metrologia delle attività umane -...

45ENERGIA, AMBIENTE E INNOVAZIONE 4/06

RIFLETTORE SU

La domanda di accuratezza e di affidabilità nei diversi set-tori di misura è crescente nel tempo. Questa domanda, a

sua volta, richiede con continuità lo sviluppo di nuovicampioni sempre più accurati e di nuove procedure di

taratura. In questo articolo viene presentato il ruolo chel’ENEA svolge come Istituto Metrologico Primario nel set-tore delle radiazioni ionizzanti. Altri articoli, relativi all’atti-

vità dei Centri ENEA come centri secondari di taratura(SIT) nei diversi settori di interesse, saranno presentati nel

prossimo numero della rivista

Os

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uLa metrologia nello sviluppo delle attività umaneRAFFAELE FEDELE LAITANO

ENEAIstituto Nazionale di Metrologia delle

Radiazioni Ionizzanti

Metrology and its impacts onhuman activities certification

The growing needs of accuracy required for measurements inmost sectors of human activitities makes metrology a prere-quisite for improving industrial production as well as human

health and environmental protection. This article outlines themetrology organisation at the international level and describes

role and activities of the National Institute of IonisingRadiation Metrology (INMRI), the italian national metrological

institute. The INMRI is an institute belonging to ENEA that hasthe task to develop and maintain the national primary stan-dards for ionising radiation measurement. In its forthcoming

issue this journal will present the activities carried out by somelaboratories operating at ENEA as secondary calibration cen-

tres in various fields of measurement

46 ENERGIA, AMBIENTE E INNOVAZIONE 4/06

Mria uniformità dei vari sistemi campione èoggi possibile grazie al fatto che gli isti-tuti metrologici nazionali, aventi il compi-to di fare ricerca sui metodi di misura e disviluppare i relativi campioni di riferimen-to, hanno costituito negli anni recenti unastruttura interconnessa a livello internazio-nale. Grazie a tale struttura la confrontabi-lità e l’accettabilità internazionale dei ri-sultati delle misure sono quindi oggi resepossibili.Evidenziare i principali nessi fra sviluppoe metrologia unitamente alla descrizionedella struttura metrologica nazionale e in-ternazionale costituisce lo scopo di que-sta rassegna. In questo quadro, sarà illu-strato in particolare il ruolo istituzionaleche l’ENEA svolge a tal riguardo. L’ENEAha infatti per l’Italia un’importante funzionein campo metrologico poiché svolge, tra-mite il suo Istituto Nazionale di Metrologiadelle Radiazioni Ionizzanti, il ruolo di Isti-tuto Metrologico Primario, cioè di organi-smo cui è demandato per legge il compi-to di sviluppare e mantenere sempre ope-rativi i campioni nazionali di misura, nelsettore delle radiazioni ionizzanti.

2. Origini ed evoluzione dellametrologia

La capacità di effettuare misure affidabiliè stata sempre una delle condizioni per losviluppo delle attività umane sin dalle piùantiche società strutturate.Vi è inoltre sta-ta sempre consapevolezza che una con-dizione di base per l’affidabilità del risul-tato di una misura è che il mezzo di misu-ra usato sia riferibile a un sistema campio-ne ben definito. La riferibilità di una misu-ra esige che lo strumento usato per quel-la misura debba essere “tarato” rispetto aun campione di riferimento. Il campionedi misura di una qualsiasi grandezza mi-surabile è necessario per realizzare l’uni-tà di misura con cui si intende esprimerequella data grandezza. Affinché i risultatidelle misure siano immediatamente com-

1. Introduzione

olti aspetti delle attività umane sonolegati ai risultati di misurazioni. Tali risul-tati sono infatti usati per attuare decisioniin relazione a: processi produttivi, attivitàcommerciali, attività scientifiche e tecno-logiche, problemi sanitari e ambientaliecc.. In concomitanza con lo sviluppo del-le diverse attività, la tipologia delle misu-re è stata nel corso del tempo in continuaevoluzione: dalle misure riguardanti le di-mensioni e la massa degli oggetti, diffusesin dalle epoche più remote, alle misuredel tempo e man mano di tutte le altregrandezze relative ai fenomeni dinamici,termici, elettrici ecc.. Nei periodi più re-centi sono poi diventate sempre più im-portanti le misure di ulteriori grandezzecome quelle legate ai parametri fisiologi-ci umani, agli agenti nocivi nell’ambienteecc.. Con l’evoluzione delle attività uma-ne non è però solo aumentato il numerodi grandezze da misurare ma si è costan-temente evoluta soprattutto la qualità del-le misurazioni. Il continuo progredire del-la tecnologia e dello sviluppo ha infatti ri-chiesto, e continua tuttora a richiedere, siauna sempre maggiore accuratezza nei va-ri metodi di misura sia il continuo svilup-po di metodi innovativi per nuove tipolo-gie di misura. Come sarà illustrato nel se-guito, questo processo è reso possibiledallo sviluppo della metrologia: la scien-za delle misure, la quale si occupa in par-ticolare della definizione (e della evoluzio-ne) delle unità di misura, dello studio edella realizzazione dei loro campioni, del-lo sviluppo dei metodi di misura e dei me-todi di taratura degli strumenti usati pereffettuare le diverse possibili misurazioni.Nel passato i campioni delle unità di mi-sura erano diversi fra paesi (e anche fraregioni dello stesso paese) differenti perconnotati socio-economici e amministra-tivi: una situazione questa, sempre menocompatibile con il progredire degli scam-bi industriali e commerciali. La necessa-

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aver effettuato, nelle misure di lunghezza,la taratura periodica dei propri mezzi dimisura rispetto al campione di riferimen-to di allora1, il “cubito reale”, costituito daun blocco di granito di circa 50 cm (figura1). Fino agli albori dell’età industriale, l’in-teresse delle misure si concentra preva-lentemente nelle misure delle masse, del-le capacità volumetriche e delle lunghez-ze. Con il progredire dello sviluppo scien-tifico e tecnologico, industriale e commer-ciale, l’interesse pratico si estende manmano a misure di sempre più nuove e apiù numerose grandezze (nei settori mec-canico, elettrico, termodinamico ecc.) equindi alla realizzazione dei rispettivi cam-pioni per la taratura degli strumenti di mi-sura di tali grandezze. L’intensificarsi de-gli scambi ha nel tempo attivato l’esigenzadi uniformare entro regioni con confinisempre più ampi i campioni di misura de-finiti in ciascun Paese. Alla fine del secoloXIX, in una fase di grande crescita dellosviluppo industriale, i paesi più industria-lizzati ritennero ormai indifferibile l’attua-zione di un accordo internazionale nel set-tore. E’da questa esigenza che venne si-glato a Parigi nel 1875 un accordo diplo-matico, “La Convention du Mètre”, grazieal quale si concordò fra gli iniziali 17 pae-si firmatari (fra cui l’Italia) di adottare co-me comune sistema di misura il “SistemaMetrico Decimale”. Il nuovo sistema era

prensibili e confrontabili nell’ambito di unacomunità di utenti, è poi necessario chequesti campioni siano concordati e accet-tati come riferimento univoco entro quelladata comunità. In assenza di un tale cam-pione di riferimento le misure dovrebbe-ro essere di volta in volta espresse in uni-tà stabilite arbitrariamente, con l’impossi-bilità di valutare in modo diretto e oggetti-vo l’entità della grandezza misurata e conconseguenze di contenziosi facilmente im-maginabili. Per questo motivo, sin dalle piùantiche società strutturate è vivo l’interes-se nel definire e sviluppare mezzi e pro-cedure di misura unitamente ai primi ru-dimentali campioni di riferimento. La mo-derna scienza delle misure e dei campio-ni di riferimento - la metrologia – vede in-fatti le sue origini già nelle antiche civiltàmesopotamica, egiziana, cinese, greca(per citare quelle più largamente note). Inqueste civiltà ritroviamo infatti autorità pre-poste alla definizione dei campioni e del-le unità di misura cui riferire in modo uni-voco le misurazioni effettuate nell’ambitodei propri territori. L’importanza della cor-rettezza dei risultati di misura è stata sem-pre ritenuta elevata sin dalle più antichesocietà organizzate. Nell’antico Egitto il fa-raone puniva con una pena (che, nel casodi misure attinenti alla costruzione dellepiramidi, poteva anche essere quella ca-pitale) chi forniva risultati sbagliati per non

Figura 1Papiro egiziano incui è raffigurato, inbasso al centro, il“Cubito Reale Egi-ziano”, il campionecui venivano riferi-te le misure di lun-ghezza nell’Egittodei faraoni a parti-re da circa il 3000 aC.1

