Effetti della radiazione
L’ irraggiamento di solidi, liquidi e gas puo’ produrre danneggiamento e dissociazione.
Cellule viventi possono essere danneggiate e produrre alterazioni ( mutazione).
La radiazione puo’ attivare reazioni chimiche e modificare le proprieta’ di sostanze.
La radiazione e’ ovunque!
Necessario misurare per studiare gli effetti.
Radiation units
Lo International System of units (SI) nel 1981 definito standard per attivita’ e dose.
Attivita’ di un radionuclide : becquerel (Bq) ---> 1 decadimento/sec.
1 Ci = 3.7 1010 Bq 1 Bq = 2.7 10-11 Ci
Dose assorbita di radiazione D e’ il rapporto dell’energia media dE trasferita dalla radiazione ionizzante ad un volume di massa dm
€
D = dE dm
La dose si misura in gray (Gy) che equivale alla deposizione di un Joule di energia di ogni tipo di radiazione ionizzante in un kg di sostamza irradiata.
1 Gy = 1 J/Kg = 100 rad.
La nozione di dose assorbita e’ valida per energie fino a 10 MeV, in quanro gli effetti da radiazione sono proporzionali all’energia depositata ed indipendenti dal tipo di radiazione.
La stima quantitativa degli effetti della radiazione su materia biologica e’ valutata in termini di dose equivalente che e’ il prodotto della dose assorbita D della radiazione nel tessuto biologico ed un coefficiente della qualita’ Q della radiazione nel particolare elemento del tessuto
€
D
eq= DQ
Per radiazione di diverso tipo
€
D
eq= D
iQ
ii
∑
L’unita; di dose equivalente nel sistema SI e il sievert (Sv)
1 Sv = 1 Gy/Q
La vecchia unita’ di dose equivalente rem = 1 rad/Q e quindi
1 Sv = 100 rem
In pratica la sorgente di radiazione e’ caratterizzata dal flusso di particelle. La dose di radiazione che e’
equivalente per un dato flusso di particelle varia per particella ed energia
N.B. 1 Sv e’ una dose molto grande ed e’ mortale.
La esposizione alla radiazione di fotoni e’ misurata in termini del rapporto tra la carica totale dQ di tutti gli ioni dello stesso segno prodotti in aria quando tutti
gli e-, e+ creati dai fotoni in un volume di aria di massa dm sono completamente stoppati.
€
D
ex= dQ dm
L’esposizione si misura in Ci/Kg che e’ collegata alla vecchia unita’ R, il roengten
1 C/Kg = 3.88 103 R 1 R = 2.58 10-4 C/Kg
L’effetto della radiazione indiretta secondaria, es. quella da neutroni, su una sostanza e’
identificato con il termine kerma ( kinetic energy released in the material). Il kerma, K, e’
il rapporto della somma dell’energia cinetica primaria dT di tutte le particelle cariche prodotte dalla radiazione indirettamente ionizzante in un volume di massa dm della sostanza
K = dT/dm si misura in Gy.
NOTARE che il kerma e’ associato a specifiche sostanze: aria per fotoni, tessuti biologici pe radiazione ionizzante indiretta usata in biologia e medicina, e qualsiasi tipo di sostanza nello studio degli effetti da radiazione.
Effetto della radiazione nei solidi
Il danno da radiazione nei materiali si riconduce alla generazione di difetti atomici nella struttura.
Il primo effetto e’ l’apparire tra i siti del lattice di un difetto singolare di lattice-lacuna e un atomo impiantato o interstiziale. Ogni coppia formata da lacuna e atomo interstiziale e’
dtto difetto di Frenkel o coppia di Frenkel.
N.B. la creazione della coppia di Frenkel in un
lattice regolare di cristallo e’ dovuta solo al danno da radiazione.
Per spostare un atomo dalla sua posizione in un lattice cristallino e’ necessario fornire un’energia superiore ad una soglia Ed. pari alla differenza tra l’energia di legame dell’atomo nel lattice e l’energia di legame nell’interstizio.
Ed ~ 10-80 eV, Ed(Cu)=22eV. Ed(Fe)=24eV.Ed(Diamate)=80eV.
L’energia della particella incidente deve essere ben superiore per via del rinculo e della minor massa.
Se l’energia dell’atomo spostato >> Ed esso puo’ spostare un altro atomo e cosi’ vai creando
un picco di spostamento, che dara’ luogo ad un successivo riarrangiamneto degli atomi con annullamento
delle dislocazioni o creazione di difetti ulteriori.
