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