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sistema metrico venivano abolite in Franciaoltre settecento unità di misura (con no-mi spesso mutuati da parti del corpo uma-no: piede, passo, cubito, pollice, spanna,braccio, ecc) differenti, pur a parità di de-nominazione, nelle diverse località. Nel-l’ambito della “Convenzione del Metro”viene istituito a Sèvres (Francia) il BureauInternational des Poids et Mésures (BIPM)un organismo internazionale2 avente ilcompito di realizzare campioni di misurainternazionalmente riconosciuti – fra i piùimportanti all’epoca, il metro (figura 3) - edi promuovere lo sviluppo della modernascienza delle misure: la metrologia.Una successione di eventi conseguenti aquesto accordo è la creazione, in ciascunPaese, di istituti metrologici con il compitodi sviluppare i campioni nazionali di mi-sura e di confrontarli periodicamente a li-vello internazionale per assicurare l’uni-formità e la comparabilità delle misure. Gliistituti metrologici nazionali nei singoli pae-si nascono in tempi diversi, in funzione delproprio livello di sviluppo, a partire dallaGermania, l’Inghilterra e gli USA con i pri-mi istituti metrologici nel mondo: PTB nel1887, NPL nel 1900 e NBS (oggi NIST) nel1901, rispettivamente. Agli inizi del secoloXXI i Paesi aderenti alla “Convenzione delMetro” sono 51 (dagli originari 17) e inciascuno di questi opera un’istituzione me-trologica per lo sviluppo dei campioni di

basato in larga parte sui rivoluzionari cam-biamenti delle unità di misura già introdot-ti in Francia nel 1795 e dai quali, in partico-lare, era scaturito il metro (figura 2). Il me-tro fu definito come la decimilionesimaparte di un quarto del meridiano terrestrepassante per Parigi. Con l’introduzione del

misura. La tipologia dei campioni che rea-lizzano le unità di misura, è andata anch’es-sa allargandosi nel tempo per soddisfare lecrescenti esigenze di accuratezza nellamisura di grandezze sempre più numero-se. Queste esigenze sono espresse nei piùsvariati settori dell’industria, del commer-cio, della tecnologia, della medicina, del-l’ambiente ecc.. E’ sempre più vasta laquantità di decisioni prese sulla base deirisultati di misurazioni nei più svariati set-tori. Queste decisioni influenzano in mo-do diretto settori dell’economia e della sa-lute umana e da esse può dipendere l’esi-stenza o l’eliminazione di barriere negliscambi internazionali. La riferibilità dellemisure a sistemi campione internazional-mente riconosciuti è un requisito essen-ziale affinché i risultati delle misure sianoaccettati a livello internazionale. Questorequisito può essere soddisfatto solo a con-dizione di disporre di una consolidatastruttura metrologica operante a livello na-zionale e inserita in un contesto interna-zionale di verifiche e controlli. Dal 1875 -anno in cui si attua il primo accordo inter-nazionale sulla metrologia (v. sopra) - l’or-ganizzazione internazionale della metro-logia si è continuamente evoluta fino adassumere la struttura descritta nello sche-ma in figura 4.Anche il sistema delle unità di misura e deicampioni si evolve nel tempo. Oggi le uni-tà di misura uffucialmente adottate da tut-ti i paesi aderenti alla “Convenzione delMetro” sono quelle definite nel “SistemaInternazionale” (SI)3.Negli anni recenti, con il perfezionamen-to dei metodi e delle tecnologie di misu-ra, si è consolidata la tendenza ad abban-donare il concetto di campione inteso co-me oggetto fisico da custodire con gran-de cura in appositi ambienti controllati. Og-gi quasi tutti (e in prospettiva tutti) i cam-pioni delle grandezze fisiche sono invecerealizzati mediante rigorose sequenze dimisurazioni. Ciò è reso possibile dall’in-troduzione di nuove definizioni delle uni-

Figura 2Esemplare di uno deiprimi campioni delmetro a seguito del-l’introduzione del Si-stema Metrico Deci-male in Francia il“18 germinale del-l’anno III” (7 aprile1795)

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Un ruolo di particolare criticità rivestonopoi le misure inerenti alle verifiche sullasalute umana, (le analisi cliniche, le misu-re della temperatura corporea, della pres-sione arteriosa ecc.) e alla salvaguardiaambientale (misure dei contaminanti nel-l’aria e negli alimenti).In tutti questi casi il risultato della misura-zione ha un peso nella fase decisionalesuccessiva alla misura. In un’analisi clini-ca, ad esempio, a seconda dei valori otte-nuti si può decidere (debitamente o inde-bitamente) di iniziare o arrestare una cu-ra medica, oppure in una misura dimen-sionale di un componente industriale sipuò decidere (debitamente o indebita-mente) di utilizzare o scartare quel com-ponente. La correttezza della decisione ei costi delle eventuali azioni di rimedio con-seguenti a misure errate dipendono dal-l’affidabilità della misura.E’ utile ricordare che l’incidenza dei costiconnessi a misurazioni (controlli qualitati-vi) nella produzione di manufatti non è tra-scurabilee e può arrivare fino a circa unquarto del loro valore per prodotti a tec-nologia avanzata, quali si hanno nell’indu-stria aeronautica e automobilistica. Gli in-terventi di rimedio in campo sanitario (ades. le prescrizioni terapeutiche a seguitodi analisi del sangue) o in campo ambien-tale (ad es. le restrizioni nel traffico a se-guito di elevate concentrazioni di inqui-nanti nell’aria) sono strettamente legati airisultati (talvolta corretti, talvolta errati) di

tà di misura delle grandezze fisiche di ba-se, basate essenzialmente su costanti fon-damentali della fisica (la velocità della lu-ce nel vuoto, la carica elementare, la co-stante di Planck, ecc.). Il metro, ad esem-pio, è stato ridefinito nel 1960 come unmultiplo della lunghezza d’onda di unaspecificata radiazione emessa dal Kripton86 e nel 1983 (a tutt’oggi) come la distan-za percorsa dalla luce nel vuoto in un tem-po uguale a 1/299 792 458 di secondo

3. Importanza della metrologianei diversi settori di attività

Come si è già sopra ricordato, misurare èsempre stato un atto connesso con l’attivi-tà umana organizzata. Con il progrediredel livello tecnologico, produttivo, com-merciale e dei servizi, cresce in ciascunpaese anche la necessità di accuratezzanelle misurazioni in settori di attività sem-pre più vasti.Ciò è richiesto dall’esigenza di verificare leproprietà tecnologiche e i connotati fun-zionali che sono sempre più numerosi neiprodotti e nei servizi quando essi evolvo-no qualitativamente. In una società tecno-logicamente sviluppata l’incidenza delleoperazioni di misurazione sul costo finaledi un prodotto o di un servizio è quindisempre crescente. L’incidenza delle mi-surazioni è crescente anche nella vita quo-tidiana di ciascuna persona in una socie-tà sviluppata.Ciascuno di noi impegna una parte nontrascurabile del proprio tempo nell’effet-tuare direttamente delle misure: l’orariodurante il lavoro, gli spostamenti e il tempolibero; i parametri climatici quali la tem-peratura la pressione e l’umidità; il pesodel proprio corpo, ecc.. Ciascuno di noi èinoltre regolarmente interessato al risulta-to di misurazioni che altri effettuano a no-stro carico: i consumi di elettricità, di ac-qua, di gas, l’ora e la durata delle conver-sazioni telefoniche, le pesate del nego-ziante, la velocità della propria auto, ecc..

Figura 3Esemplare di uncampione del metrodel secolo scorso (ba-sato sempre sulla ori-ginaria definizionedel 1795, rimasta inuso fino al 1960) rea-lizzato con una bar-ra di platino-iridio

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necessario disporre di specifici campio-ni di riferimento e di idonei laboratori. Losviluppo dei campioni di riferimento e ladefinizione delle procedure di taratura neipiù svariati settori di misura costituisconoil compito principale della metrologia.La metrologia è una disciplina in continuaevoluzione poiché la domanda di accura-tezza e di affidabilità nei diversi settori dimisura è crescente nel tempo.Questa domanda a sua volta richiede concontinuità lo sviluppo di nuovi campioni(caratterizzati da accuratezze crescenti) edi nuove procedure di taratura.Ogni 10-20 anni, negli ultimi 50 anni, i re-quisiti di accuratezza sono aumentati dicirca un fattore 10 nei diversi campi di mi-sura attinenti principalmente al settore in-dustriale e a quello della salute e dell’am-biente. Una breve rassegna dei settori diattività dai quali la scienza della misura, lametrologia, riceve continuamente una do-manda di crescente accuratezza, sarà uti-le a quantificare l’impegno che oggi gliistituti metrologici sono chiamati a soddi-sfare in ciascun settore di misura.