Fotoni
I fotoni sono causa di tre processi di dislocazione atomica:
1) Elettroni eiettati da un solido irradiato da raggi γ , che posseggono sufficiente energia da spostare atomi.La Energia dei γ (~1 MeV) puo’ risultare da effetto Compton, fotoelettrico o creazione di coppie.
2) Reazioni fotonucleari tipo (γ,p) e (γ,n) con gamma di energia ~10-15 MeV possono causare spostamentidi atomi dovuti al rinculo del nucleo.
3) Raggi X non hanno energia sufficiente per causare spostamenti di atomi per collisione diretta, ed e’
significativa solo per gli alcali-alidi ( es Sodio Bromide). I raggi X eiettano elettroni da shell interne e successivamente si sviluppa una cascata Auger.
Neutroni
In una collisione diretta con un nucleo atomico un neutrone puo’ trasferire sufficiente energia da spostarlo nel lattice e, se l’energia e’ sufficiente, attivare una catena di spostamenti del nucleo fino allo stop.
N.medio di spostamenti per diversi nuclei in funzione della E neutrone
Reazioni nucleari possono causare spostamenti nel lattice, es. 10B(n, α)7Li, 57Fe(n, γ)58Fe e 238U(n,f).
Causa il grande libero cammino medio dei neutroni veloci ( ~ cm),
il danneggiamento si sviluppa uniformemente su grande area,
analogamente ai γ energetici.
Elettroni
Elettroni energetici ( ~ 1 MeV) possono causare spostamenti atomici nel lattice mediante interazione Coulombiana con il nucleo del solido. La perdita di energia degli elettroni per via della ionizzazione e’
elevata ed il range del danneggiamento e’ dell’ordine dei mm.
Il n. di atomi spostati n(E) dipende dall’energia degli elettroni e dalla massa dell’atomo.
Numero di atomi spostati da elettroni che irradiano cristalli di numero atomico Z, Ed=25 eV.
Ioni
Lo ione in un cristallo perdera’ energia principalmente per eccitazione di elettroni, anche se e’ possibile un urto diretto con atomi del lattice. Man mano che l’energia diminuisce esso cattura elettroni atomici e inversamente diminuisce l’energia
persa per ionizzazione. Alla fine lo ione neutralizzato perde energia solo per urti con atomi del lattice.
Se v e’ la velocita’ dello ione e l’energia potenziale minima di ionizzazione degli atomi e’ 2 eV, l’energia En per cui lo ione diventa neutro e’
Nel range E<En si generano gli spostamenti che sono dovute a collisioni quando la KE dello ione
non e’ sufficiente a penetrare la nube degli elettroni atomici, nel caso E>En si ha scattering elastico di Rutherford, gli atomi non sono spostati e l’energia in eccesso causa moti vibrazionali nel lattice.
con I=mev2 energia massima trasferita all’elettrone di un atomo
€
En =1
2Mv2=1 2
M
meI ≈ 1823A eV
Proprieta’ dei solidi danneggiati
Il danneggiamento microscopico da radiazione nei solidi puo’ portare ad alterazioni macroscopichedelle proprieta’ meccaniche, elettriche e termiche.
Tre esempi illustrano come l’irraggiamento influenza le proprieta’ macroscopiche dei solidi.
1) Modifica proprieta’ meccaniche: estensione.
La curva di estensione nei metalli leggeri, Cu, Al, consiste
di una regione iniziale corrispondente alla deformazione elastica seguita da una regione di deformazione
plastica.
Dalla figura si vede come il limite di elasticita’ nel caso di irradiamento si estende
di circa 4 volte rispetto al caso senza irradiamento.
Confronto irradiamento (2) con senza irradiamento (1) nel Cu
per un flusso di di 1020 neutroni/cm2
2) Modifiche strutturali, cambio di fase
generalmente l’influenza della radiazione su materiali puo’ essere di due tipi: p puo’ portare una lega da una fase di equilibrio stabile ad un’altra fase
di equilibrio instabile o viceversa.
Ad es.la lega stabile nichelcromo ( 80%Ni +20%Cr) presenta variazioni nella resistenza elettrica dovute ad irradiamento con un flusso di 1020 neutroni/cm2.
La curve riferiscono al nichelcromo in stato
completamentedisordinato (1), parzialmente ordinato (2) e stato ordinato (3). Si nota come la DR/R varia in % per effetto della radiazione.
3) Nei semiconduttori l’effetto piu’
evidente della radiazione e’ nelle proprieta’ elettriche.
Sotto la radiazione neutronica una frazione dei difetti sara’ irreversibile e questi difetti sono impurita’ di atomi prodotti dalla cattura neutronica degli atomi dei semiconduttori. Questa cattura porta a volte alla creazione di atomi accettori e donatori.
