Misure di radioattivita’ ambientale o naturale (con spettroscopia gamma)

Isotopi radioattivipresenti nell’ambiente

1- Radionuclidi primordiali2- Radionuclidi cosmogenici3- Radionuclidi prodotti

dall’azione umana1

2

3

Unita’ di misura di dose

Sorgenti di radioattivita’ naturale ed artificiale

La dose media assorbita dal corpo umano per radiazione naturale e’ ≈ 2.4 mSv/yr

Ma dipende molto dai luoghi

puo’ andare da 1 a 10 mSv/yr(con picchi di 50 in casi specifici)

Italy

Unita’ di misura

Dall’emissione...

Sorgente radioattivaAttivita’ → Becquerel, Curie

AssorbimentoDose assorbita → Gray, rad

Danno biologicoDose equivalente/efficace

→ Sievert, rem

...all’assorbimento

Attivita’(Becquerel)

Dose assorbita(gray)

Equivalente didose assorbita

(Sievert)

1 Becquerel (Bq) =1 decadimento

al secondo

1 Curie (Ci) =1 g di 222Ra=37 GBq

Dose assorbita

Dose = energia assorbita per unita’ di massa

D = ∆E/∆mm = massa del

materiale assorbitore,non della radiazione

Unita’ di misuraSI → Gray = 1 J/1 Kgpratico → rad = 100 erg/g

1 Gray = 100 rad

Problema: la stessa dose dovuta a radiazioni diversee/o assorbita da materiali diversiproduce effetti/danni diversi

Dose equivalente

Unita’ di misuraSI → Sievert = QF · Graypratico → rem = QF · rad

fattore di qualita’ QFche tiene conto degli effettiglobali di ionizzazione

La dose assorbita D misura in assoluto la quantita’ di energia assorbita da un'unità di massa. La dose equivalente e’ legata agli effetti biologici della radiazione sull‘organismo. I diversi tipi di radiazione possono essere infatti più o meno dannosiper l'organismo. La dose equivalente si ottiene moltiplicando la dose assorbita perun fattore adimensionale di peso (o fattore di qualita’) che indica la pericolosità del tipo di radiazione.

La radiazione standard con peso 1 e’ quella dei raggi x o γ di 250 keV.

1 Sv = 100 rem

Radiazione QF

fotoni, elettroni 1protoni 5neutroni (varie energie) 5-20particelle α, nuclei pesanti 20

es. 1 Gray (α) = 20 Sievert1 Gray (γ) = 1 Sievert

Dose equivalente

Radioattivita’ naturale: alcuni nuclidi primordiali

Radionuclide Simbolo Tipo decadimento

T1/2

Uranio 235 235U α, SF 7.04·108 yr 0.72% dell’Uranionaturale

Uranio 238238U α, SF 4.47·109 yr 99.3% dell’Uranio

naturale

Torio 232 232Th α, SF 1.41·1010 yrValore medio nellacrosta terrestre

11 ppm

Potassio 40 40K β-, β+ 1.28·109 yr Presente nel terreno0.037-1.1 Bq/g

Altri radionuclidi importanti (Radon, Radio) sono presenti perche’ continuamente prodotti nelle catene di decadimento dell’Uranio e del Torio

1

The 238U decay chain

In questa catena, daldecadimento del Radio 226(T1/2 = 1600 anni) viene prodotto il 222Rn,un gas che decade α,con T1/2 = 3.82 giorni.

Concentrazione del 222Ra: da 1 a 100 Bq/m3 in aria ma puo’ arrivare fino a 20-2000 Bq/in ambienti poco aereati, miniere, cave,...

t1/2 = 1.27· 109 a

Un altro nuclide primordiale molto comune, il 40K (decade β- e β+)

Spettro gamma da un campione di suolo

γ 1468 keV

Radioattivita’ naturale: alcuni nuclidi cosmogenici(Prodotti in atmosfera dal bombardamento dei raggi cosmici)