misurazioni. I costi di questi interventi dirimedio possono essere molto elevati esono indebiti se tali interventi sono conse-guenti a misurazioni errate. Analoghe valu-tazioni valgono nel caso dei costi connes-si a misure non affidabili attinenti a settorid’attività industriali o commerciali.L’affidabilità di una misura è legata a di-versi fattori, ma in primo luogo dipendedall’affidabilità degli strumenti di misura.A sua volta l’affidabilità di uno strumentodi misura dipende dal fatto che esso siaopportunamente tarato.La taratura di uno strumento di misura èla prima indispensabile operazione chepermette di ottenere il valore della gran-dezza che si vuole misurare (ad es. la tem-peratura, il tempo, la velocità ecc.) a parti-re dall’indicazione (ad es. le variazioni diun indicatore numerale o analogico) diret-tamente fornita dallo strumento di misura.Uno strumento di misura non correttamen-te tarato fornisce risultati sbagliati e quin-di non è affidabile.La taratura degli strumenti di misura èun’operazione essenziale per la quale è

Figura 4Organizzazione in-ternazionale dellametrologia(www.bipm.org). La General Conferen-ce on Weights andMeasures (CIPM), co-stituita da esperti inscienza della misuraa livello internaziona-le elabora i temiscientifici su cui sonobasate le decisionidella CGPM. Gli isti-tuti metrologici na-zionali (NMI) concor-rono alle elaborazio-ni del CIPM tramite iComitati Consultivi. IlBIPM è la sede scien-tifica internazionaledove gli NMI con-frontano i rispettivicampioni

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4. L’esigenza di affidabilità nellemisure nei diversi settori di atti-vità

Una domanda di maggiore accuratezza eaffidabilità nelle misure si evidenzia da an-ni sia nel tradizionale settore delle misureelettriche, meccaniche, del tempo, ecc.,sia in nuovi settori d’attività: dalla chimica,alle scienze della salute, dell’ambienteecc.. Le più recenti aree della metrologiasono legate alle necessità di misura nelcampo delle nanotecnologie, delle appli-cazioni laser, delle tecniche optoelettroni-che, della caratterizzazione delle proprie-tà dei nuovi materiali, delle applicazionimediche delle radiazioni ionizzanti, dellaspecificazione e quantificazione dei conta-minanti ambientali (gas e particolato at-mosferico) ecc.. Nel seguito sono esem-plificati alcuni dei settori dove oggi le esi-genze di accuratezza di misura si manife-stano maggiormente e per i quali è richie-sto o un miglioramento della metrologiatradizionale (in termini di maggiore accu-ratezza dei campioni esistenti) o lo svilup-po di sistemi metrologici del tutto nuovi(nuovi campioni). Per una rassegna detta-gliata sul nesso oggi esistente fra la me-trologia e i diversi settori dell’industria edei servizi si veda il rapporto pubblicatosull’argomento dal BIPM4.

4.1 - Stato attuale ed evoluzione del-la metrologia nel settore industriale

In campo industriale è richiesta una ele-vata accuratezza delle misure conseguen-te alle sempre più strette tolleranze impo-ste (nella fase di costruzione e di utilizza-zione) ai componenti e ai sistemi di tipomeccanico ed elettrico/elettronico. Que-sta richiesta riguarda tutti i tradizionali set-tori di misura (misure elettriche, dimen-sionali, di massa, pressione, flusso, umidi-tà ecc.) e quindi i corrispondenti campio-ni di riferimento. Una crescente evoluzione

qualitativa è richiesta in particolare ai cam-pioni di tempo e frequenza che sono allabase dei sistemi di navigazione spazialee dei sistemi di posizionamento. Le imma-gini di oggetti sulla terra fornite dai satelli-ti hanno risoluzioni sempre più elevate (or-mai ben al di sotto del metro), ciò richie-de oggi ai campioni di frequenza (neces-sari per la taratura dei sistemi di posiziona-mento del tipo GPS ecc.) accuratezze mol-to elevate. Gli attuali campioni basati su-gli orologi atomici al cesio consentono in-fatti accuratezze dell’ordine di una partesu 1015. Una grande accuratezza è ancherichiesta nelle misure di fluidi e in parti-colare quelle svolte dall’industria petroli-fera (petrolio e gas). Date le quantità in gio-co, errori di alcune parti su mille possonoin questi casi determinare perdite econo-miche quantificabili in centinaia di milionidi dollari.La necessità di disporre di adeguati siste-mi campione per misure di grandezzequali la forza, la viscosità, l’elasticità, il tra-sferimento di calore, ecc., o per la carat-terizzazione di proprietà quali la granulo-metria di polveri, il colore, gli odori ecc.,costituiscono attualmente un rilevante im-pegno di ricerca e sviluppo per la metro-logia in questi settori.Un particolare impegno si profila per quel-la che viene indicata come la “nanome-trologia”. Da tempo la produzione di ma-nufatti è impegnata con tecnologie che sisono evolute dalle dimensioni microme-triche a quelle nanometriche. Non si trattatuttavia solo di affrontare un problema discala ma di tener conto anche di una fe-nomenologia diversa. Ad esempio la ca-ratterizzazione di una superficie liscia og-gi può richiedere analisi dei materiali do-ve entrano in gioco le strutture caotichedelle superfici quando l’analisi delle strut-ture viene spinta a livello nanometrico. Imetodi di misura sono perciò concettual-mente diversi da quelli usati tradizional-mente per un’analisi più “grossolana” del-la regolarità di una superficie. Nuovi cam-

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le temperature) di parametri quali gasserra, ozono ecc.;

- le biotecnologie (biologia cellulare, bio-chimica, chimica delle proteine, biolo-gia molecolare) nelle diverse aree ap-plicative (medicina, analisi qualitative equantitative, industria, controlli fiscali eforensi ecc.).

Molte di queste misure (in particolarequelle basate su metodi chimici e chimi-co-biologici) non hanno ancora la medesi-ma qualità metrologica di quella raggiun-gibile nella misure di grandezze fisiche(ad es. massa, lunghezza, tempo, ecc.) perle quali si dispone sia di accurati campio-ni di riferimento sia di consolidate proce-dure di taratura per gli strumenti usati nel-le misure correnti. Per molte misure di tipochimico non sono sempre disponibili cam-pioni di riferimento, non sempre i possi-bili sistemi campione sono confrontati a li-vello internazionale e quindi universalmen-te accettati come sistemi di riferimento; inaltri casi essi non sono ancora univoca-mente definibili in quanto a tale scopo po-trebbero essere seguiti approcci concet-tuali fra loro diversi. Stante questa situazio-ne, autorità a livello nazionale e interna-zionale6, 7, 8 da tempo sono impegnate astimolare l’attuazione dei processi di rife-ribilità per le determinazioni di tipo chi-mico, con la messa a punto di campioni edi procedure di misura adeguati alle prin-cipali nuove esigenze di determinazioniquantitative.D’altra parte anche per le misure in cam-po medico e ambientale è necessario ave-re un’adeguata accuratezza, in termini diriproducibilità, confrontabilità e credibili-tà dei risultati ottenuti in tempi e in luoghidiversi. Un risultato non affidabile in questosettore di misure può avere infatti non so-lo conseguenze di ordine sanitario ma an-che di natura economica: basti pensare al-le implicazioni conseguenti ai blocchi deltraffico o alle cure mediche quando questiprovvedimenti sono basati su risultati dimisure non corretti. Pertanto molta parte

pioni di riferimento sono perciò necessa-ri a questo scopo se si vuole comprovare(per esigenze industriali, commerciali,scientifiche ecc) con metodi riproducibilie accettati internazionalmente, che un pro-dotto possiede effettivamente le caratteri-stiche strutturali ad esso attribuite nomi-nalmente. Le esigenze di misurare -e cer-tificare- piccolissime dimensioni riguar-dano un numero crescente di applicazionicome la litografia con UV, l’impiego dei na-notubi e dei fullereni, la deposizione di filmsottili su vetri o metalli, l’uso di fibre otti-che per telecomunicazioni,” l’electron tun-neling”, tecniche associate alla micromec-canica e alla farmacologia, ecc.5.

