8.1
Introduzione
Le misure delle radiazioni ionizzanti per scopi radioprotezionistici si effettuano principalmente in due distinte condizioni sperimentali. La prima di esse riguarda la misura delle grandezze dosimetriche di base quali la dose assorbita, il kerma, l’esposizione, o la misura delle grandezze dosimetriche operative quali l’equivalente di dose ambientale, personale ecc. (cfr. cap. 4 e cap. 7). La seconda riguarda invece le misure di attività (o di concentrazione di attività) dei radionuclidi (cfr. cap. 9). Entrambe le tipologie di misura hanno una comune finalità: fornire i dati sperimentali necessari a determinare le grandezze radioprotezionistiche, quali la dose equivalente HT e la dose efficace E (cfr. § 7.2), cui sono
associati, secondo la normativa di radioprotezione, i valori limite per le esposizioni delle persone alle radiazioni ionizzanti. La scelta fra misure di attività e misure di grandezze dosimetriche è dettata dalle particolari condizioni di esposizione di una persona alle radiazioni. Quando la sorgente di radiazioni è esterna alla persona a essa esposta, le misure più appropriate sono quelle riguardanti le grandezze dosimetriche in quanto direttamente correlabili alle grandezze radioprotezionistiche (cfr. § 7.3). Se invece una sorgente radioattiva è stata introdotta accidentalmente o deliberatamente (come nelle applicazioni mediche) all’interno del corpo di una persona, le misure di attività sono quelle di più immediata attuazione per poter determinare le grandezze radioprotezionistiche. Le misure di attività si effettuano non solo negli organismi o in materiali biologici ma anche in materiali come l’aria, gli alimenti e qualsiasi altro mezzo in cui siano presenti radionuclidi e che possono venire in contatto o essere introdotti all’interno di un organismo vivente.
In questo capitolo saranno illustrate le caratteristiche dei sistemi di misura delle grandezze dosimetriche, mentre i mezzi di misura dell’attività dei radionuclidi sono descritti nel capitolo 9.
La misura delle grandezze dosimetriche (la dosimetria) richiede particolari strumenti di misura, i dosimetri, i quali sono costituiti da un sistema di rivelazione delle radiazioni e da un sistema di elaborazione del segnale fornito dal rivelatore.
A seconda del tipo di rivelatore utilizzato, i dosimetri si possono classificare in “attivi” e “passivi”. Nei dosimetri attivi i rivelatori forniscono in tempo reale il valore della grandezza misurata, attraverso un’immediata elaborazione del segnale da essi prodotto durante la loro
esposizione alle radiazioni. I dosimetri attivi sono quindi costituiti da un complesso di misura che include sia il rivelatore sia il sistema elettronico di misura a esso solidalmente collegato. I rivelatori a gas, a scintillazione e a semiconduttore sono i tipici rivelatori utilizzati in questa categoria di dosimetri che sono di norma di tipo portatile o trasportabile. Nei dosimetri passivi i rivelatori non sono invece stabilmente collegati al loro sistema di misura. Un dosimetro passivo è in genere costituito da due parti distinte: a) una parte mobile, costituita da un rivelatore che non necessita di alcuna alimentazione elettrica e che può essere facilmente collocato ed esposto al campo di radiazioni in posizioni e ambienti diversi a seconda delle esigenze di misura, b) una parte fissa operante stabilmente in laboratorio e costituita da un sistema di misura in grado di “leggere” il segnale fornito da un dato tipo di rivelatori allorché questi, al termine della loro esposizione alle radiazioni, sono portati in laboratorio e collegati al sistema di misura. La “lettura” dei dosimetri passivi avviene quindi in una fase successiva alla loro esposizione alle radiazioni. I rivelatori a termoluminescenza, a fotoluminescenza e quelli a film fotografico, unitamente ai rivelatori a tracce e quelli a bolle sono i più utilizzati rivelatori nei dosimetri di tipo passivo.
I dosimetri di tipo passivo sono preferenzialmente usati, rispetto a quelli di tipo attivo, nelle situazioni in cui interessa conoscere i valori dosimetrici integrati su un lungo periodo di tempo, dell’ordine delle settimane o dei mesi. Se invece lo scopo delle misure è di disporre dei dati dosimetrici in tempo reale (come ad esempio i valori di rateo di equivalente di dose) o integrati per brevi periodi di tempo (dell’ordine dei minuti o delle ore), i dosimetri di tipo attivo sono gli strumenti di elezione.
Quando una radiazione ionizzante interagisce con un rivelatore, la ionizzazione in esso prodotta genera un segnale la cui entità dipende dalla fluenza, dal tipo e dall’energia della radiazione. A seconda del tipo di rivelatore, il segnale da esso fornito può essere un segnale di carica, di luce, di calore ecc. Le caratteristiche del sistema di misura associato al rivelatore sono perciò diverse in relazione alla natura del segnale fornito dal rivelatore. L’ampia varietà delle radiazioni ambientali (fotoni, elettroni, neutroni, particelle alfa ecc.) rende necessario il ricorso a tipi di dosimetri diversi a seconda delle caratteristiche della radiazione che si è interessati a misurare.
