Gruppo F
Francesco Facchinelli
Alessandro Gazzoli
Gianluca Mariottini
Francesco Masiero
Lorenzo Valbusa
Giorgio Valerin
Tutor:
Carlos Rossi Alvarez
Liliana Mou
Virginia Strati
Sommario
y Introduzione alla radioattività
y Tipi di misurazione
y Rivelatori a semiconduttore (HPGe)
y Preparazione dei campioni di rocce
y Analisi degli spettri dei campioni
y Rivelatore a scintillazione (NaI)
y Acquisizione misure in situ y Analisi degli spettri acquisiti in situ
y Conclusioni
Perché proprio la radioattività?
La radioattività naturale (natural background) si può
classificare secondo l’origine in due categorie generali:
PRIMORDIALE
COSMOGENICA
Si origina continuamente
dai raggi cosmici
provenienti dallo spazio
Orginatasi con la formazione della Terra U
K
Th
C
H
Be
Radon
13%
1%
Cibo e acqua
potabile
43%
20%
Terra
Medicina
15%
Raggi
cosmici
8%
Attività
nucleari
umane
Gli elementi che ci interessa misurare sono 40K, 232Th e 238U poichè
caratterizzano la maggior parte del fondo radioattivo naturale
La radioattività è attorno a noi!
Decadimento Alfa
La radioattività è un fenomeno fisico naturale che si verifica quando il nucleo di un atomo instabile raggiunge un nuovo stato di equilibrio emettendo radiazioni.
Decadimento Beta
Decadimento Gamma
La radioattività viene quantificata in termini di disintegrazioni per unità di tempo
1 Bq = 1 decadimento al secondo
Principali interazioni dei fotoni con la materia
Per poter essere rivelati i raggi gamma devono prima creare una particella carica e/o trasferire energia alle particelle cariche. 1) Effetto
fotoelettrico
2) Effetto Compton
Nel caso di fotoni di energia
più grande di 1.02MeV,
occorre la produzione di
coppie dove l’energia
elettromagnetica viene
trasformata in massa.
I meccanismi di
assorbimento Fotoelettrico
e Compton includono
soltanto l’interazioni con gli
elettroni orbitali.
3) Produzione di coppie
annichilazione
Catene di decadimento (U e Th)
A differenza del potassio che è un emettitori gamma, ricaviamo le concentrazioni di uranio e torio a partire dai decadimenti di alcuni nuclei figli delle loro catene di decadimento
È necessario assumere l’equilibrio secolare
Spettroscopia gamma a diverse scale
… in laboratorio
~ 0.1 m
… in situ
~ 10 m
~ 10 m
… in volo
~ 100 m
RIVELATORI A
SEMICONDUTTORE
I rivelatori al germanio
Le bande di energia nei solidi cristallini
Nei solidi cristallini la struttura dei livelli energetici più esterni degli atomi
viene modificata, raggruppandosi in fasce chiamate bande.
Banda di conduzione: costituita da livelli
energetici vuoti, disponibili ad essere
occupati da elettroni provenienti dalla
banda di valenza.
Banda proibita: insieme di valori
di energia che un elettrone non
può possedere.
Banda di valenza: insieme di valori di
energia che possiede un elettrone legato
all’atomo.
Isolanti, semiconduttori e metalli
E gap ≈ 5 ÷ 10eV
E gap ≈ 1eV
A temperature prossime allo zero assoluto il semiconduttore si comporta da isolante. All’aumentare della temperatura alcuni elettroni migrano nella banda di conduzione e la conduttività del materiale aumenta Elettroni e lacune
Ogni volta che un elettrone abbandona la banda di valenza lascia dietro di sé uno stato di vuoto chiamato lacuna, che si comporta come una particella di carica positiva. In assenza di un campo elettrico l’ultimo stadio del processo di
eccitazione è la ricombinazione degli elettroni con le lacune e il
ritorno ad uno stato neutro del cristallo.
Giunzioni p-n
Il
funzionamento
dei
detector a semiconduttore
si
basa quindi sulle
proprietà della giunzione
p‐n.
‐ ‐ ‐ ‐ ‐
+ + + + +
p
n
‐ ‐ ‐
‐ ‐
+ + + + +
+
p
Cariche libere
n
‐
Regione di svuotamento
Una radiazione incidente sulla zona attiva del rivelatore (zona di svuotamento) produrrà delle coppie ione‐lacuna che sotto l’influenza del campo elettrico esterno si sposteranno creando una corrente che può essere così rivelata.
Misure con Rivelatore HPGe
Il rivelatore deve essere
mantenuto alla temperatura
dell’azoto liquido (‐195.80 °C),
per evitare che il calore
dell’ambiente
ecciti
gli
elettroni facendoli
passare
dalla banda di valenza a quella
di conduzione.