4.2 - I problemi della riferibilità metrologica nel settore ambientale esanitario

Le misure fatte per scopi medici e per lasalvaguardia ambientale (ad es. le misu-re di colesterolo nel sangue o di polveri egas nell’aria, di radiazioni ionizzanti incampo medico e ambientale) sono an-ch’esse sempre più numerose e di vastatipologia. Queste misure riguardano in par-ticolare:-la diagnostica e la terapia medica (ad es.

le analisi cliniche in diagnostica e la do-simetria in radioterapia);

- il controllo della presenza di agenti chimi-ci o biologici nocivi negli alimenti o disostanze estranee nell’organismo uma-no (antidoping);

- il controllo della presenza di contaminan-ti chimici o fisici nell’aria o nelle acque(ad es. misura delle concentrazioni digas nocivi, di particolato, ecc.);

- la verifica della presenza di organismigeneticamente modificati (OGM) neglialimenti;

- la verifica dei livelli di rumore, fumo, vi-brazioni, ecc. in ambienti di lavoro o pub-blici;

- il monitoraggio del cambio climatico glo-bale mediante la misura (oltre che del-

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La metrologia riguardante le biotecnologie è sempre più importante per la crescente quantità di misure nel settore (9). Il suo obiettivo èdi rendere riproducibili, affidabili e confrontabili metodi di misura basati su tecniche molto diversificate (NMR, spettroscopia a fluorescen-za, spettrometria di massa, cromatografia su liquidi ecc.), per i quali non esistono campioni di riferimento in senso tradizionale e per moltidei quali non si ha ancora un adeguato livello di standardizzazione.

Diagnostica medica Alimenti Ambiente Biotecnologie(*)

Colesterolo nel sangue Pb nel vino Cd e Pb nell’acqua Estrazione del DNApotabile

Glucosio nel sangue As nei frutti di mare Gas serra CO2, CH4 Quantificazione del DNAnell’ambiente

Creatina nel sangue Elementi (e,g, Cu, Cd,Zn) Emissioni di SF6 e CFC Quantificazione del nel vino rapporto peptidi/proteine

Elementi in traccia (Pb,Se) As, Se, Hg, Pb, metil-Hg Ozono nell’arianel sangue nel tonno

Ca nel siero Cd, Zn nel riso Pb/Cd nei sedimenti

Droga nell’urina Gamma HCH/p,p - DDT Metalli negli scarti dinel pesce miniere rocciose

Steroidi anabolizzanti Contaminanti organici Umidità nei combustibilinell’urina nelle cozze fossili

Ormoni nel sangue Metil-mercurio nel salmone PAH nei terreni e neisedimenti

Elementi in traccia nella Emissioni di SO2 in farina di soia impianti industriali

Antibiotici nella carne

Ormoni della crescita Zolfo nei combustibilinella carne

Vitamine e minerali Etanolo in matriciacquose

Tabella 1 - Alcuni esempi di analisi di tipo chimico-fisico (per analisi cliniche, o per misure di Contaminanti/sostanzenocive in matrici ambientali e alimentari) per le quali sono iniziati studi di riferibilità metrologica a livello internazio-nale da parte del BIPM e di Istituti metrologici nazionali9

dell’attività di ricerca metrologica è oggidedicata alla soluzione di questo problemadi riferibilità, strettamente connesso all’af-fidabilità delle misure nei settori dell’am-biente, e della salute e alla loro reciprocaaccettabilità sul piano internazionale. Nel-la tabella 1 sono riportate alcune tipolo-gie di misura per le quali il CIPM e il BIPM(figura 4) ha da tempo iniziato un’attivitàdi studio e di standardizzazione affinchéper tali misure si possano realizzare deiriferimenti campione9. Questo studio ècondotto prevalentemente dagli istituti me-trologici nazionali di diversi paesi e ha co-me obiettivo la possibilità di certificare inmodo univoco, e uniforme a livello inter-nazionale, l’affidabilità delle misure anchenel settore chimico-fisico d’interesse incampo medico e ambientale. La misuradelle radiazioni ionizzanti è invece quelsettore, fra le misure in campo medico eambientale, in cui negli anni recenti si ègià raggiunta una ragguardevole affidabi-

lità. Ciò è principalmente dovuto alla ri-cerca e allo sviluppo che negli ultimi an-ni si sono avuti sui metodi sperimentali pereffettuare misure assolute e per realizza-re quindi idonei campioni primari di rife-rimento. Della metrologia delle radiazioniionizzanti si descriveranno più oltre i prin-cipali sviluppi, in relazione a quanto è sta-to realizzato a tutt’oggi presso l’Istituto Na-zionale di Metrologia delle Radiazioni Io-nizzanti dell’ENEA.

5. Costi-benefici derivanti dallo sviluppo dei programmi metrologici

I costi legati alle operazioni di misura nel-le attività industriali, commerciali, sanita-rie, ambientali, ecc., di un paese sviluppa-to ammontano a valori stimati fra il 3% e il6% del suo PIL10. Una parte ridotta, ma es-senziale, di questi costi riguarda lo svilup-po e il mantenimento delle attività metrolo-giche nel paese, quale prerequisito per

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dio sul rapporto costi-benefici per le attivi-tà di misura e prova nei paesi sviluppati16.Lo studio esamina in particolare i settoridelle nanotecnologie, dell’industria auto-mobilistica e farmaceutica, dei controllisull’inquinamento ambientale, della dia-gnostica medica. Da questo rapporto siapprende che nella UE si spendono circa83 miliardi di euro per misure e prove neidiversi settori di attività. Ad esempio, cir-ca 13 miliardi di euro annui sono spesi perattività legate a misure e prove in camposanitario e circa 5 miliardi di euro annuiper misure legate ai controlli delle emis-sioni nocive nel settore automobilistico. Lametrologia, quale prerequisito per l’affi-dabilità delle misure in tutti i settori di at-tività, emerge da quest’analisi come fatto-re essenziale affinché questa non trascu-rabile spesa non sia affetta da sprechi esia ottimizzata con positivi ritorni di na-tura economica e sanitaria. In definitiva, gliistituti metrologici nazionali, soprattuttoquelli nei paesi più sviluppati, hanno unimpatto sempre più marcato sulla compe-titività nazionale e internazionale e sullaqualità della vita nel proprio paese.

6. La metrologia negli scambi internazionali e i recenti accordi multilaterali nel settore

Fra le cause che tradizionalmente hannodato luogo a barriere commerciali negliscambi internazionali vi è sempre stata lamancanza di un reciproco riconoscimen-to dei risultati di misure e di prove tese acertificare la reale rispondenza di un pro-dotto (o servizio) alle caratteristiche de-nunciate. Alla base di questo problema viè stata la non immediata accettazione deicertificati di taratura (degli strumenti di mi-sura) emessi dagli istituti metrologici na-zionali dei diversi paesi. Analogo proble-ma si è posto tradizionalmente per i cer-tificati di prova (di strumenti, materiali eprodotti vari) a causa della non compara-bilità dei metodi di prova seguiti nei rispet-

l’affidabilità di tutti i processi di misura. Ilritorno economico degli investimenti sulleattività metrologiche è stato quantificatoed è di sensibile entità. I paesi che inve-stono una percentuale dello 0.006% delloro PIL in metrologia sono in grado diraggiungere un più avanzato sviluppo diquelli il cui corrispondente investimentoè solo di un quarto inferiore (4). Esempiin questa direzione sono quelli degli StatiUniti d’America, Singapore e la Repubbli-ca di Corea in relazione ai processi di mi-sura richiesti per lo sviluppo nei settoridelle nuove tecnologie, della produzionealimentare, dei farmaceutici, della salute(misure cliniche e strumentazione asso-ciata). In quest’ultimo settore, ad esempio,il beneficio derivanti dai costi metrologici(richiesti per realizzare campioni di rife-rimento per le diverse tipologie di misu-ra) è stato analizzato da diversi studi delNIST11, 12, 13. Si è valutato al riguardo cheuna sovrastima (dovuta a errore) del 3%nelle misure di colesterolo può dar luogoa un incremento del 5% di risultati falsi po-sitivi che a loro volta determinano control-li ripetuti (con costi aggiuntivi) o interven-ti medici (di cui non vi è in realtà necessi-tà). In generale anche piccoli errori in que-sto campo possono dar luogo a costi in-debiti sia in termini economici che di tiposanitario. In USA in particolare, la spesa le-gata alla cura della salute umana (circa1300 miliardi di dollari annui) è circa il 14%del PIL (con riferimento al 2001). I citatistudi del NIST evidenziano inoltre che il10% di questa spesa è dovuta a costi permisurazioni (per diagnostica clinica e te-rapia) e che circa il 30% di questi ultimicosti potrebbe essere risparmiato se sievitasse di ripetere misurazioni a seguitodi errori o del mancato uso di procedurestandardizzate e basate su campioni di ri-ferimento. La conclusione è che gli inve-stimenti nelle infrastrutture metrologichenazionali siano fra quelli a più elevato ri-torno in termini di benefici14, 15. Anche laCommissione Europea ha avviato uno stu-

