MAR, contributo del fondo e livello di concentrazione misurato nel breve tempo nelle acque di Gallicano

A causa delle radiazioni cosmiche che continuamente oltrepassano l'atmosfera terrestre e in concomitanza con la presenza della radioattività naturale nell'ambiente, tutte le misure di radioattività registrano un segnale di fondo non nullo (background). Il fondo di radioattività è dunque presente ovunque e in termini generali (Fig. 34) è di varia natura. Per quanto riguarda invece il segnale che contamina le acquisizioni di natura radiometrica, questo può essere diviso in 5 categorie (Knoll, 2000):

1. la radioattività naturale dei materiali costituenti il rivelatore stesso;

2. la radioattività naturale delle strumentazioni presenti nelle immediate vicinanze del rivelatore;

3. le radiazioni provenienti dall'attività della superficie terrestre e dei materiali di costruzione del laboratorio;

4. la radioattività presente nell'aria;

5. le componenti primarie e secondarie della radiazione cosmica.

L'importanza delle varie componenti del background varia in base al rivelatore utilizzato e, nel caso dei rivelatori a raggi gamma senza schermatura, la componente dei raggi cosmici è quella predominante. Tale componente è costituita dalle radiazioni secondarie prodotte dall'interazione dei raggi cosmici nell'atmosfera, come risulta in Fig. 35.

Figura 34: contributo del fondo in termini generali.

La radiazione cosmica primaria è costituita da protoni, nuclei di elio, ioni pesanti, con energia cinetica estremamente alta. La radiazione cosmica secondaria è invece costituita da elettroni, protoni, neutroni e radiazioni elettromagnetiche: la frazione di questa che raggiunge la superficie terrestre è responsabile del segnale di fondo.

A prescindere dalla natura del segnale di fondo, l'entità di questo varia a seconda della grandezza e del tipo di rivelatore e può diminuire in base alla schermatura presente sia all'interno del rivelatore di default, sia come schermatura aggiuntiva esterna.

Il segnale di fondo, pur non essendo nullo, è comunque visibilmente diverso a seconda che l'acquisizione sia effettuata con una schermatura di piombo o senza di essa, come è evidenziato dal confronto tra due stessi spettri acquisiti in aria, rispettivamente con il rivelatore posto all’esterno (Fig. 36) o all’interno (Fig. 37) del pozzetto di piombo (Fig. 38); il numero massimo di conteggi in ordinata è infatti pari a 1300 nell'acquisizione senza schermo contro 80 conteggi nell'acquisizione con schermatura.

Figura 36: spettro di un'acquisizione eseguita senza l'ausilio della schermatura di piombo.

Figura 37: spettro di un'acquisizione eseguita mediante l'utilizzo di una schermatura di piombo, in cui è visibile l'effetto della diminuzione del fondo.

Figura 38: schermatura di piombo utilizzata nelle acquisizioni spettrometriche in laboratorio.

Poiché l'entità del contributo del fondo determina il livello della minima attività rilevabile (MAR), questo è molto importante in quelle applicazioni dove si misurano sorgenti a bassa attività, come nel nostro caso. E' opportuno sottolineare che non è sufficiente sottrarre il background da uno spettro, rappresentato in Fig. 39 da un rettangolo, per ottenere un'acquisizione senza il contributo del fondo. Infatti, se per ottenere il conteggio netto è sufficiente sottrarre ai conteggi totali il trapezio sottostante, è pur vero che l'attività netta misurata, è affetta da un certo contributo del fondo, come riportato nell’Eq. (8):

netti g campione

C

=

B

+A

(8)

Figura 39: background da sottrarre alla gaussiana per ottenere il conteggio netto.

L’area netta del picco gamma selezionato (ROI dal canale 355 al canale 435), assunto essere una gaussiana, viene calcolata dal software di gestione della misura sottraendovi automaticamente il contributo del fondo, utilizzando il metodo del trapezio. Se in tale intervallo non è presente un picco ben definito, tale area netta può risultare negativa (Fig. 40), ovviamente senza alcun significato fisico.

Figura 40: esempio di spettro che determina un’area negativa nella ROI considerata.

Pertanto, in assenza di un vero e proprio picco visibile del fondo, si è effettuato il calcolo della MAR, considerando il numero netto di conteggi del rivelatore che possa distinguersi dal fondo nella ROI considerata. Assegnando al conteggio totale dell'area (gross area) un valore di riferimento N0, essendo descritto dalla statistica di Poisson, esso sarà soggetto a fluttuazioni caratterizzate da una deviazione standard pari a

N

₀ . In base a queste ipotesi di partenza, un segnale è, in prima approssimazione, discriminato dalla fluttuazione del fondo N0 quando il suo valore è al di fuori della gaussiana della misura del fondo, ovvero quando presenta un numero di conteggi maggiori della somma di N0 e di tre volte la sua deviazione standard, mentre viene considerato come fluttuazione statistica del segnale di fondo N0 quando il valore cade all'interno della gaussiana. Nel nostro caso si trova, con questo metodo, una MAR = 3,1 Bq/l di radon in acqua per un tempo di misura di 7200 s. Tale valore è ricavabile applicando le seguenti formule :

0

3455

N

=

(9)

3455 58,8

B

3

3,1

/

B vivo

MAR

Bq l

b t V

_g

s

e

=

=

(11) dove: by (214Bi)= 0,461 ε = 0,0145 tvivo = 7200 s V = 1,2 l

E' stato possibile ridurre il contributo del fondo grazie all'impiego di una schermatura in piombo (Fig. 41) fabbricata ad hoc per il Marinelli e per lo scintillatore impiegato nella stazione di monitoraggio di Gallicano, le cui dimensioni sono riportate in Tab. 6. Tale schermatura è stata provvista di un tappo costituito da due mezzi cilindri, anch'esso di piombo, con le dimensioni riportate in Tab. 6, con al centro un intaglio, per facilitare la manutenzione e l'eventuale estrazione del Marinelli.

In conclusione è possibile quindi affermare che, avendo la nostra sorgente di radon un'attività in media pari a 100 Bq/l, il contributo del fondo è trascurabile e la MAR ottenuta è accettabile per gli scopi che ci siamo proposti.

Tabella 6: dimensioni della schermatura di piombo dello scintillatore.

Diametro esterno 245 mm

Diametro interno 145 mm

Spessore 50 mm

Ingombro 350 mm

Altezza del tappo 54 mm

Nel documento Spettrometria gamma applicata al monitoraggio di radon, in acque profonde, come precursore sismico: analisi e calibrazione del sistema di misura. (pagine 56-64)