IL SISTEMA MCA_RAD
Con i 2 rivelatori al germanio
sono stati misurati campioni
preparati con rocce raccolte sul
territorio della Regione Veneto
Ubicazione dei punti di raccolta
54 CAMPIONI DI ROCCIA
Preparazione dei campioni
1) FRANTUMAZIONE DEI CAMPIONI DI ROCCIA
2) RIEMPIMENTO DELLE SCATOLETTE (200 cc)
Preparazione dei campioni…
3) PESATURA ED ETICHETTAMENTO DELLE SCATOLETTE CON CODICE A BARRE
…la loro misura
3) DISPOSIZIONE DEI CAMPIONI NEL SISTEMA MCA_RAD
4) INSERIMENTO DEI DATI NEL PROGRAMMA CHE GESTISCE LA
MISURA
Avviare la misura ed aspettare…
Analisi dei dati
L’analisi dati viene eseguita in automatico dal computer avendo a
disposizione l’informazione della calibrazione energetica dei due rivelatori.
40K
206Tl
40K
206Tl
I risultati ottenuti dall’analisi dei dati vengono salvati ed elaborati
usando il programma Excel.
Elenco Dati
I risultati ottenuti sono stati messi in relazione con delle
informazioni geologiche quali la litologia e la formazione
geologica del singolo campione.
Il Potassio è misurato in %, Uranio e Torio in ppm
…e dopo una lunga e penosa analisi dei risultati siamo riusciti costruire dei grafici molto interessanti….
Analisi di tutti i campioni
30
K [%]
18
eU [ppm]
16
25
20
Frequenza
Frequenza
14
15
10
12
10
8
6
4
5
2
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,5
3
4
1
7,5
2
3
4
5
6
7
8
9
10
14
Classe ‐ eU [ppm]
Classe ‐ K [%]
eTh [ppm]
16
Frequenza
14
12
10
8
6
4
2
0
1
2
3
4
5
10
Classe ‐ eTh [ppm]
20
65
E’ necessario confrontare i risultati delle abbondanze con i dati relativi alle informazioni geologiche raccolte nel database
Ma come classifichiamo le rocce?
La classificazione delle rocce
Le rocce vengono classificate in base alla propria origine: 1) ROCCE MAGMATICHE:
si originano dalla solidificazione del magma
+
• ACIDE Contenuto di silice (SiO2 )
• BASICHE
‐
2) ROCCE SEDIMENTARIE: si formano
dalla deposizione e litificazione dei
sedimenti
• TERRIGENE [SiO2 ] • CARBONATICHE [ calcite CaCO3] 3) ROCCE METAMORFICHE:
le rocce vengono sottoposte a metamorfismo: le condizioni
ambientali cambiano profondamente
CALCARE
MARMO
ROCCE SEDIMENTARIE PARTICOLARI….
La matrice composizionale
CARBONATICHE
TERRIGENE
SiO2
CaCO3
ROCCE SEDIMENTARIE PARTICOLARI….
La DOLOMIA è un particolare tipo di roccia
carbonatica.
I CALCARI sono costituiti essenzialmente da calcite (carbonato di calcio).
Le DOLOMIE sono rocce calcaree
contenenti anche una determinata
percentuale di magnesio; il loro
minerale costituente è la dolomite
(doppio carbonato di calcio e
magnesio).
La radioattività naturale nelle rocce
K + U + Th
+
‐
Le diverse classi di roccia hanno diverse affinità
con gli elementi radioattivi
VULCANICHE ACIDE
RIOLITI
+ Silice (SiO2 )
GRANITI
VULCANICHE BASICHE
BASALTI
‐ Silice (SiO2 )
SEDIMENTARIE TERRIGENE
ARENARIE
SEDIMENTARIE CARBONATICHE
CALCARI
DOLOMIE
SILTITI
La radioattività delle rocce metamorfiche dipende
fortemente dalla roccia originaria (protolito).
ANALIZZIAMO LE NOSTRE ROCCE….
Concentrazione di Potassio
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
K [%]
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Dolomia
Calcari
Marne
Sedimentarie Metamorfiche Metamorfiche
terrigene
terrigene
vulcaniche
Vulcaniche
basiche
Vulcaniche
acide
Concentrazione di Uranio
14
12
10
eU [ppm]
8
6
4
2
0
Marne
Sedimentarie
terrigene
Calcari
Metamorfiche
terrigene
Vulcaniche
basiche
Metamorfiche
vulcaniche
Dolomia
Vulcaniche
acide
Concentrazione di Torio
60
50
eTh [ppm]
40
30
20
10
0
Calcari
Dolomia
Marne
Sedimentarie
terrigene
Vulcaniche
basiche
Metamorfiche Metamorfiche
vulcaniche
terrigene
Vulcaniche
acide
I RIVELATORI A SCINTILLAZIONE:
I rivelatori a ioduro di sodio (NaI)
Rivelatori a Scintillazione
Interazione della radiazione (ionizzazione e eccitazione)
Processi di diseccitazione (emissione di luce)
Raccolta della luce di scintillazione
Conversione dei fotoni luminosi in elettroni (segnale elettrico)
Amplificazione e processamento del segnale elettrico
}
Scintillatore
}
Guida di luce
}
Foto-rivelatore
Caratteristiche degli scintillatori
VANTAGGI
• Gli scintillatori possono essere utilizzati a temperatura ambiente, perciò sono molto utili per effettuare misure in situ in quanto sono facilmente trasportabili.