Ad esempio il Germanio naturale, 4-valente, ha 5 isotopi stabili: 70Ge, 72Ge, 73Ge, 74Ge, 76Ge,
nelle proporzioni 21%,29%,8%,36% e 8%.
Il 74Ge, per cattura neutronica si trasforma, per via del decadimento beta susseguente in 75As,
5-valente ( donatore), mentre il 70Ge, per cattura e susseguente decadimento beta+ si trasforma in 70Ga 3- valente (accettore).
Effetti della radiazione nei dielettrici
La radiazione ionizzante attiva nei materiali organici dei processi radiativi chimici, perche’
la ionizzazione interessa le shell elettroniche delle molecole, gli ioni molecolari ne le shell atomiche esterne. Gli ioni o radicali liberi entrano in reazione chimica tra di loro o con le altre molecole e atomi.
Un altro effetto e’ l’eccitazione molecolare, con gli elettroni spostati su livelli energetico piu’ alti.
La radiazione nei polimeri puo’ indurre delle rotture dei legami chimici tra atomi di carbonio contigui rompendo la catena e formando due catene polimeriche piu’ corte in forma di radicali con
conseguente degrado del polimero.
o tra tra atomi di carbonio ed Idrogeno lasciando la catena polimerica inalterata ma con un un atomo di idrogeno non legato , un radicale. quando due radicali sono vicini i legami si saturano e si ha il fenomeno del cross-linking con la formazione di una nuova macromolecola.
I polimeri, secondo come reagiscono alla radiazione ionizzante, si possono dividere in due categorie : - i cross-linking polymers
- i polimeri degradati
Questi due gruppi sono distinti dalle proprieta’ fisico-chimiche.
I polimeri cross-linking, irradiati, manifestano qualita’ fisico-meccaniche a crescere, es. aumento modulo di elasticita’ , del coefficiente di frizione interno, della forza di tensione, durezza etc.
Nel caso in cui il processo di degrado e’ prevalente si ha una diminuzione delle caratteristiche fisico-meccaniche.
La stabilita’ di radiazione, definita come la massima dose che non cambia le proprieta’ del mezzo, dei dieletrici polimerici va a decrescere per i seguenti nell’ordine: polistirene-polietilene-nylon- polivinile-cellulosa-Teflon-plexiglass.
Una riduzione del 25% nella rigidita’ del polistirene e’ ottenuta con ~40MGy, mentre basta ~1 MGy per il polietilene.
Nei vetri i danni da radiazione si manifestano principalmente nella creazione di centri di colore.
Radiation Processing con acceleratori
L’uso di acceleratori di elettroni, in particolare, come generatore di radiazione ha parecchi vantaggi:
- i processi indotti dagli elettroni sono veloci, chiari e possono essere controllati precisamente.
- gli acceleratori sono on-off
- fasci di elettroni possono essere conformati secondo esigenze.
- i processi con elettroni sono praticamente liberi da scorie e quindi environmental friendly.
- l’uso degli acceleratori di elettroni puo’ avvenire a qualsiasi stadio del processo industriale.
Fasci di elettroni sono parte di processi in tutto il mondo, tre esempi sono:
i) il cross-linking dei polimeri per ottenere materiali piu’
performanti
ii) la polimerizzazione indotta da radiazione, per formare ad esempio rivestimenti superficiali.
iii) degradazione di materiali, es. da rifiuti di Teflon, irradiati con elettroni, in presenza di aria si ottengono aerosol lubrificanti.
iv) la polimerizzazione con innesto , “graft polymerization”, usata nell’industria tessile per rendere i tessuti ignifughi, senza piega, che non si restringono etc..
v) Sterilizzazione con radiazioni iv) disinfestazione dei cereali.
La dose rate e’ spesso espressa in kGy/s o KGy/min.
Per gli acceleratori di elettroni la dose rate Dr in termini di corrente I e campo di irraggiamento con K stopping power degli elettroni che dipende dall’energia degli elettroni e dalla densita’ del materiale irradiato.
€
Dr= K I A
Range degli elettroni in materiale di densita’ unitaria
Distribuzione dose in funzione dello spessore del materiale per elettroni di 300 KeV, densita’ unitaria.
La potenza di un fascio di elettroni, P,
e la dose totale D per un particolare processo determina la capacita’ di processo W di un acceleratore
€
W = 3600P D
η 100 essendo W in Kg/hr, P in KW, D in KGy
€
η la efficienza in % del processo, che varia dal 50-70% dipendendo dal processo.
