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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