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tivi paesi. Ciò ha sempre avuto come con-seguenza la ripetizione di misure e provenei paesi importatori/esportatori con unevidente aggravio di costi, di ritardi e dicontenziosi sui risultati.Un importante evento finalizzato a elimi-nare le barriere tecniche al libero scam-bio di beni e servizi, ha avuto luogo a Pa-rigi il 14 ottobre 1999: la firma di un Ac-cordo di Mutuo Riconoscimento (MRA) re-lativo ai campioni, alle misure e alle tara-ture17. Tale accordo è stato firmato dai re-sponsabili degli istituti metrologici naziona-li (per l’Italia erano rappresentati l’IstitutoElettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris,l’Istituto di Metrologia Gustavo Colonnettidel CNR e l’Istituto Nazionale di Metrolo-gia delle Radiazioni Ionizzanti dell’ENEA)con incarico ad essi conferito dalle auto-rità nazionali (per l’Italia i Ministeri delleattività produttive e degli esteri). La siglaMRA denota l’Accordo di mutuo riconosci-mento dei campioni nazionali di misura edei certificati di taratura e misura emessidagli Istituti Metrologici Nazionali. L’accor-do specifica, in un ampio e dettagliato te-sto i vincoli da rispettare per il mutuo ri-conoscimento della validità dei campioninazionali e dei certificati di taratura ad es-

si riferiti e impegna quindi ciascun paesefirmatario a mantenere l’operatività degliistituti metrologici nazionali ai livelli pre-scritti. L’accordo ha dunque lo scopo difornire ai governi un fondamento tecnicoper ridurre le barriere negli scambi inter-nazionali riguardanti: attività produttive ecommerciali, dati ambientali, sanitari, sta-tistici e tutto ciò che sia dedotto da un pro-cesso di misurazione e che attenga all’at-tuazione dei Sistemi Qualità nella produ-zione, nei servizi, nella pubblica ammini-strazione. L’MRA fissa le condizioni allequali si possono accettare i certificati ditaratura, di misurazione e di prova emessidagli Istituti Metrologici Nazionali e dai la-boratori ed organismi accreditati in altripaesi. La validità di questo accordi è quin-di legata all’accuratezza dei campioni dimisura nazionali e dei certificati di taratu-ra e di misura emessi dagli Istituti Metrolo-gici Nazionali. A questo scopo gli IstitutiMetrologici Nazionali devono: a) effettuareperiodicamente, sotto il controllo di orga-nismi internazionali nel settore (BIPM, EU-ROMET ecc.), misure e confronti interna-zionali tesi a stabilire il grado di equiva-lenza dei campioni nazionali di misura svi-luppati in ciascun paese, b) comprovare a

Figura 5La pubblicazione ri-portata in figura(consultabile al sitoin rif. 2) descrive itermini dell’ “Accor-do di mutuo ricono-scimento dei campio-ni nazionali di misu-ra e dei certificati ditaratura e misuraemessi dagli istitutimetrologici naziona-li” (MRA)

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cesso di accreditamento è svolto in ogniPaese dal proprio organismo di accredi-tamento competente con il coinvolgimen-to del rispettivo Istituto Metrologico Nazio-nale. L’organismo italiano per l’accredita-mento dei Centri di Taratura è il SIT (Servi-zio di Taratura in Italia)19. Esistono analo-ghi organismi negli altri paesi. Tali organi-smi si coordinano a livello europeo trami-te l’EA (European cooperation for Accre-ditation, e a livello extraeuropeo tramitel’ILAC (International Laboratory Accredi-tation Cooperation). Anche questi organi-smi di accreditamento internazionali20, 21

hanno siglato specifici accordi multilate-rali che, per i Centri di Taratura, hanno fina-lità analoghe (uniformità di regole, verifi-che delle capacità tecniche, affidabilitàecc.) a quelle che ha l’MRA per gli IstitutiMetrologici Primari. Grazie a questi ac-cordi, l’operazione di accreditamento for-nisce una condizione di garanzia della esi-stenza, verificata a livello internazionale,di mezzi tecnici e procedure che compro-vano l’equivalenza dei certificati emessi.L’obiettivo di questa operazione è di otte-nere misure credibili e accettabili ovun-que,, diminuendo l’importanza di continue,costose e spesso non necessarie azioni dimisura e di certificazione condotte ripeti-tivamente nei vari paesi.Tutto ciò in definitiva fornisce agli utilizza-tori una garanzia aggiuntiva dei prodotti edei servizi che, acquisendo una accetta-zione valida internazionalmente, possonocircolare liberamente nel mercato mon-diale, attenuando gli effetti di eventuali bar-riere commerciali.

7. La struttura della metrologiain Italia e il ruolo dell’ENEA inquesto settore

In ogni paese sviluppato esiste un IstitutoMetrologico Nazionale (NMI) avente il com-pito ufficiale di sviluppare il sistema di rife-rimento primario per la misura di tutte legrandezze d’interesse. Un tale sistema è

livello internazionale le proprie capacitàdi taratura e misura (CMC)), c) attuare unidoneo Sistema Qualità a dimostrazione esupporto dei propri metodi sia sul pianotecnico che organizzativo. Al fine di con-sentire una armonizzazione dei diversi si-stemi di qualità in attuazione della normaISO/IEC 17025, gli istituti metrologici eu-ropei partecipano alle iniziative del Quali-ty System Forum dell’EUROMET e al pro-getto INITIATION della Comunità Euro-pea.Il testo dell’MRA, i firmatari dell’accordo,i risultati dei periodici confronti interna-zionali fra gli istituti metrologici, le capaci-tà di taratura e misura validate dalla comu-nità metrologica internazionale per cia-scun istituto nazionale, sono consultabili alsito web del BIPM: www.bipm.org. Una sin-tesi in italiano del testo dell’MRA è ripor-tata in18.L’accordo internazionale sulla metrologiaora descritto, avrebbe rischiato di vederecompromesse le sue finalità se il sistema divalidazione e controllo che l’MRA esercitasugli Istituti Metrologici Nazionali non sifosse esteso anche ai Centri di Taratura.Questi sono laboratori idoneamente at-trezzati e con competenti risorse umane,i quali sono accreditati per effettuare la ta-ratura degli strumenti di misura. In ciascunpaese, gli Istituti Metrologici Primari sonoimpegnati prevalentemente nell’attività diricerca e sviluppo sui campioni primari dimisura e nel mantenimento della loro ef-ficienza tramite continue intercomparazio-ni internazionali. Si tratta di un impegnoche non consentirebbe di soddisfare con-temporaneamente anche le quotidiane ri-chieste di taratura provenienti da tutto ilterritorio nazionale. L’attività di taratura de-gli Istituti Metrologici Nazionali è per forzadi cose limitata solo ad alcune tipologie ditaratura, laddove la gran parte delle esi-genze in questo campo viene soddisfattaper l’appunto dai Centri di Taratura. Que-sti laboratori devono poter essere accre-ditati per svolgere questa funzione. Il pro-

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costituito, come si è sopra descritto, daicampioni nazionali delle unità di misura del-le diverse grandezze. L’Italia pur essendouno dei paesi firmatari del primo accordometrologico internazionale (la “Conventiondu Mètre” del 1875, v. sopra) solo negli an-ni recenti ha formalmente istituito il propriosistema metrologico nazionale. In prece-denza i campioni di riferimento per le di-verse tipologie di misura erano stati svilup-pati e resi disponibili per la taratura deglistrumenti di misura nel Paese solo in un am-bito scientifico e volontaristico. Entro que-sto ambito operavano infatti tradizionalmen-te l’Istituto di Metrologia G. Colonnetti(IMGC) del CNR, l’Istituto Elettrotecnico Na-zionale G. Ferraris (IEN) e successivamen-te il Laboratorio di Metrologia delle Radia-zioni Ionizzanti (LMRI) dell’ENEA. Ciascu-no di questi tre organismi era di fatto ricono-sciuto a livello nazionale e internazionalecome l’istituzione detentrice dei campioniprimari di misura nei rispettivi settori dicompetenza: l’IMGC del CNR per le misu-re termiche, meccaniche ecc., l’IEN nel set-tore elettrotecnico, del tempo, ecc., il LMRIdell’ENEA per le misure delle radiazioni io-nizzanti. Nessuno di questi tre organismi

aveva tuttavia il riconoscimento formale diistituto metrologico nazionale da parte del-la legislazione italiana. Questa carenza le-gislativa, che rendeva l’Italia unica eccezio-ne nell’ambito dei paesi sviluppati (tutti do-tati di un proprio istituto metrologico nazio-nale riconosciuto per legge), venne colma-ta con l’approvazione della Legge n. 273,11 agosto 1991, che istituisce il sistema me-trologico nazionale. L’importanza pratica diquesto atto legislativo può essere misuratadal fatto che, in sua assenza, ciascuno in Ita-lia avrebbe potuto in linea di principio ri-vendicare il ruolo di detentore dei campio-ni primari di misura facendo quindi venirmeno il fondamentale requisito in base alquale i campioni nazionali di ciascuna uni-tà di misura devono essere, per definizio-ne, unici per ciascun Paese. La legge n.273/1991 riconosce il ruolo di fatto svoltodai tre organismi citati designando ciascu-no di essi quale istituto metrologico prima-rio nel proprio settore di competenza.Nel 2006 gli istituti IMGC-CNR ed IEN sonostati accorpati in un unico organismo, l’Isti-tuto Nazionale di Ricerca Metrologica (IN-RIM), e quindi gli istituti metrologici prima-ri in Italia sono attualmente: INRIM ed IN-

