetica dei due rivelatori.

40K

40K

206Tl

206Tl

Elenco Dati

Il Potassio è misurato in%, Uranio e Torio in ppm

I risultati ottenuti sono stati messi in relazione con delleinformazioni geologiche quali la litologia e la formazionegeologica del singolo campione.

…e dopo una lunga e penosa analisi dei risultati siamo riusciti costruire dei grafici molto interessanti….

0

5

10

15

20

25

30

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,5 3 4 7,5

Freq

uenz

a

Classe ‐ K [%]

K [%]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 14

Freq

uenz

a

Classe ‐ eU [ppm]

eU [ppm]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1 2 3 4 5 10 20 65

Freq

uenz

a

Classe ‐ eTh [ppm]

eTh [ppm]

Analisi di tutti i campioni

E’ necessario confrontare i risultati delle abbondanze con i dati relativi alle informazioni geologiche raccolte nel database

Ma come classifichiamo le 

rocce?

La classificazione delle rocceLe rocce vengono classificate in base alla propria origine: 

1) ROCCE MAGMATICHE:si originano dalla solidificazione del magma

• ACIDE • BASICHE Contenuto di silice (SiO2 )

2) ROCCE SEDIMENTARIE: si formanodalla deposizione e litificazione deisedimenti

• TERRIGENE [SiO2 ] • CARBONATICHE [ calcite CaCO3] 

3) ROCCE METAMORFICHE:le rocce vengono sottoposte a metamorfismo: le condizioni

ambientali cambiano profondamenteCALCARE MARMO

+

‐

ROCCE SEDIMENTARIE PARTICOLARI….La matrice composizionale

TERRIGENESiO2

CARBONATICHE

CaCO3

La DOLOMIA è un particolare tipo di rocciacarbonatica.I CALCARI sono costituiti essenzialmente da calcite (carbonato di calcio).

Le DOLOMIE sono rocce calcareecontenenti anche una determinatapercentuale di magnesio; il lorominerale costituente è la dolomite(doppio carbonato di calcio emagnesio).

ROCCE SEDIMENTARIE PARTICOLARI….

SEDIMENTARIE CARBONATICHE

SEDIMENTARIE TERRIGENE

VULCANICHE BASICHE

VULCANICHE ACIDE+

‐

K  + U + Th

‐ Silice (SiO2 )

+ Silice (SiO2 )

Le diverse classi di roccia hanno diverse affinitàcon gli elementi radioattivi

RIOLITI

GRANITI

BASALTI

ARENARIE

CALCARIDOLOMIE

SILTITI

La radioattività naturale nelle rocce

La radioattività delle rocce metamorfiche dipendefortemente dalla roccia originaria (protolito).

ANALIZZIAMO LE NOSTRE ROCCE….

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

Dolomia Calcari Marne Sedimentarieterrigene

Metamorficheterrigene

Metamorfichevulcaniche

Vulcanichebasiche

Vulcanicheacide

K [%

]Concentrazione di Potassio

0

2

4

6

8

10

12

14

Marne Sedimentarieterrigene

Calcari Metamorficheterrigene

Vulcanichebasiche

Metamorfichevulcaniche

Dolomia Vulcanicheacide

eU [p

pm]

Concentrazione di Uranio

0

10

20

30

40

50

60

Calcari Dolomia Marne Sedimentarieterrigene

Vulcanichebasiche

Metamorfichevulcaniche

Metamorficheterrigene

Vulcanicheacide

eTh [ppm

]Concentrazione di Torio

I RIVELATORI A SCINTILLAZIONE:

I rivelatori a ioduro di sodio (NaI)

Rivelatori a ScintillazioneInterazione della radiazione (ionizzazione e eccitazione)

Processi di diseccitazione (emissione di luce)

Raccolta della luce di scintillazione

Conversione dei fotoni luminosi in elettroni (segnale elettrico)

Amplificazione e processamento del segnale elettrico

Scintillatore

Guida di luce

Foto-rivelatore

}

}

}

Caratteristiche degli scintillatoriVANTAGGI• Gli scintillatori possono essere utilizzati a 

temperatura ambiente, perciò sono molto utili per effettuare misure in situ in quanto sono facilmente trasportabili.

