Il radonometro

Il radonometro, lo strumento utilizzato per la misura della concentrazione di attività del radon, è in grado di indagare le sole particelle α, utilizzando un rivelatore allo stato solido al silicio. È stato utilizzato un modello RAD7, prodotto da Durridge Company Inc., il quale è in grado di misurare contemporaneamente la concentrazione di attività di 222Rn e 220Rn. Il radon e i suoi figli subiscono un decadimento radioattivo con generazione di particelle α: il rivelatore distingue le diverse specie isotopiche in base all’energia caratteristica della particella α.

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alimentatore fornisce una corrente elettrica che genera una differenza di potenziale (2000- 2500 V) tra cella interna e rivelatore. Si crea un campo elettrico che spinge le particelle cariche positivamente sul rivelatore, al quale si fissano. Il radonometro non misura direttamente il radon, gas elettricamente neutro, bensì i suoi prodotti solidi di decadimento. Quando l’isotopo decade, la sua particella α ha il 50% di probabilità di arrivare al rivelatore e generare un segnale elettrico proporzionale alla sua energia. I segnali elettrici generati sono successivamente amplificati, misurati, contati e convertiti in forma digitale.

Lo spettro del RAD7 è una scala di energie della particella α da 0 a 10 MeV, suddiviso in 200 canali, ciascuno dei quali copre un intervallo di 0.05 MeV. Ogni particella α rivelata incrementa uno dei 200 canali di un’unità. In tal modo ogni isotopo che decade è associato ad un picco in corrispondenza dell’energia caratteristica della sua particella α. Il picco si presenta in realtà allargato, con una caratteristica coda ad energie minori, dovuta alle particelle α che colpiscono il rivelatore con bassi angoli di incidenza. Suddividendo ulteriormente i 200 canali in 8 finestre, il RAD7 è in grado di conteggiare separatamente e contemporaneamente i prodotti di decadimento di 222Rn e 220Rn, di considerare separatamente il contributo di un solo isotopo, di escludere dal conteggio il background dovuto agli isotopi a vita media più lunga.

Tabella 12. Caratteristiche del decadimento di 222Rn, 220Rn e prodotti successivi, fino ad isotopi stabili del piombo.

Isotopo Emivita Decadimento (energia) Prodotto

222 Rn 3.825 d α (5.49 MeV) 218Po 218 Po 3.05 m α (6.00 MeV) 214Pb 214 Pb 26.8 m β 214Bi 214 Bi 19.7 m β 214Po 214 Po 164 µs α (7.69 MeV) 210Pb 210 Pb 21.4 y β 210Bi 210 Bi 5 d β 210Po 210 Po 138.4 d α (5.30 MeV) 206Pb (stabile) 220 Rn 54.5 s α (6.29 MeV) 216Po 216 Po 0.158 s α (6.78 MeV) 212Pb 212 Pb 10.6 h β 212Bi 212 Bi 60.5 m β 66% 212Po 212 Bi 60.5 m α (6.05 MeV) 34% 208Tl 212 Po 0.3 µs α (8.78 MeV) 208Pb (stabile) 208 Tl 3.1 m β 208Pb (stabile)

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Di interesse nell’analisi di 222Rn e 220Rn è il range di energie 6 ÷ 9 MeV, in particolare 6.00 MeV per il 218Po e 6.78 MeV per il 216Po. Da evidenziare che a causa del decadimento composto del 212Bi, per ogni 66 atomi di 212Po se ne creano 34 di 208Tl con emissione di particelle α di energia 6.05 MeV: questo rende necessaria una correzione, da parte dello strumento, del picco di 6.00 MeV del 218Po. In tabella 12 sono riportati i parametri relativi al decadimento di 222Rn, 220Rn e prodotti successivi.