BIPM EUROMET“campioni”

EA, ILAC“accreditamento”

INRIM

UTENTI(industria, sanità, ricerca)

IENGF

IMP IMP

INMRI - ENEA

IMGC-CNR ENEA - INMRI

Servizio di TaraturaSIT

(centri accreditati)

Il Sistema nazionale di Taratura in Italia e nel contesto interno azionale. Per lo sviluppo e la validazione dei campioni nazionali gli istituti Metrologici Primari (IMP) dei diversi Paesi operano unitamente al BIPM e (a livello europeo) all’EUROMET. L’accreditamento dei Centri SIT è controllato dall’EA e dall’ ILAC

Figura 6Il sistema nazionale

di taratura in Italia ècostitutito dagli isti-tuti metrologici na-zionali, INRIM (nelquale sono di recen-te confluiti i due isti-tuti metrologiciIENGF e IMGC-CNR)ed INMRI-ENEA, e daicentri di taratura SIT

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ternazionale grazie al fatto che esso soddi-sfa i requisiti scientifici e organizzativi pre-visti dall’accordo internazionale di mutuoriconoscimento (MRA) sopra citato. Que-sto tipo di certificazione di taratura è l’unicoad essere riconosciuto per l’attuazione deiSistemi di Qualità che oggi tutti i laboratoriche forniscono prestazioni scientifiche al-l’esterno (in campo industriale, sanitario,ecc.) sono ormai chiamati ad adottare.Nell’ambito del Sistema Nazionale di Tara-tura, l’ENEA ha dunque il ruolo di IstitutoMetrologico Primario nel settore delle ra-diazioni ionizzanti e questo ruolo è svoltodall’Istituto Nazionale di Metrologia delleRadiazioni Ionizzanti (INMRI). L’INMRI è unistituto costituito dall’ENEA nel 1991 pres-so il Centro Ricerche della Casaccia comeevoluzione del Laboratorio di Metrologiadelle Radiazioni Ionizzanti. Questo laborato-

MRI-ENEA operanti nei rispettivi settori dicompetenza. A questi due istituti fa capo larete dei centri secondari di taratura ope-rante nell’ambito del Servizio di Taratura inItalia (SIT). Questi centri sono laboratori au-torizzati, in quanto tecnicamente e organiz-zativamente idonei, ad effettuare la taratu-ra di strumenti di misura nei diversi settorid’interesse, in quanto accreditati dal SIT ericonosciuti perciò a livello internazionale. Icentri SIT hanno, fra gli altri obblighi, quel-lo di tarare periodicamente i loro campionisecondari rispetto ai corrispondenti cam-pioni primari sviluppati presso ciascunodei due istituti metrologici nazionali di com-petenza. Il sistema nazionale di taratura, co-stituito dagli istituti metrologici primari edai centri SIT ad essi riferibili (si veda loschema in figura 6), può emettere certifi-cazione di taratura riconosciuta a livello in-

Tabella 2 - Grandezze e unità SI per la misura delle radiazioni ionizzanti

Grandezza Nome Nome speciale(simbolo) (simbolo)

Esposizione (per raggi X e g) coulomb al kilogrammo(C/kg)

Energia specifica joule al kilogrammo gray(J/kg) (Gy)

Dose assorbita, kerma joule al kilogrammo gray(J/kg) (Gy)

Equivalente di dose, joule al kilogrammo sievertequivalente di dose am biente, (J/kg) (Sv)equivalente di dose direzionale, equivalente di dose personale

Rateo di dose assorbita, rateo di kerma joule al kilogrammo gray al secondo al secondo

(J/kg s) (Gy/s)

Rateo di equivalente di dose, joule al kilogrammo sievert rateo di equivalente di dose ambiente, al secondo al secondorateo di equivalente di dose direzionale, (J/kg s) (Sv/s)rateo di equivalente di dose personale

Attività (di un radionuclide) secondo alla meno uno becquerel(s-1) (Bq)

Concentrazione di attività (di un radionuclide) secondo alla meno uno becquerel al kilogrammo al kilogrammo

(s-1kg-1) (Bq/kg)

Fluenza di particelle metro alla meno due(m-2)

Rateo di fluenza di particelle metro alla meno due al secondo(m-2/s)

Rateo di emissione di particelle secondo alla meno uno(s-1)

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Grandezza fisica Campione Radiazione Intervallo Intervallodi riferimento di accuratezza di misura

(§)

Esposizione (#) •Camera a ionizzazione Raggi x 10-50 kV 0,5 - 1 (3 10-8 - 2 10-4) C kg-1 s-1

ad aria libera per basse energie•Camera a ionizzazione Raggi x 60-300 kV 0,5 - 1 (2 10-8 - 9 10-6) C kg-1 s-1

ad aria libera per medie energie•Camera a ionizzazione Radiazione 0,8 – 1.3 (2 10-8 - 9 10-6) C kg-1 s-1

di trasferimento ** gamma del137 Cs•Camera a ionizzazione a cavità con pareti di grafite

Kerma in aria (#) •2 Camere a ionizzazione Raggi x 10-50 kV 0,5 – 1 (1 10-7 -7 10-3) Gy s-1

ad aria libera per basse e 60-300 kVe medie energie con procedure di conversione esposizione/kerma•Camera a ionizzazione Radiazione 0,8 – 1.3 (7 10-7 - 3 10-4) Gy s-1

di trasferimento con procedura gamma del137 Csdi conversione esposizione/kerma **•Camera a ionizzazione a cavità Radiazione 0,5 (2 10-4 - 7 10-3) Gy s-1

con pareti di grafite con procedura gamma del60 Csdi conversione esposizione/kerma

Equivalente •2 Camere a ionizzazione Raggi x 10-50 kV 0,5 - 1 (8 10-7 - 8 10-3) Sv s-1

di dose ambiente, ad aria libera per basse e 60-300 kVdirezionale e medie energie con fantocci e personale (#) per l’irraggiamento

e procedura di conversione kerma/equivalente di dose•Camera a ionizzazione Radiazione gamma del60Co 0,5 (2 10-4 - 8 10-3) Sv s-1

a cavità con fantocci per l’irraggiamento e procedura di conversione kerma/equivalente di dose

Dose assorbita: •Calorimetro in grafite Radiazione gamma del60Co 0,5 - 0,7 (2 10-3 - 2 10-2) Gy s-1

in grafite •Calorimetro ad acqua “ “ “in acqua (#) (in fase sperimentale)

•Calorimetro in grafite “ “ “e camera a ionizzazione a cavità in fantoccio d’acqua

Dose assorbita: •Camera a ionizzazione sorgenti beta di 204Tl, 147Pm, 3 (3 10-7 - 5 10-4) Gy s-1

in materiali tessuto ad estrapolazione 90Sr/90Y e 85Krequivalenti (#)

Kerma in aria •Camera a ionizzazione Radiazione gamma del192Ir 1,1 (1 10-4 - 7 10-3) Gy s-1

di riferimento (#) di trasferimento con procedura di coneversione esposizione/kerma rif. **

Emissione •Bagno al solfato Sorgenti di neutroni 0,4 (105 - 107) s-1

di neutroni di manganese di Am-Be e 252Cf•Contatore Lungo “ “ “ 0,7 (103 - 107) s-1

(Long Counter) *

Neutron •Campione di densita di flusso Neutroni termici 0,8 1.2 104 cm-2 s-1

Flux Density di neutroni termici **

Attività •Sistema di conteggio Emettitori b e b-g 0,1 - 3 (1 - 20) kBqa coincidenza 4pb-g•Rivelatori a NaI a pozzetto Emettitori g-g e 222Rn 0,5 - 3 (1 - 20) kBq•Camera a ionizzazione Emettitori g 0,2 - 3 (10 - 2 104) kBqad alta pressione*•Spettrometro gamma HPGe * Emettitori g 1 - 5 (1 - 105) Bq•Cella elettrostatica Radiazione del 222Rn 1 (1 - 15) kBq

Concentrazione •Camere radon Radiazione del222Rn (e figli) 2 - 10 (102 - 104) Bq/m3

di attività di diverso volume

* Campione secondario di alta precisione.** Sei sorgenti di neutroni Am-Be con moderatori di grafite e polietilene, con metodo di misura per attivazione neutronica dell’oro.(§) Valori corrispondenti alla incertezza tipo composta (1σ) in %.(#) L’intervallo di misura è riferito al rateo della grandezza, poiché tale riferimento può essere più significativo.

