MISURE DI RADIOATTIVITA’ MISURE DI RADIOATTIVITA’ AMBIENTALEAMBIENTALE

CON UN RIVELATORE DI GEIGER-MULLERCON UN RIVELATORE DI GEIGER-MULLER

Lic. Sc. A.Landi : Lorenzo Giuliani , Sara FataleLic. Sc. A.Landi : Lorenzo Giuliani , Sara FataleLic. Sc. I.Newton : Lorenzo Massimi , Jacopo De CesarisLic. Sc. I.Newton : Lorenzo Massimi , Jacopo De CesarisITIS. E. Fermi : Andrea Verolino , Daniele ViciniITIS. E. Fermi : Andrea Verolino , Daniele Vicini

Tutors : L. E. Casano , M. Chiti , A. GentileTutors : L. E. Casano , M. Chiti , A. Gentile

LA RADIOATTIVITA’ AMBIENTALELA RADIOATTIVITA’ AMBIENTALE E’ l’emissione spontanea di energia e/o particelle da parte di un nucleo instabile il E’ l’emissione spontanea di energia e/o particelle da parte di un nucleo instabile il

quale cerca di raggiungere uno stato energetico più bassoquale cerca di raggiungere uno stato energetico più basso

Gli elementi perdono energia tramite tre diversi tipi di decadimenti (Gli elementi perdono energia tramite tre diversi tipi di decadimenti (α, β, γ)α, β, γ)1.1. Decadimento α:è l’emissione di un nucleo di elio (2 p + 2 n)Decadimento α:è l’emissione di un nucleo di elio (2 p + 2 n)2.2. Decadimento β:è l’emissione di un elettrone eDecadimento β:è l’emissione di un elettrone e--(β(β--) o di un positrone e) o di un positrone e+ + (β(β++) )

accompagnati rispettivamente da un antineutrino e da un neutrinoaccompagnati rispettivamente da un antineutrino e da un neutrino3.3. Diseccitazione γ:è l’emissione di pura energia. Diseccitazione γ:è l’emissione di pura energia.

Tutti e tre seguono la legge di decadimento:Tutti e tre seguono la legge di decadimento:

N=NN=N00 e e-λt-λt

dove: dove: -N è il numero dei nuclei non decaduti dopo il tempo t;-N è il numero dei nuclei non decaduti dopo il tempo t;

-N-N0 0 è il numero di nuclei iniziali;è il numero di nuclei iniziali;

-λ è la costante di decadimento definita come:-λ è la costante di decadimento definita come: λ= -ΔN / (N · Δt)λ= -ΔN / (N · Δt)cioè la percentuale dei nuclei che decadono nell’unità di tempocioè la percentuale dei nuclei che decadono nell’unità di tempo

Decadimento Decadimento αα

Decadimento ββ--

GLI EFFETTI DELLE RADIAZIONI GLI EFFETTI DELLE RADIAZIONI IONIZZANTIIONIZZANTI

Conoscere l’entità delle radiazioni ionizzanti è importante per valutare i rischi potenzialiConoscere l’entità delle radiazioni ionizzanti è importante per valutare i rischi potenzialisulla materia biologica e non. sulla materia biologica e non. Le radiazioni hanno effetti sui tessuti biologici, poiché cedono loro energia nel passareLe radiazioni hanno effetti sui tessuti biologici, poiché cedono loro energia nel passareI danni sull’ essere umano possono essere deterministici o stocastici. Nei primi esiste unaI danni sull’ essere umano possono essere deterministici o stocastici. Nei primi esiste unaconnessione causale fra dose ed effetto, mentre nel secondo caso si tratta solo diconnessione causale fra dose ed effetto, mentre nel secondo caso si tratta solo dicalcoli statistici, quindi non certi. calcoli statistici, quindi non certi. Non esiste comunque un valore di soglia al di sotto del quale tale effetto non si manifesta eNon esiste comunque un valore di soglia al di sotto del quale tale effetto non si manifesta eal di sopra del quale la gravità del danno arrecato aumenta al crescere della dose. al di sopra del quale la gravità del danno arrecato aumenta al crescere della dose. La quantità di energia assorbita da un’unità di massa materiale ad opera della radiazione cheLa quantità di energia assorbita da un’unità di massa materiale ad opera della radiazione chelo attraversa si misura in dose, che tiene conto del fattore peso delle diverse radiazioni.lo attraversa si misura in dose, che tiene conto del fattore peso delle diverse radiazioni.