Radionuclide Simb. Decay T1/2 Metodo produzione

Attivita’naturale

Carbonio 14 14C β- 5730 yr 14N(n,p)14C0.22 Bq/g* inmaterialiorganici

Trizio3H β- 12.3 yr

14N(n,12C)3H 1.2·10-6 Bq/g*

Berillio 7 7Be EC 53.29 days Spallazione su N o O

10-5 Bq/g*

2

*Questi valori rappresentano l’attivita’ media dovuta a quel particolare elemento in un grammo di materia! Un grammo di Trizio puro, ad esempio, ha una attivita’ ben maggiore

teNtA

λλ −⋅= 0)( 23

0 1002.63

1

3

1⋅==

ANN

ATrizio≈ 3.7·1014Bq/g

Radionuclidi prodotti dall’azione dell’uomopresenti nell’ambiente

3

Radionuclide Simb. T1/2 Origine

Trizio 3H 12.3 yr Esplosioni nucleari e reattori a fissione

Iodio 131 131I 8.04 days Esplosioni nucleari e reattori a fissione.Uso in medicina

Cesio 137 137Cs 30.17 yr Esplosioni nucleari e reattori a fissione.Chernobyl

Stronzio 90 90Sr 28.78 yr Esplosioni nucleari e reattori a fissione.

Tecnezio 99 99Tc 2.11·105 yr Esplosioni nucleari e reattori a fissione.

Plutonio 239 239Pu 2.41·104 yr Bombardamento di 238U con neutroni(238U+n → 239U → 239Np+β → 239Pu+β)

Esempio: residui della esplosione del reattore di Chernobylsono ancora presenti nella nostra atmosfera

Radioattivita’ naturale / artificiale: 14C

14C fossile(Rivoluzione industriale)

Test nucleariatmosferici

Attivita’ nel terreno, nel mare e nell’ariadovuta ai radionuclidi

Terreno: la concentrazione dei radionuclidi naturali nel suolo e nelle rocce varia fortemente da luogo a luogo in dipendenza della conformazione geologica delle diverse aree.Valori di attivita’: tra 100 e 700 Bq/kg per il 40K,tra 10 e 50 Bq/kg per i radionuclidi delle serie radioattive del 238U e del 232Th.

Acqua di mare: Uranio 33 mBq/litro40K 11 Bq/litro14C 5 mBq/litroTrizio 0.6 mBq/litro

Aria: la radiazione naturale è dovuta principalmente alla presenza di radonprodotto nelle catene di decadimento del 238U (222Rn) e del 232Th (220Rn). Concentrazione: da 1 a 100 Bq/m3

Valore medio nelle abitazioni italiane 77 Bq/m3

(ma puo’ arrivare fino a 400)

Radon

Radon: un gas nobile e radioattivo che si forma dal decadimento del radio

(con emissione di una particella α), generato a sua volta dal decadimento dell'uranio.

Essendo un gas, entra nell’aria e quindi nei polmoni, rilasciando tutte le radiazioni emesse in successione nella catena dell’uranio (α e β).

Il radon e’ al secondo posto, dopo il fumo,come causa di tumori polmonari

Come abbiamo scoperto che il Radon e’ un problema?

Radiazione di fondoStanley Watras

• Limerick Nuclear Power Plant, Natale1984

• Parte l’allarme radiazione

• Nel basement della casa Rn ~ 100 000 Bq m-3

• Rischio equivalente a 135 pacchetti di sigarette al giorno

Misura della radiazione dei

lavoratori in uscita�Watras

stava entrando!

La distribuzione eterogenea dei progenitori del radon nei diversi tipi dirocce causa una produzione non uniforme di radon. Nei punti di risalita di materiale roccioso, dal mantello verso la crosta, si riscontrano le maggiori concentrazioni.

Il radon emanato e’ rapidamente disperso all'aperto, dove e’ in concentrazioni generalmente basse (0-20 Bq/m3); quando invece è presente al chiuso (diffuso dal suolo o dai materiali da costruzione), a causa del diminuito ricambio di aria esso tende a concentrarsi (fino a centinaia di Bq/m3)

80%19%

1% Le sorgenti principali di radon nelle abitazioni

Il Radon decade alfa e produce a sua volta degli elementi radioattivi che attaccati al pulviscolo vengonorespirati emettendo particelle alfa, pericolose per i polmoni. Polonio e bismuto sono prodotti, estremamente tossici, del decadimento radioattivo del radon.