Tabella 3 - I campioni nazionali per la misura delle radiazioni ionizzanti operanti presso l’INMRI-ENEA e lerispettive grandezze SI di cui questi campioni realizzano l’unità di misura. Le caratteristiche dei sistemi campio-ne sono descritte nel D. M. n. 591/19916. Nella tabella sono riportati anche gli intervalli di misura, i livelli di accu-ratezza e i tipi di radiazione per la cui misura i campioni sono stati progettati

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8. La domanda nazionale nel campo della metrologia delle radiazioni ionizzanti

L’attività metrologica svolta dall’INMRI–ENEAè essenziale per l’affidabilità delle misuredelle radiazioni ionizzanti nel Paese, e in par-ticolare per l’attuazione dei Sistemi Qualità,nei settori della medicina, della radioprote-zione e della ricerca scientifica. Un presup-posto essenziale per quest’affidabilità è infat-ti la taratura degli strumenti di misura che,nel settore delle radiazioni ionizzanti, è peral-tro richiesta dalla normativa nazionale e inter-nazionale. I soggetti che a livello nazionalenecessitano regolarmente dell’attività del-l’INMRI-ENEA (metodi di misura e certifica-zioni di taratura degli strumenti nel settoredelle radiazioni ionizzanti) comprendono:- i centri ospedalieri di radioterapia;- le agenzie per la protezione ambientale

(ARPA) di tutte le Regioni italiane;- gli organismi centrali di vigilanza e con-

trollo, in particolare l’APAT;- gli organismi della protezione civile e

della difesa;- le industrie che impiegano o producono

radioisotopi o strumenti di misura delleradiazioni ionizzanti;

- le università e i centri di Ricerca;- i centri SIT (presso industrie ed enti pub-

blici) accreditati per la taratura di stru-mentazione radiologica.

I complessi sperimentali campione svilup-pati - con le associate procedure di tara-tura - dall’INMRI-ENEA riguardano tutte letipologie di misura delle radiazioni ioniz-zanti d’interesse nei settori sopra specifica-ti. Le classi di strumenti di misura per iquali l’INMRI-ENEA ha realizzato i sistemidi taratura includono in particolare la stru-mentazione per:- dosimetria per la radioterapia con foto-

ni, elettroni, protoni;- dosimetria personale e ambientale per

radiazione x, beta, gamma e neutronica.- misura della radioattività in varie matri-

ci ambientali (aria, acqua, terreni, ali-

rio, nato nel 1980, scaturiva a sua volta daun’attività nel settore metrologico svolta nel-l’ente sin dai primi degli anni settanta.Prima del 1991 l’attività metrologica svoltadall’ENEA, pur non dettata da alcun com-pito di legge, si poneva comunque l’obiet-tivo di sviluppare sistemi di misura campio-ne nel campo delle radiazioni ionizzanti. Siintendeva in tal modo realizzare le condi-zioni tecnico-scientifiche per svincolare ilpaese da una sudditanza economica e tec-nologica, essendo necessario, prima di al-lora, rivolgersi a istituti metrologici all’este-ro per la taratura di strumenti di misura del-le radiazioni ionizzanti.Sulla base del livello qualitativo comprova-to a livello internazionale e sulla base del-l’unicità delle attività di questo laboratorioin ambito nazionale, I’ENEA veniva poi de-signato, nel corso della iniziativa legislativasull’organizzazione della metrologia in Ita-lia, come uno dei tre istituti metrologici pri-mari nazionali.Per assolvere il compito di istituto metrolo-gico nazionale l’ENEA, tramite l’INMRI, svol-ge attività di ricerca e sviluppo per realizza-re i campioni nazionali per la misura delleradiazioni ionizzanti.L’esistenza di questi sistemi campione è ilpresupposto per garantire a livello nazio-nale l’affidabilità delle misure delle radia-zioni ionizzanti e la loro comparabilità a livel-lo internazionale. Infatti i complessi di mi-sura usati correntemente nel paese per lediverse esigenze forniscono risultati signi-ficativi solo se essi hanno la possibilità diessere tarati rispetto ai campioni nazionali diriferimento riconosciuti a loro volta a livellointernazionale. L’insieme delle attività svol-te dall’INMRI costituiscono il presuppostoper l’affidabilità delle misure delle radia-zioni ionizzanti e per l’attuazione dei Siste-mi di Qualità nei seguenti settori:- radioterapia e radiodiagnostica medica;- radioprotezione in campo ambientale,ospedaliero e industriale;- trattamento, sterilizzazione e diagnosi dimateriali mediante radiazioni ionizzanti.

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menti ecc.).- misura della contaminazione radioattiva

superficiale.Nel paragrafo seguente è descritta breve-mente la funzione e la tipologia degli ap-parati sperimentali studiati e messi a pun-to presso l’INMRI- ENEA per realizzare icampioni nazionali di misura delle radia-zioni ionizzanti.

9. I sistemi di misura campione sviluppati dall’INMRI-ENEA per la misura delle radiazioni ionizzanti

I sistemi campione dell’INMRI-ENEA com-prendono circa 20 linee sperimentali cuisono associati i relativi impianti d’irraggia-mento (irradiatori per radiazione alfa, be-ta e gamma, macchine a raggi x, sorgentineutroniche, sorgenti dei più importanti ra-dionuclidi incluso il radon, un acceleratore“Microtrone” da 20 MeV. Con questi appa-rati sperimentali è possibile effettuare la mi-sura assoluta delle grandezze del SistemaInternazionale (SI) relative alle radiazioniionizzanti ed elencate nella tabella 2. I si-stemi campione consentono quindi di rea-lizzare l’unità di misura di riferimento perciascuna di queste grandezze. Le unità dimisura SI realizzate presso l’INMRI-ENEAsono poi trasferite, tramite i processi di ta-ratura, dai campioni nazionali agli strumen-ti di misura normalmente usati per scopipratici. La misura delle grandezze fisicheper gli scopi pratici correnti è sempre basa-ta, in tutti i settori di misura, sull’uso di stru-menti tarati (rispetto ai propri campioni diriferimento). Una misura assoluta è inveceuna misura che utilizza strumenti non tara-ti preventivamente rispetto a campioni del-la grandezza oggetto della misura. Una ta-le misura richiede che siano soddisfattesperimentalmente le condizioni che sonoalla base della definizione della grandez-za d’interesse. I sistemi campione, una vol-ta riconosciuti come campioni nazionali, so-no unici in un dato paese poiché deve esse-re garantita l’unicità dell’unità di misura che

quel paese adotta. Questa unità di misuradeve essere poi coerente con le analogheunità realizzate e adottate negli altri paesi.L’unicità di questo riferimento non implicaperò che esso rimanga statico nel tempo:ciascun campione (relativo a ciascuna del-le grandezze SI) è infatti oggetto di miglio-ramento continuo consentendo misure asso-lute e quindi unità di misura sempre più ac-curate.Tutto ciò si riflette sulla possibilità dieffettuare misure sempre più accurate an-che al livello dell’utente finale nelle diver-se attività produttive, commerciali, scienti-fiche, sanitarie ecc..Per far fronte ai diversi tipi di misure richie-ste nei diversi settori d’interesse (si vedapar. 7) è necessario disporre di un ampionumero di campioni primari.Questi apparati sperimentali sono elencatinella tabella 3 unitamente alle grandezzedi cui realizzano l’unità di misura SI 3, all’in-tervallo di misura e all’accuratezza corri-spondente. Il sistema dei campioni nazio-nali consente la misura assoluta di grandez-ze quali: la dose assorbita, l’esposizione,l’equivalente di dose (nelle sue diverse ac-cezioni), la concentrazione di attività di ra-dionuclidi (incluso il radon e la sua proge-nie), la fluenza di neutroni, ecc. I diversi ti-pi di campioni primari e di metodi di taratu-ra sviluppati presso l’INMRI-ENEA sono ingrado di far fronte a tutte le principali esi-genze nei vari settori di misura quali la ra-dioterapia, radiodiagnostica, radioprotezio-ne, trattamento di materiali con alte dosiecc.. L’INMRI-ENEA ha il compito di man-tenere e sviluppare le caratteristiche di que-sti apparati di misura ai livelli qualitativi chegli accordi internazionali sulla metrologiaprimaria impongono.Le caratteristiche e le funzioni di ciascunodi questi apparati di misura campione, ne-cessari per poter effettuare la taratura de-gli strumenti di misura correntemente usa-ti per la misura di radiazioni ionizzanti, sonoriportate nel Decreto Ministeriale 591/1993che elenca e descrive tutti i campioni pri-

segue a pag 64

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Fra le diverse grandezze fisiche introdotte nel Sistema Internazionale (SI) per la misura delleradiazioni ionizzanti, la grandezza “esposizione” è di particolare importanza. L’esposizionemisura la capacità di ionizzare l’aria da parte della radiazione x e gamma. Una volta nota laquantità di ionizzazione (ovvero la carica elettrica) prodotta in una data massa di aria da par-te di questo tipo di radiazione, è possibile determinare il valore di un’ulteriore grandezza, la “do-se assorbita”, legata all’energia che quella medesima radiazione può cedere a una massa diqualsiasi altro mezzo diverso dall’aria (ad esempio un organismo biologico). L’importanza del-la dose assorbita deriva dal fatto che essa è direttamente correlabile agli effetti biologici del-le radiazioni ionizzanti, sia per le applicazioni in radioterapia sia per esigenze di radioprotezio-ne. Per misurare l’esposizione è necessario usare strumenti opportunamente tarati. La taratu-ra richiede il riferimento a uno specifico campione primario il quale effettua una misura as-soluta della grandezza, cioè una misura che non necessita di alcuna taratura preventiva. Il cam-pione in questione misura quindi la grandezza esposizione (il cui simbolo è X) sulla base del-la sua definizione:

XX((PP,,EE))==ddQQddmm

dove dQ è la carica di un solo segno generata, in una massa dm di aria centrata nel punto P,da fotoni di energia E. E’ richiesto inoltre che dQ sia la carica che si produce in aria quandotutti gli elettroni generati dai fotoni nella massa dm sono arrestati completamente in aria. In dQnon va incluso il contributo di carica prodotto dalla radiazione di frenamento (bremsstrahlung)degli elettroni secondari generati dai fotoni primari. L’unità di misura dell’esposizione nel Siste-ma Internazionale (SI) è il coulomb al chilogrammo (C/kg). In Italia il campione primario nazio-nale di esposizione realizzato presso l’Istituto Nazionale di Metrologia delle Radiazioni Ionizzan-ti dell’ENEA, è costituito da un gruppo di tre apparati sperimentali progettati per misure as-solute alle diverse energie della radiazione. Questi sistemi di misura, basati tutti su particolaricamere a ionizzazione, sono fra loro molto diversi essendo differenti le condizioni di misuradell’esposizione alle diverse energie della radiazione x e gamma.La misura assoluta dell’esposizione è molto impegnativa a causa dei numerosi fattori corret-tivi da determinare (sia teorici che sperimentali) e dei piccoli valori di corrente (fino a 10-16

A) che si devono poter misurare con la necessaria accuratezza (0,01%). I fattori correttivi sononecessari per tener conto delle differenti condizioni sperimentali rispetto a quelle richiestedalla definizione dell’esposizione.Con partricolari sistemi dosimetrici (le cosiddette camere a ionizazione “a cavità”) tarati permisurare l’esposizione, si può poi determinare la dose assorbita in acqua che è la grandezzad’interesse per la radioterapia. Per la conversione da esposizione a dose assorbita in acquasi fa ricorso alla cosiddetta “teoria della cavità” che attiene a uno specifico settore della fisicadelle radiazioni ionizzanti.

Figure 7 e 8I sistemi campione“camera ad aria libe-ra” (al centro dellafoto a destra) e “ca-mera a cavità”(indi-cata dalla freccia nel-la foto a sinistra) rea-lizzati presso l’Istitu-to Nazionale di Me-trologia delle Radia-zioni Ionizzanti del-l’ENEA per la misuraassoluta dell’esposi-zione dovuta, rispet-tivamente, a radia-zione x con energiada 50 a 300 keV e aradiazione gammada 1,25 MeV

Scheda 1 - I campioni primari realizzati presso l’ENEA per lamisura della “esposizione”, una grandezza di largo uso nellamisura delle radiazioni ionizzanti

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Figure 9 e 10Nella foto a sinistraè mostrato un parti-colare di uno dei si-stemi campione - ilsistema di conteggioin coincidenza 4πβ-γ - realizzati pressol’Istituto Nazionale diMetrologia delle Ra-diazioni Ionizzantidell’ENEA per la mi-sura assoluta dell’at-tività dei radionucli-di. La foto a destramostra il sistemacampione camera ra-don (da circa 1000 li-tri) per la taraturadei sistemi di misuradel radon

Le misure riguardanti i radionuclidi sono d’interesse in campo ambientale per poter monito-rare la presenza di sorgenti radioattive nonchè la loro variazione nel tempo e nelle diversematrici ambientali (aria, terreni, alimenti ecc.). Le misure relative ai radionuclidi sono inoltresempre più importanti in campo medico, sia per la radiodiagnostica (analisi PET e SPECT)sia per la radioterapia oncologica (brachiterapia). In quest’ultimo caso l’accuratezza di mi-sura deve essere la più elevata possibile. La grandezza d’interesse per tutti questi tipi di misu-re è “l’attività” di un radionuclide, definita come: dove dN è il numero di trasformazioni nu-cleari spontanee che hanno luogo nel tempo dt in una determinata massa di un dato radio-nuclide (la sorgente radioattiva). Nota l’attività si può determinare l’energia emessa da unasorgente radioattiva nel suo processo di decadimento, una volta che siano conosciute le mo-dalità con cui essa emette radiazione (lo schema di decadimento). Questa energia è poi im-portante per determinare la dose assorbita cioè la grandezza fisica correlata agli effetti bio-logici negli organismi che possono aver interagito con le radiazioni emesse dalla sorgente.L’unità di misura dell’attività nel Sistema Internazionale (SI) è il secondo alla meno uno (s-1). Aquesta unità è assegnato il nome speciale becquerel (Bq). Quindi 1 Bq è l’attività di una sor-gente radioattiva che decade con una trasformazione nucleare al secondo.Le misure di attività dei radionuclidi richiedono una grande varietà di strumenti (spettrome-tri, contaminametri, contatori con scintillatori solidi o liquidi, ecc.) ciascuno dei quali necessi-ta di una specifica taratura. La taratura richiede a sua volta un campione primario in grado dieffettuare una misura “assoluta” di attività, cioè una misura che non ha bisogno di alcuna ta-ratura preventiva.Anche i campioni primari per le misure di attività sono costituiti da apparati sperimentali didiverso tipo. Essi sono infatti progettati in funzione dello schema di decadimento che caratteriz-za un dato radionuclide (tipo di particelle emesse, energia e correlazioni temporali fra di esse,tempo di dimezzamento, ecc.). Per la categoria dei radionuclidi che decadono con emissio-ne di radiazione beta e gamma in rapida successione temporale (praticamente in coincidenzarispetto alla risoluzione temporale del circuito di misura) uno dei principali campioni primaridi attività è il “sistema di conteggio in coincidenza 4πβ-γ. Con questo apparato sperimentale sidetermina l’attività di una sorgente da una misura della radiazione beta e gamma emessa dalradionuclide. Questa misura è particolarmente complessa a causa dei numerosi effetti fisici estrumentali che alterano il risultato della misura se non tenuti debitamente in conto.Nota l’attività della sorgente ottenuta con il sistema campione, si possono realizzare ulteriorisorgenti - diverse per massa, forma e attività - da utilizzare per la taratura dei vari tipi di stru-menti di misura di uso corrente.Numerosi altri campioni sviluppati presso dell’Istituto per misure di attività sono basati su me-todi di misura diversi. Fra questi, particolare importanza rivestono le camere radon dove ven-gono prodotte atmosfere con radon a diverse concentrazioni per la taratura dei sistemi di mi-sura del radon ambientale.

Scheda 2 - I campioni primari realizzati presso l’ENEA per lamisura dell’ attività dei radionuclidi

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mari su cui è basato il Sistema Nazionaledi Taratura. Nelle due schede seguenti so-no delineati a titolo esemplificativo i metodidi misura su cui sono basati alcuni dei si-stemi campione sviluppati presso l’INMRI-ENEA. I metodi sperimentali descritti ri-guardano due tipologie di misure assolu-te, fra loro molto diverse e sviluppate persoddisfare le esigenze di taratura in tre di-stinti settori applicativi: la radioprotezione, laradiodiagnostica medica e la radioterapiaoncologica.

Questi sistemi di misura, come del resto tut-ti gli altri sistemi campione, sono oggettodi continua evoluzione in funzione della cre-scente richiesta di affidabilità delle misuree dello sviluppo delle conoscenze scientifi-che nei rispettivi settori.Una dettagliata descrizione dei compiti isti-tuzionali, delle attività e delle attrezzaturesperimentali dell’Istituto Nazionale di Me-trologia delle Radiazioni Ionizzanti è ripor-tata nel sito web dell’Istituto22.

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