Tutti i sistemi di misura correntemente utilizzati per la dosimetria in radioprotezione devono essere opportunamente tarati (cfr. cap. 6) affinché il valore del segnale, M, da essi prodotto possa direttamente fornire il corrispondente valore della grandezza, G, di interesse.
8.2
Caratteristiche dei dosimetri per il monitoraggio di area e
individuale
Nel monitoraggio di area e in quello individuale (cfr. § 7.3.2 e § 7.3.3), la scelta del dosimetro più appropriato è legata alle caratteristiche che esso deve possedere per effettuare la misura desiderata. La differenza più immediatamente evidente fra un dosimetro per il monitoraggio di area e un dosimetro per il monitoraggio individuale riguarda il peso e le dimensioni. Un dosimetro individuale deve essere il più possibile piccolo e leggero poiché esso deve essere indossato e portato da una persona durante la propria attività lavorativa. Questa restrizione di peso e dimensioni non è invece necessaria per i dosimetri di area i quali devono poter essere o soltanto trasportabili occasionalmente da un luogo all’altro o installati in posizione fissa in aree con presenza di radiazioni ionizzanti. La diversità di peso e dimensioni delle due classi di dosimetri influenzano la scelta delle loro componenti le quali devono comunque avere delle caratteristiche comuni al di là delle loro differenze costruttive e dimensionali. Queste caratteristiche comuni dipendono essenzialmente dalle proprietà del rivelatore associato al dosimetro e tali proprietà sono principalmente:
- la linearità,
- l’efficienza di rivelazione e la sensibilità, - la risposta in energia,
- la risposta angolare,
- la risposta a radiazioni di diverso tipo, - la ripetibilità e la riproducibilità.
Prima di descrivere, nei paragrafi successivi, le principali tipologie di rivelatori per la dosimetria in radioprotezione, saranno illustrati il significato e l’importanza di queste proprietà per i rivelatori utilizzati per il monitoraggio di area e il monitoraggio individuale.
La linearità
Il segnale M (espresso in termini di carica, o di corrente o di numero di impulsi ecc.) fornito da un rivelatore – di volume e materiale specificati – è una funzione della energia, Ed, che la radiazione deposita nel
rivelatore. L’energia Ed dipende a sua volta dalla fluenza di particelle, Φ,
incidente sul rivelatore e dall’energia Ep di ciascuna particella. Il valore
di ogni grandezza dosimetrica, G, per la cui misura il rivelatore è tarato e impiegato, dipende da Ep e da Φ. Quindi per una data grandezza G da
misurare e per un fissato valore dell’energia della radiazione, il segnale M dipende dal valore di G
Φ. La linearità della risposta di un rivelatore è una proprietà che è misurata dall’andamento della funzione M
Gsue caratteristiche quali l’energia, la direzione ecc., rimangono costanti. Un rivelatore è lineare se l’andamento di M
G entro un dato intervallo di valori di G
Φ si può assumere come rettilineo. Per molti rivelatori la funzione M
G è lineare entro un ampio intervallo di valori di G
Φ . Per diversi altri tipi di rivelatore il segnale M può invece non essere lineare, se non per limitati intervalli di valori di G
Φ , e comunque la funzione
GΦ
M può assumere andamenti variabili lungo tutto l’intervallo considerato dei valori di G
Φ . Nel caratterizzare un rivelatore rispetto alle sue proprietà di linearità deve essere sempre specificato l’intervallo di valori di G
Φ entro cui questa proprietà è soddisfatta. Come mostrato negli esempi in figura 8.1, la funzione M
G può essere “sopralineare” o “sottolineare” se essa, dopo un iniziale tratto con andamento lineare ha una derivata, rispettivamente, crescente o decrescente al variare di G. La funzione M
G può essere però caratterizzata in alcuni rivelatori da un andamento variabile in modo non costante come illustrato dalla curva 4 di figura 8.1.La linearità della risposta è una caratteristica molto importante in un rivelatore usato per la dosimetria. La linearità di un dosimetro è infatti la condizione perché la sua taratura eseguita con una data fluenza di particelle possa essere valida per qualsiasi altro valore di fluenza che si intende misurare in condizioni diverse da quelle di taratura.
Figura 8.1 - Esempi di dipendenza della lettura M(G), per quattro diversi tipi di
rivelatore, in funzione di una data grandezza di misura G dipendente dalla fluenza Ф delle particelle incidenti sul rivelatore. Le curve 1, 2 e 3 corrispondono a una risposta lineare, sopralineare e sottolineare, rispettivamente. La curva 4 descrive una risposta che presenta, nell’intervallo dei valori di G(Ф) considerato, un andamento variabile con tendenza alla saturazione
Se un dosimetro non è lineare è necessario conoscere la forma della funzione M