L’ unità di misura della dose è:L’ unità di misura della dose è:

Gray (1Gy =1 j / 1 Kg)Gray (1Gy =1 j / 1 Kg)

N.B. Nel caso di radiazioni fotoniche 1 Gray= 1 Sievert ( Sv )N.B. Nel caso di radiazioni fotoniche 1 Gray= 1 Sievert ( Sv )

Tempodall'irradiazione

Sindromecerebrale

Sindromegastrointestinale

Sindromeematologica

> 50 Gy 5-20 Gy 2-5 Gy

Primo giorno NauseaVomitoDiarreaCefaleaEritema

Disorientazione

NauseaVomitoDiarrea

NauseaVomitoDiarrea

Seconda settimana AgitazioneAtassia

SonnolenzaComa

ConvulsioniShockMorte

VomitoDiarrea

CachessiaProstrazione

Morte

Terza e quarta settimana MalessereAstenia

AnoressiaVomitoFebbreNausea

EmorragiaDepilazioneRecupero

SINDROMI GRAVI CAUSATE DA RADIAZIONI

RISCHI STOCASTICIRISCHI STOCASTICI

Per gli effetti stocastici, che possono avere tempi di latenza di anni o generazioni, siPer gli effetti stocastici, che possono avere tempi di latenza di anni o generazioni, siassume un modello di induzione di tipo assume un modello di induzione di tipo

LINEARE SENZA SOGLIALINEARE SENZA SOGLIAcon pendenza 0,05 Svcon pendenza 0,05 Sv-1-1. Cioè:. Cioè:

1) si assume cautelativamente che non vi sia un valore di dose al di sotto del quale è da 1) si assume cautelativamente che non vi sia un valore di dose al di sotto del quale è da escludere l’induzione di questi effetti.escludere l’induzione di questi effetti.

2) il rischio assunto è di 5% per Sv, oppure di 0,00005 per mSv. In pratica, si assume 2) il rischio assunto è di 5% per Sv, oppure di 0,00005 per mSv. In pratica, si assume che su 100000 persone irradiate a 1 mSv, 5 svilupperanno un effetto di questo tipo che su 100000 persone irradiate a 1 mSv, 5 svilupperanno un effetto di questo tipo (calcolato a partire da dati epidemiologici con dosi individuali dell’ordine di centinaia (calcolato a partire da dati epidemiologici con dosi individuali dell’ordine di centinaia di mSv).di mSv).

ESPOSIZIONE ALLE RADIAZIONI

E’ un rivelatore a gas il cui funzionamento dipende dalla ionizzazione di un volume diE’ un rivelatore a gas il cui funzionamento dipende dalla ionizzazione di un volume digas da parte delle radiazioni provenienti dai decadimenti dette appunto ionizzanti.gas da parte delle radiazioni provenienti dai decadimenti dette appunto ionizzanti.

IL RIVELATORE GEIGER-MULLERIL RIVELATORE GEIGER-MULLER

La radiazione, attraversando un volume di gas, produce coppie di ioni interagendo con gli La radiazione, attraversando un volume di gas, produce coppie di ioni interagendo con gli elettroni orbitali delle molecole del gas. Tale processo, detto di ionizzazione, è provocato elettroni orbitali delle molecole del gas. Tale processo, detto di ionizzazione, è provocato direttamente dalle particelle cariche e indirettamente da particelle neutre. La successiva direttamente dalle particelle cariche e indirettamente da particelle neutre. La successiva separazione e raccolta degli ioni prodotti viene operata mediante un opportuno campo separazione e raccolta degli ioni prodotti viene operata mediante un opportuno campo elettrico. elettrico. Due piastre Due piastre A A e e B B (o più generalmente due elettrodi), mantenute ad una differenza di (o più generalmente due elettrodi), mantenute ad una differenza di potenziale da un opportuno campo elettrico, sono immerse in un gas. Una particella potenziale da un opportuno campo elettrico, sono immerse in un gas. Una particella carica, che attraversa il gas, lo ionizza, creando ioni di segno opposto. Questi, sotto carica, che attraversa il gas, lo ionizza, creando ioni di segno opposto. Questi, sotto l'azione del campo elettrico esistente tra l'azione del campo elettrico esistente tra A A e e BB, si spostano verso l'elettrodo di segno , si spostano verso l'elettrodo di segno opposto.opposto.