• Le misure effettuate con gli scintillatori sono molto rapide (circa 5 minuti per misura).

SVANTAGGI• Gli scintillatori hanno una bassa risoluzione rispetto ai rivelatori al 

Germanio• Le misure sono influenzate dalla geometria del sito analizzato• È necessario utilizzare un coefficiente di correzione per il Radon 

presente nell’aria per determinare la concentrazione dell’Uranio

Confronto fra uno spettroottenuto con un rivelatoreHPGe e NaI

NaI

HPGe

FASI DELLE MISURAZIONI IN SITU• Posizionare lo zaino distante da edifici o infrastrutture• Fornire tensione al rivelatore attraverso il computer• Avviare la misurazione e allontanarsi per non contaminare i risultati• Ripetere la misura ad 1 metro da terra• Registrare le coordinate GPS del luogo analizzato

Sono state effettuate 14misure in 7 punti differenti

Ubicazione delle misure in situ

ANALISI DELLE MISURE IN SITU:

Analisi e calibrazione degli spettri

jRadView: analisi degli spettri

40K1460 keV

232Th2614 keV

0

100

200

300

400

500

600

456

624

792

960

1128

1296

1464

1632

1800

Energy (keV

Coun

ts

Cesium

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

456

624

792

960

1128

1296

1464

1632

1800

1968

2136

2304

2472

2640

2808

Energy (keV)

Coun

ts

Potassium

Potassium

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

456

624

792

960

1128

1296

1464

1632

1800

1968

2136

2304

2472

2640

2808

Energy (keV)

Coun

ts

Thorium

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

456

624

792

960

1128

1296

1464

1632

1800

1968

2136

2304

2472

2640

2808

Energy (keV)

Coun

ts

Uranium

Lo spettro misurato viene ricostruito con la combinazione degli spettri fondamentali di potassio, uranio, torio, cesio e 

background.

Metodologia di analisi deglispettri acquisiti con NaIMetodologia di analisi deglispettri acquisiti con NaI

Calibrazione e rebinningLa calibrazione energetica fa si che il sistema associ ad ogni canale il corretto valore di energia

40K1460 keV 232Th

2614 keV

• Il rebinning invece serve ad adattare lo spettro sperimentale a quelli standard,rendendouguale il rapporto keV/Ch

40K1460 keV 232Th

2614 keV

y = 0,952x

0,50,70,91,11,31,51,71,92,12,32,5

0,5 1 1,5 2 2,5

k [%

] ‐1m

k [%] ‐ 0m

y = 0,9956x

2

2,5

3

3,5

4

2 2,5 3 3,5 4

eU [p

pm] ‐

1m

eU [ppm] ‐ 0m

y = 0,9739x

7

8

9

10

11

12

13

7 8 9 10 11 12 13

eTh [ppm

] ‐1m

eTh [ppm] ‐ 0m

y = 0,6282x

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Cs [c/s] ‐

1m

Cs [c/s] ‐ 0m

ANALISI MISURE IN SITUStudio dell’attenuazione dell’aria

• Abbiamo misurato la radioattività ambientale sia analizzando campioni di roccia che acquisendo spettri con un rivelatore portatile.

• Abbiamo analizzato le rocce prelevate sul territorio della Regione Veneto. 

• Per l’analisi dei dati i campioni sono stati raggruppati secondo un criterio geologico notando dei comportamenti simili per le varie litologie analizzate.

• Le rocce più radioattive sono le rocce vulcaniche e in particolare quelle acide

• Le rocce carbonatiche e in particolare le dolomie sono le rocce meno radioattive analizzate.

• Nelle misure da 1 metro si ha un’attenuazione della radiazione osservata dal rivelatore rispetto alle misurazioni effettuate da terra.

CONCLUSIONI

Grazie per l’attenzione!