Misura dell’efficienza di un rivelatore di radon in aria a raccolta elettrostatica

• Valenza didattica (aggiunta e principale)

• Contesto

• Tematica

• Individuazione della grandezza da misurare

• Metodologia di misura

•Il caso dei vari isotopi

Tecniche adottate

Spettrometria ad alta risoluzione con rivelatore al germanio iperpuro.

Spettrometria in aria di ioni radioattivi trasportati da un campo elettrico su di un rivelatore al silicio

Modulistica elettronica utilizzata

Catene standard per spettrometria delle radiazioni ionizzanti (P.A., Amplificatore, ADC-MCA)

Nozioni richieste

Elementi di radioattività e nozioni sull’interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia

Tra questi radionuclidi alcuni presentano una caratteristica in più che li rende “interessanti”

Il 222Rn è abbondante ed ha una vita media relativamente lunga (3,82 d)

Il 220Rn è abbondante ma ha una vita media breve (< 60 s)

Il 219Rn è poco abbondante ma ha una vita media breve (< 4 s)

t=0

N1≠0

N2 =N3 =...Nn =0

dN1

dt=−λ1 ⋅N1

dN2

dt=λ1N1 −λ2 ⋅N2

dN3

dt=λ2N2 −λ3 ⋅N3

......................................

dNn

dt=λn−1Nn−1 −λn ⋅Nn

Equazioni che regolano l’andmento dei membri di una serie radioattova

una serie è in equilibrio se

dNidt

=0

λ1N1 =λ2N2 =....=λiNi

dN1

dt=dN2

dt=...=

dNndt

Che equivale a dire

Se c’è equilibrio radioattivo, le attività sono uguali tra loro. Questo fatto ha molte implicazioni di ordine pratico.

p.e.: si può ricavare l’attività di un elemento della serie dalla misura di quella di qualunque altro

Attività di del radon e dei suoi discendenti in un sistema isolato

La misura dell’ attività del radon si basa esclusivamente sulla misura della concentrazione dei figli

S

€

dN incdt

=dN

dt⋅dΩ

4π

€

(dΩ

4π= efficienza − geometrica)

Se si tratta di radiazioni elettromagnetiche:

€

dN int

dt= ε i

E ⋅dN incdt

In generale:

€

dN int

dt= ε i

E ⋅dΩ

4π⋅dN

dt

Per le particelle cariche

€

εiE =1

Efficienza di rivelazione

€

(ε iE =

€

dN

dtSe S emette un flusso isotropo

efficienza intrinseca)

Il radon decade emettendo una particelle a di 5,3 MeV

Può essere utilizzata la rivelazione di questa particella per misurarne l’attività e quindi l’efficienza ?

NO

Perché questa situazione comporta l’impossibilità di osservare spettri utili

€

S = −dE

dx= k

4πe4z 2

m0v2NZ ⋅ln

2m0v2

I

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

€

R =dE

S(E)0

E0

∫

0

200

400

600

800

1000

1200

5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000E (keV)

U-238Th-232

Po218

Bi212

Po216

Po212Po214

Po210 coinc + β

Uno spettro “utile” è questo

La tipica velocità di deriva degli ioni è pari a 104 cm/s.

Il tempo medio di raccolta è 10-3 s, trascurabile rispetto al tempo di dimezzamento del 218Po ( 180 s).

Quindi tutti gli ioni possono in principio raggiungere il rivelatore prima di decadere.

Rivelatore di particelle

3500 V

Verso massa

+

++

rinculo

Traiettoria di uno ione

Traiettoria del 222Rnprima del decadimento

Atomo di 222Rn

Ione di 218Po

Schema del rivelatore basato sulla a raccolta elettrostatica dei p.d.d. ionizzati del radon

La raccolta elettrostaticaLa 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 trasporta i figli del Rn, ionizzati positivamente ( Po+), dalle pareti della cella verso il rivelatore. Il successivo decadimento degli ioni Po genera particelle che possono essere rivelate.