In un processo di decadimento radioattivo, se la costante di decadimento del nuclide figlio è molto maggiore rispetto a quella del padre (la differenza tra i tempi di dimezzamento è molto grande) l’attività del genitore non varia apprezzabilmente durante un intervallo di tempo corrispondente a diverse volte il tempo di dimezzamento del nuclide figlio. Con nuclide figlio inizialmente assente in un sistema chiuso (quale può essere considerato il volume della cella interna del radonometro), la sua attività cresce fino a raggiungere l’equilibrio di attività con il nuclide padre dopo un intervallo di tempo pari a circa 5 volte il tempo di dimezzamento del nuclide figlio. A questo punto le due attività possono essere considerate uguali e costanti su intervalli di tempo brevi rispetto al tempo di dimezzamento del nuclide genitore (condizione di “equilibrio secolare”). Per ogni atomo del nuclide figlio che decade, se ne forma uno nuovo a spese del nuclide genitore.

Quindi il principio di funzionamento del radonometro è quello di misurare la concentrazione di attività del radon tramite i suoi prodotti di decadimento, in condizione di equilibrio di attività. Utilizzano la modalità di misura “Sniff” del RAD7, lo strumento misura 222Rn e 220Rn tramite il solo decadimento diretto in 218Po e 216Po rispettivamente, ignorando le emissioni α dei decadimenti successivi (con maggiori tempi di dimezzamento): questa modalità permette letture più rapide ed è quella utilizzata per tutte le misure di radon del presente lavoro. I tempi di risposta dello strumento sono pertanto funzione del tempo necessario al raggiungimento dell’equilibrio di attività tra 222Rn e 218Po, equivalente a circa 15 minuti. L’equilibrio tra 220Rn e 216Po è molto più rapido ed è raggiunto in meno di un secondo. La modalità “Normal”, includendo l’analisi di altri isotopi, aumenta il livello di precisione delle misure (errore minore), ma necessita di maggiori tempi di risposta.

Il RAD7 è in grado di effettuare un monitoraggio in continuo delle concentrazioni di attività, con la possibilità di suddividere una misura in più intervalli di conteggio (cicli), dei quali si può impostare la durata. Alla fine di ogni ciclo, viene fornito il relativo valore di

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dai pori del suolo all’interno del sistema di misura, fino alla cella del rivelatore. Effettuando una misura in continuo, a partire dall’istante iniziale con 218Po assente all’interno del sistema, la concentrazione di attività aumenta fino a raggiungere il valore all’equilibrio con il 222Rn, corrispondente alla concentrazione del gas presente nel suolo. La curva di crescita è definita dall’equazione: ) 1 ( t EQ t C e C    (10) in cui:

Ct: concentrazione di attività misurata dal rivelatore al tempo t;

CEQ: concentrazione all’equilibrio corrispondente alla concentrazione nel suolo;

λ: costante di decadimento del 218Po.

La figura 17 mostra una curva di crescita della concentrazione di 222Rn, ottenuta con dati sperimentali (in blu), il cui andamento si discosta leggermente dalla curva di crescita teorica (in rosso) a causa dell’influenza dei fattori ambientali e delle tecniche strumentali. Nelle misure di soil radon è stato stabilito di effettuare cicli della durata di 5 minuti, ripetuti fino al raggiungimento dell’equilibrio di attività.

Figura 17. Curva di crescita teorica (in rosso) e sperimentale (in blu) della concentrazione di attività di

222

Rn all’interno dello strumento di misura (radonometro). 0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 25 30 2 2 2R n (kB q /m 3) Tempo (min)

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Discorso analogo può essere fatto per il 216Po (per la misura del 220Rn), ma in questo caso l’equilibrio di attività viene raggiunto in meno di un secondo, pertanto la curva di crescita non è visibile e i diversi cicli di misura mostrano un valore già all’equilibrio.

Il radonometro ha un range di rilevabilità della concentrazione di attività di 4 ÷ 400000 Bq/m3 (con background vicino a zero la soglia minima di rilevabilità può essere inferiore al valore indicato). Il RAD7 fornisce, durante la misura, il valore di una serie di parametri strumentali di controllo, tra i quali temperatura e umidità relativa dell’aria nella cella interna in cui è alloggiato il rivelatore.