• Le misure effettuate con gli scintillatori sono molto rapide (circa 5 minuti per misura).
SVANTAGGI
• Gli scintillatori hanno una bassa risoluzione rispetto ai rivelatori al Germanio
• Le misure sono influenzate dalla geometria del sito analizzato
• È necessario utilizzare un coefficiente di correzione per il Radon presente nell’aria per determinare la concentrazione dell’Uranio
NaI
HPGe
Confronto fra uno spettro
ottenuto con un rivelatore
HPGe e NaI
FASI DELLE MISURAZIONI IN SITU
•
•
•
•
•
Posizionare lo zaino distante da edifici o infrastrutture
Fornire tensione al rivelatore attraverso il computer
Avviare la misurazione e allontanarsi per non contaminare i risultati
Ripetere la misura ad 1 metro da terra
Registrare le coordinate GPS del luogo analizzato
Sono state effettuate 14
misure in 7 punti differenti
Ubicazione delle misure in situ
ANALISI DELLE MISURE IN SITU:
Analisi e calibrazione degli spettri
jRadView: analisi degli spettri
40K
1460 keV
232Th
2614 keV
Metodologia di analisi degli
spettri acquisiti con NaI
4000
Thorium
3500
3000
Counts
2500
2000
1500
1000
500
2808
2640
2472
2304
2136
1968
1800
1632
1464
1296
1128
960
Energy (keV)
Uranium
Counts
Potassium8000
1800
20000
6000
4000
Energy (keV
15000
2000
10000
Energy (keV)
2808
2640
2472
2304
2136
1968
1800
1632
1464
1296
1128
960
792
Energy (keV)
2808
2640
2472
2304
2136
1968
1800
1632
1464
1296
1128
0
960
456
0
792
Potassium
5000
624
1632
Counts
1464
1296
1128
25000
960
0
792
30000
624
100
624
200
456
300
456
Counts
400
792
456
Lo spettro misurato viene Cesium ricostruito con la combinazione degli spettri fondamentali di 12000
potassio, uranio, torio, cesio e 10000
background.
35000
500
624
0
600
Calibrazione e rebinning
40K
y La calibrazione energetica fa si che il sistema associ ad ogni canale il corretto valore di energia
1460 keV
232Th
2614 keV
40K
1460 keV
232Th
2614 keV
• Il rebinning invece serve ad adattare lo spettro sperimentale a quelli standard,rendendo
uguale il rapporto keV/Ch
ANALISI MISURE IN SITU
Studio dell’attenuazione dell’aria
4
y = 0,9956x
2,5
eU [ppm] ‐ 1m
y = 0,952x
2,3
1,9
1,7
1,5
1,3
1,1
3,5
3
2,5
0,9
0,7
2
0,5
0,5
1
1,5
2
2
2,5
k [%] ‐ 0m
2,5
3
3,5
4
eU [ppm] ‐ 0m
1,6
13
y = 0,6282x
1,4
y = 0,9739x
12
Cs [c/s] ‐ 1m
eTh [ppm] ‐ 1m
k [%] ‐ 1m
2,1
11
10
9
8
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
7
7
8
9
10
11
eTh [ppm] ‐ 0m
12
13
0
0,5
1
1,5
Cs [c/s] ‐ 0m
2
2,5
CONCLUSIONI
• Abbiamo misurato la radioattività ambientale sia analizzando campioni di roccia che acquisendo spettri con un rivelatore portatile.
• Abbiamo analizzato le rocce prelevate sul territorio della Regione Veneto. • Per l’analisi dei dati i campioni sono stati raggruppati secondo un criterio geologico notando dei comportamenti simili per le varie litologie analizzate.
• Le rocce più radioattive sono le rocce vulcaniche e in particolare quelle acide
• Le rocce carbonatiche e in particolare le dolomie sono le rocce meno radioattive analizzate.
• Nelle misure da 1 metro si ha un’attenuazione della radiazione osservata dal rivelatore rispetto alle misurazioni effettuate da terra.
Grazie per l’attenzione!