La concentrazione del radon si misura esclusivamente mediante i figli in equilibrio, anche di gamma, quindi anche su campioni solidi

Schema di decadimento del 137Cs e definizione del gamma branching ratio

β-1

g.s.

662 keV11/2-

E=662 keV

137Cs (30 y)

137Ba

E1=514 keV, 82.5%

β-2

1176 keV, 17,5 %

€

branching(662 keV) =Nβ 1

Nβ 1 + Nβ 2 3/2+

Diseccitazione gamma seguente un decadimento β-.

(fenomeno che riguarda (per fortuna) la stragrande maggioranza dei decadimenti)

Una sorgente di radon in aria deve essere confinata e quindi messa in condizione che si raggiunga nel volume di confinamento l’equilibrio radioattivo

La camera radon

Il caso della sorgente di 222Rn (radon)

Si prepara una sorgente do radon a partire da una sorgente di 226Ra (per diffusione)

Si misura l’attività mediante i gamma dei discendenti all’equilibrio

Si introduce il radon nel volume che si vuole caratterizzare

Si esegue la misura col rivelatore da tarare

Si correggono la concentrazione realizzata C e il rateo di conteggi misurato R allo stesso tempo

Si calcola l’efficienza in cps/Bq/L dal rapporto R/C

Tempo di dimezzamento 3.82 d

Il tempo di dimezzamento breve rende difficile la produzione di un campione di

riferimento per l’attività thoron

Tempo di dimezzamento 55.6 s

222222Rn (radon) Rn (radon) 220220Rn (thoron)Rn (thoron)

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20 25

Tempo (d)

Attività (Bq)

Rn222 Po218 Pb214 Bi214 Po214

0

200

400600

800

1000

1200

0 100 200 300 400 500

Tempo (s)

Attività (Bq)

Rn220 Po216 Pb212 Bi212 Tl208

Il tempo di dimezzamento rende possibile la produzione di un campione di riferimento per

l’attività radon

Per una sorgente di thoron questo metodo non è applicabile perché non è possibile realizzare una sorgente

di thoron che duri abbastanza per essere utilizzata

Per disporne occorre inserire nel volume una sorgente del progenitore allo scopo di produrre continuamente thoron, sostituendo quello che decade.

Ma come si misura l’attività del thoron presente in aria senza essere influenzati dal thoron che resta imprigionato dal materiale della sorgente solida ?

Misura del thoron esalato dalla sorgente

Misura, con germanio HpGe, della sorgente sigillata dopo 4 giorni. Questa misura serve a controllare l’equilibrio nella serie del 232Th e a stimare l’attività del 212Pb all’equilibrio.

Misura, con germanio HpGe, della sorgente aperta dopo 10 giorni. Questa misura serve a stimare l’attività del 212Pb in equilibrio con il thoron non emanato dalla sorgente .

0

200

400

600

800

1000

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Tempo (d)

Attività (Bq)

Rn220 Po216 Pb212 Bi212

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1 2 3 4 5Tempo (d)

Attività (Bq)

Ra224 Rn220 Po216 Pb212 Bi212 Tl208

HpGe

Sorgente

220Rn Emanato

HpGe

Sorgente

HpGe

Sorgente

220Rn Emanato

Sorgente sigillata

Sorgente 228Ac interno (Bq) 220Rn emanato (Bq)

MTh2A 2590 ± 80 268 ± 25

MTh2B 2190 ± 70 273 ± 47

MTh4A 4750 ± 100 612 ± 50

MTh4B 3970 ± 120 800 ± 130

MTh4C 3435 ± 140 770 ± 120

STh20A 20700 ± 300 15550 ± 1400

Sorgenti e loro attività

Spettro thoron

0

100

200

300

400

500

600

1200 1450 1700 1950 2200 2450 2700

Canale

Conteggi

Spettro thoron

216Po

210Po

212Po212Bi

0,0000

0,0010

0,0020

0,0030

0,0040

0,0050

0,0060

0,0070

0 100 200 300 400 500 600

Attività specifica(Bq/L)

Efficienza (cps/Bq/L)

216Po

212Bi 216Po212Po