Livelli medi di concentrazione del radon indoor in Italia per regione.

Veneto: suddivisione del territorio in maglie con la stima della frazione di abitazioni (%) con livelli di radon eccedenti 200 Bq/m3

(considerati quattro intervalli: da meno dell’1% a più del 20%)

Normativa europea: concentrazione media annua di radon inferiore a:• 400 Bq/m3 per edifici già esistenti;• 200 Bq/m3 per edifici di nuova costruzione (da progettare).

> 20

10-20

1-100-1

colli euganei

http://www.fe.infn.it/italrad/

L'obiettivo del progetto ITALRAD(ITALian RADioactivity Project) è quello di realizzare la carta della radioattività naturale del territorio italiano attraverso misure di spettroscopia gamma. Il contenuto di radioisotopi naturali (238U, 232Th, 40K) nelle rocce e nei suoli italiani è investigato mediante misure in laboratorio, in-situ ed airbone.

Apparato utilizzato (nel nostro laboratorio)per le misure di radioattivita’ ambientale

Pozzetto schermato

I campioni di cui si misurera’ l’attivita’ sono inseritinel pozzetto. L’attivita’ gamma verra’ misurata condue rivelatori

Scintillatore NaI(Tl) 3”x3”Germanio Iper-Puro HPGe

Misure

1- Calibrazione in energia ed efficienza dei due rivelatori NaI(Tl) e HPGe

2- Misura del fondo ambientale

3- Misura della radioattivita’ naturale di una serie di campioni

4- Misura della presenza di radon indoor

Rivelatore HPGe (Germanio Iper-Puro)(funziona alla temperatura dell’Azoto liquido, 77 Kelvin)

Dewar (8 ore)di Azoto liquido

Serbatoio (dewar)principale di Azoto liquido (una settimana)

Cristallo di Germanio

Calibrazione in efficienza ed energia dei rivelatoria) misura di efficienza assoluta con sorgenti calibrate di 22Na (gamma

di 511 e 1275 keV), di 249Am (59 keV) e di 60Co (1173 e 1333 keV)b) misura di efficienza relativa del rivelatore HPGe con sorgente

di 152Eu

Misura del fondo ambientale con il rivelatore HPGe

Tipico spettro γ di un rivelatore al germanio misurato per un campione

di terreno. Il tempo di misura ≈ 10 ore. Sono indicati i picchi γ dovuti ai principaliradionuclidi presenti.

La misura del radon indoor in laboratorio

Determinazione dell’attivita’ del radon presente naturalmente in un edificio abitato

- Si usano tecniche standard, identificando le transizioni γ emesse neldecadimento dei nuclei della catena originata dal radon.

- Il radon presente in un determinato ambiente viene assorbito in appositi “canister“ ai carboni attivi che vengono lasciati esposti perdue giorni. I gamma emessi dai nuclei catturati nei “canister“ vengonopoi contati con l’apparato di rivelazione gamma a disposizione.

- Il calcolo dell’attivita‘ di radon per litro d’aria verra’ effettuatoseguendo le norme standard dell’EPA (Enviromental Protection Agency),USA.

- Il primo giorno del turno (lunedi’) il canister va pesato e poi esposto nel locale scelto all’interno del Polo didattico di Via Loredan.Il mercoledi’ il canister viene recuperato, chiuso e sigillato con ilnastro adesivo originale e ripesato. La differenza di peso riscontrato (il water gain) e’ dovuto all’assorbimento dei vapori.

Misura dell’attivita’ del radonnell’ambiente

Confronto tra gli spettri γγγγ del canister esposto (blu) e quelli del fondo (rosso)

Spettro gamma del rivelatore NaI(Tl)

Spettro gammadel rivelatore HPGe