IL RIVELATORE GEIGER-MULLERIL RIVELATORE GEIGER-MULLERCARATTERISTICHE DI FUNZIONAMENTOCARATTERISTICHE DI FUNZIONAMENTO

Un Geiger lavora nella regione di scarica, vale a dire la regione in cui qualunque sia Un Geiger lavora nella regione di scarica, vale a dire la regione in cui qualunque sia l’energia della radiazione fornisce un impulso di ampiezza costante, perché gli ioni l’energia della radiazione fornisce un impulso di ampiezza costante, perché gli ioni creati dalla ionizzazione primaria spostandosi verso i poli acquistano l’energia creati dalla ionizzazione primaria spostandosi verso i poli acquistano l’energia sufficiente per creare altri ioni (ionizzazione secondaria) creando un effetto a valanga.sufficiente per creare altri ioni (ionizzazione secondaria) creando un effetto a valanga.

Il Geiger è uno strumento molto sensibile perciò rileva radiazioni anche di bassa Il Geiger è uno strumento molto sensibile perciò rileva radiazioni anche di bassa intensità purché queste ultime siano sufficienti a superare la sua “finestra”;esso intensità purché queste ultime siano sufficienti a superare la sua “finestra”;esso tuttavia non riesce a risalire al tipo e all’ energia della radiazione. tuttavia non riesce a risalire al tipo e all’ energia della radiazione.

La qualità del Geiger è misurata tramite la pendenza in percentuale del “PLATEAU” La qualità del Geiger è misurata tramite la pendenza in percentuale del “PLATEAU” (vedi fig. 3) cioè la retta del grafico che indica la regione di scarica. Un buon Geiger (vedi fig. 3) cioè la retta del grafico che indica la regione di scarica. Un buon Geiger ha una pendenza inferiore al 3%. La pendenza del Geiger si indica come:ha una pendenza inferiore al 3%. La pendenza del Geiger si indica come:

P=NP=NBB-N-NAA/N/NAA(V(VBB-V-VAA))dove: dove:

-N-NAA e N e NBB sono i conteggi iniziali e finali sono i conteggi iniziali e finali -V-VAA e V e VBB sono i voltaggi iniziali e finali sono i voltaggi iniziali e finali

HV

Lo

g n

Plateau

DETERMINAZIONE DEL PLATEAUDETERMINAZIONE DEL PLATEAU

In laboratorio abbiamo utilizzato il Geiger della Far West Technology mod. “GM-1S”In laboratorio abbiamo utilizzato il Geiger della Far West Technology mod. “GM-1S”per verificare parte della curva di funzionamento di un rilevatore a gasper verificare parte della curva di funzionamento di un rilevatore a gase la pendenza del plateau in regime Geiger Muller, che per rispettare le indicazioni della casae la pendenza del plateau in regime Geiger Muller, che per rispettare le indicazioni della casacostruttrice deve essere inferiore allo 0.5%.costruttrice deve essere inferiore allo 0.5%.Per fare questo è stato necessario effettuare più rilevamenti a diversi voltaggi in modo daPer fare questo è stato necessario effettuare più rilevamenti a diversi voltaggi in modo dadiminuire il margine di errore dovuto al Geiger.diminuire il margine di errore dovuto al Geiger.

Ortec “high voltage Ortec “high voltage power supply ” mod. 556Hpower supply ” mod. 556H

Ortec “dual counter/timer ” Ortec “dual counter/timer ” mod.994mod.994

Far West Technology Far West Technology mod. “GM-1S”mod. “GM-1S”

