Misura del coefficiente di emanazione del radon da un materiale poroso
Tecniche sperimentali adottate
Spettrometria gamma ad alta risoluzione con rivelatore al germanio
iperpuro.
Spettrometria alfa in aria di ioni radioattivi trasportati da un campo
elettrico su di un rivelatore al Si a barriera superficiale
Modulistica elettronica richiesta
Catene standard per spettrometria delle radiazioni ionizzanti (P.A.
Amplificatore, ADC, MCA)
Nozioni richieste
Elementi di radioattività e sull’interazione delle radiazioni
ionizzanti con la materia
radionuclidi nell’ambiente
• I radionuclidi prodotti al tempo della formazione del sistema
solare sono sopravvissuti fino a oggi solo se la loro vita medi a è
dell’ordine dell’età della terra (miliardi di anni): radionuclidi
primordiali
• Radionuclidi a vita media più breve sono prodotti naturalmente
per bombardamento dell’atmosfera da parte dei raggi cosmici e
la loro abbondanza è (quasi) all’equilibrio: radionuclidi
cosmogenici
• Radionuclidi a vita media breve (in misura minore anche lunga)
sono prodotti artificialmente per vari scopi (produzione di
energia, armamenti, controlli industriali, diagnostica e terapia
medica, etc): radionuclidi antropogenici
Tra questi
radionuclidi
alcuni presentano
un problema in
più
Decadimenti successivi ed equilibrio radioattivo
t0
N1 0
N2 N3 ...Nn 0
una serie è in equilibrio se
dN1
1 N1
dt
dN 2
1 N1 2 N 2
dt
dN3
2 N 2 3 N3
dt
......................................
dN n
n1 Nn1 n Nn
dt
dNi
0
dt
1 N1 2 N2 .... i Ni
Che equivale a dire
dN1 dN2
dNn
...
dt
dt
dt
Se c’è equilibrio radioattivo, le attività sono uguali tra loro.
Questo fatto ha molte implicazioni di ordine pratico.
Attività di del radon e dei suoi discendenti in un sistema isolato
attività
2,5 0E-03
2,0 0E-03
1,5 0E-03
1,0 0E-03
Rn222
Po21 8
Pb21 4
5,0 0E-04
Bi21 4
Po21 4
1,0 0E-09
0
200 0
400 0
600 0
800 0
Tempo in secondi
La misura della concentrazione di radon si basa sulla misura della concentrazione dei figli
Sulla base di questi parametri si può indirizzare l’attenzione verso quei
suoli e quelle tipologie abitative che lasciano supporre la realizzazione
di alte concentrazioni di radon.
E’ opportuno ricorrere a metodi di
misura integranti per mediare sulle
fluttuazioni stagionali del gas
radioattivo, che condizionano sia la
sua emanazione (fuoriuscita dai
granuli del materiale che contiene il
radio nello spazio interstiziale) che la
sua esalazione (fuoriuscita dal
materiale nell’aria esterna)
Solo il radon che proviene dall’esterno
della linea (superficie) tratteggiata può
sfuggire da un grano.
La maggior parte vi resta intrappolata
La presenza di acqua nei pori facilita la
fuoriuscita de gas
Misurare questa frazione è
importante
Misura del coefficiente di emanazione
Il coefficiente di emanazione si ricava dal rapporto:
Radon emanato / Radon prodotto
Misura del radon generato nel materiale in equiilibrio col predecessore
Dalla spettrometria con rivelatore a GeHP sul campione sigillato, si
ricava l’attività specifica del
222Rn dalle righe a 352 e 609 keV
220Rn dalla riga a 729 keV
Misura del radon emanato, che cresce nella camera secondo la legge:
E
t
C(t)
(1 e )
V
dC E
C
dt V
Il valore di saturazione dell’equazione (E/(V.k) rappresenta la massima
quantità di radon fuoriuscita dal campione ed è l’attività specifica che viene
usata per il calcolo del coefficiente di emanazione. Esso può essere ottenuto
da un best-fit dei dati sperimentali
Se la misura di radon viene effettuata in condizioni di
equilibrio radioattivo (dopo almeno tre ore dalla chiusura
ermetica del campione nel contenitore in cui sarà effettiuata
la misura) l’attività potrà essere misurata a partire da
qualunque degli isotopi della serie in equilibrio con essa.
Per la misura dell’attività totale contenuta nel campione si
ricorre alla spettrometria gamma.
Diseccitazione gamma seguente un decadimento -.
(fenomeno che riguarda la stragrande maggioranza dei decadimenti.
L’esempioi de 137Cs è assolutamente casuale !!!))
137Cs
(30 y)
Schema di decadimento del 137Cs e definizione del
gamma branching
ratio
-1 E1=514 keV, 82.5%
-2
1176 keV, 17,5 %
11/2
-
N 1
branching(662 keV)
N 1 N 2
g.s.
E=662 keV
3/2+
137Ba
662 keV
Spettro alfa mediante rivelatore al germanio (alta risoluzione)
20000
18000
16000
14000
conteggi
12000
10000
Series1
8000
6000
4000
2000
0
1
1001
2001
3001
4001
canali
5001
6001
7001
500
20000
450
400
15000
conteggi
350
300
250
h
10000
200
5000
150
100
0
1600,0
50
1700,0
Energia (keV)
6100
6200
6300
6400
6500
6600
6700
6800
6900
7000
100000
10000
conteggi
0
6000
1650,0
1000
100
10
1
2600
2650
2700
2750
canale (energia)
2800
2850
1750,0
1800,0
Per la misura della frazione emanata, si ricorre alla
spettrometria alfa applicata con un rivelatore particolare.
Rivelatore a raccolta elettrostatica dei prodotti del radon
Verso massa
Rivelatore di particelle
Un campo elettrico creato tra le
pareti della camera e il rivelatore
provoca la raccolta degli ioni 218Po+
(216Po+ per il Thoron) su quest’
ultimo, permettendo la misura dello
spettro delle particelle a emesse.
3500 V
campione
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)
La raccolta elettrostatica
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, ionizzati
positivamente ( Po+), dalle pareti della
cella verso il rivelatore.
Il successivo decadimento degli ioni Po
genera particelle a che possono essere
rivelate.
Traiettorie degli ioni
trasportati dal campo
elettrostatico
Schema del rivelatore a raccolta elettrostatica
Verso massa
Rivelatore di particelle
dw
+
a
Traiettoria di uno ione
Atomo di 222Rn
+
rinculo
Ione di 218Po
+
Traiettoria del 222Rn
prima del decadimento
a
3500 V
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.
Spettro a di sorgenti di
222Rn
e 220Rn
1200
U -238
Th-232
1000
Po216
Bi212
Po212
Po214
800
Po218
600
400
coinc a +
Po210
Bi212
200
0
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
E ( keV)
Questa tecnica consente una misura molto analitica del radon presente
nell’ aria della cella
10000
Da una serie di spettri alfa si ottiene la curva di crescita del radon
nella camera di diffusione ricostruita dall’andamento del 214Po. Il cui
fit permette di ricavare il valore di saturazione
PO214
1200
1000
800
600
y = m1 *(1-exp(- m2*M0))
400
m1
200
m2
Chisq
R
Value
1127
0,0076
6,428e+05
0,98896
Error
6
0,0001
NA
NA
0
0
100
200
300
tempo (h)
400
500