GeigerGeiger

HV (V) 380 390 400 425 450 475 500 525

tempo (s) 100 100 100 100 100 100 100 100

Conteggi ogni 100 s 4487 6183 7273 9456 10760 11952 12610 13147

  4382 6316 7299 9468 10629 11882 12476 13425

  4331 6135 7453 9352 10530 11947 12545 13426

  4361 6093 7414 9372 10866 11817 12501 13259

  4557 6221 7405 9352 10755 11646 12759 13228

  4331 6339 7348 9340 10785 11835 12630 13223

  4381 6146 7408 9585 10729 11781 12653 13221

  4335 6281 7327 9504 10650 11750 12777 13159

  4446 6290 7338 9379 10704 11707 12659 13162

  4516 6172 7256 9405 10887 11780 12636 13279

media 4413 6218 7352 9421 10730 11810 12625 13253

dev. st. in 100 s 83 85 66 80 108 99 99 101

dev. st .% 1,9 1,4 0,90 0,85 1,0 0,84 0,78 0,76

conteggi al secondo 44,1 62,2 73,5 94,2 107 118 126 133

dev. st. in 1 s 0,8 0,8 0,7 0,8 1 1 1 1

Sezione di una curva caratteristica del grafico di Geiger

Plateau del Geiger

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

350 370 390 410 430 450 470 490 510 530 550

voltaggio [V]

cont

eggi

[cp/

s]

y = 0,3354x - 42,468

R2 = 0,9856

100

105

110

115

120

125

130

135

140

440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540

voltaggio [V]

con

teg

gi [

cp/s

]

CALIBRAZIONE DEL GEIGER MULLERCALIBRAZIONE DEL GEIGER MULLER

Calibrare il Geiger(mod.GM-10) significa sapere il rapporto tra i conteggi al minuto Calibrare il Geiger(mod.GM-10) significa sapere il rapporto tra i conteggi al minuto (cpm) ottenuti ad una certa distanza e il rateo di dose corrispondente, per ottenere (cpm) ottenuti ad una certa distanza e il rateo di dose corrispondente, per ottenere il fattore di taratura. il fattore di taratura.

SorgenteSorgente

GeigerGeiger Sistema di Sistema di acquisizioneacquisizione

Misura 1 Misura 2 Misura 3 Misura 4 Misura 5

Dist (mm) 3750 3000 2500 1750 1250

Rateo di dose (Gy/h) 3,627 5,036 7,307 14,003 27,232

Misure (cp/m) 386 557 789 1459 2839

380 511 798 1555 2956

370 490 767 1470 2952

399 551 802 1533 2862

362 543 768 1489 2936

375 558 768 1482 2772

344 546 794 1483 2845

355 540 783 1464 2809

347 566 763 1537 2831

369 525 791 1484 2906

media (cp/m) 336 490 712 1361 2612

dev. St. (cp/m) 17 24 15 34 63

dev. St. % 5,2 4,8 2,0 2,5 2,4

Per far ciò, abbiamo campionato dieci misure a distanze diverse dalla sorgente Per far ciò, abbiamo campionato dieci misure a distanze diverse dalla sorgente (Cs-137) conoscendone la dose.(Cs-137) conoscendone la dose.

Studio del fattore di conversione

y = 0,0104x - 0,0302

0

5

10

15

20

25

30

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Conteggi al minuto (cp/m)

Rat

eo d

i d

ose

(u

Gy/

h)

Questo rapporto corrisponde alla pendenza della retta passante per i punti aventi per Questo rapporto corrisponde alla pendenza della retta passante per i punti aventi per coordinate i cpm e il rateo di dose.coordinate i cpm e il rateo di dose.

SENTITI RINGRAZIAMENTI:SENTITI RINGRAZIAMENTI:

al prof. al prof. Mario Calvetti, direttore del LNF, per aver permesso lo svolgimento dei corsi.Mario Calvetti, direttore del LNF, per aver permesso lo svolgimento dei corsi.

a tutta l’organizzazione del SIS, per l’efficienza dell’ organizzazione e per a tutta l’organizzazione del SIS, per l’efficienza dell’ organizzazione e per l’accoglienza.l’accoglienza.

al dr. Danilo Babusci responsabile degli stages, per averci donato questa splendida al dr. Danilo Babusci responsabile degli stages, per averci donato questa splendida esperienza.esperienza.

in particolare ai nostri tutors prof. Luigi E. Casano, Maurizio Chiti e in particolare ai nostri tutors prof. Luigi E. Casano, Maurizio Chiti e Alfonso GentileAlfonso Gentile per loro infinita pazienza e disponibilità.per loro infinita pazienza e disponibilità.