La rilevazione del radon

La rilevazione del radon

Concettina Giovani

Diego Cauz

Premessa

• L’esperienza di misurazione del radon è stata inserita nel programma di fisica con la riforma dell’ordinamento del 2008/09

• Nel 2006, su incarico dell’allora vice-preside,

professoressa Soramel, e con l’aiuto del personale dell’ARPA del FVG, ho ideato un progetto di misura basato sull’uso di due strumenti con caratteristiche complementari

• Per mancanza di fondi, dovuti al taglio dei finanziamenti universitari, è stato possibile acquistare soltanto uno dei due strumenti

• Il progetto risulta quindi presentemente incompleto

Avvertenza

• Il seguente materiale è tratto per la gran parte dal seminario che la dottoressa

Giovani ha tenuto in questa sede il 23/05/2006

• Eventuali errori o manchevolezze di

questa presentazione non le sono

attribuibili

Cos’è il radon

• Il radon è l’elemento con numero atomico 86

• è un gas nobile radioattivo

Organizzazione Mondiale per la Sanità

• Il gas radon è uno dei 75 agenti di cui è sicuramente riconosciuta la cancerogenicità per l’uomo

• Si valuta che nel nostro Paese siano attribuibili al radon 4000 casi di tumore polmonare ogni anno,

contro i 15000 degli Stati Uniti, i 2000 dell’Inghilterra ed i 900 della Svezia

• È considerato il contaminante radioattivo più

pericoloso negli ambienti chiusi e, a livello mondiale, si stima che sia responsabile di quasi il 50 per cento dell’esposizione media della popolazione alle

sorgenti naturali di radiazione

Tipi di radon

• Rn

(radon)

– è un anello della famiglia dell’ U²³⁸

• Rn

(thoron)

– è un anello della famiglia del Th²³²

• Rn

(actinion)

– è un anello della famiglia dell’ U²³⁵

• Solo il primo e in parte il secondo sono

rilevanti

Famiglie radioattive

Numero e peso atomico

• Z: numero atomico. Numero di cariche elettriche elementari nel nucleo

• A: peso atomico espresso in uma

• N: numero di nucleoni nel nucleo

•

X

=

Rn

• Decadimento alfa:

X

->

Y

+

He

• Decadimento beta:

X

->

Y

+ e

•

X

->

Y

+ e

Protagonisti

• Atomi e ioni:

– radon, polonio, bismuto, piombo

• Particelle:

– alfa, sono nuclei di elio con carica q=-2e

– beta, sono elettroni (q=e) o positroni (q=-e)

– gamma, sono quanti

neutri e.m. (come la luce)

Energia

• L’energia si misura in joule (J) nel sistema internazionale

• Per fenomeni microscopici è più

conveniente usare l’elettronvolt (eV) o suoi multipli (keV, MeV)

• L’elettronvolt è l’energia che una carica e assume su una ddp di 1 volt

• La relazione tra eV e J è:

1 eV = 1.6 x 10

J

Una nuova grandezza

• Attività (A): si usa in fenomeni in cui sono studiati materiali radioattivi, soggetti a

decadimento

• è il numero di disintegrazioni per unità di tempo

• Nel Sistema Internazionale (SI) si misura in bequerel (Bq):

– 1 Bq = 1 disintegrazione al secondo

• Sostituisce la vecchia unità, il curie (Ci)

1 Ci = 3.7×10¹⁰ Bq

1 pCi/l = 37 Bq/m³ (attività specifica)

Decadimento radioattivo (2 livelli)

• è retto dalla legge seguente:

•

• τ è la vita media

• Il primo livello ha una perdita di materia verso il secondo livello

( ) ( ) 



 

−

= τ

N t t

N_{1 1} 0 exp

N₁(t)

t

( ) ₀ exp T N2⁰ N

T

N  ≡



 

−

= τ

2 τ log

= T

1 2

N₂(t)

t

• Il tempo di dimezzamento T è il tempo necessario affinché la quantità di materia iniziale si dimezzi:

• Relazione tra τ e T:

Decadimento radioattivo (più livelli)

• è complicato dal fatto che ogni livello (tranne il primo) ha un’entrata di materia dal livello

precedente e un’uscita di materia (tranne l’ultimo) al livello seguente

n-1 n n+1

Azione delle particelle sulla materia

• Nell’attraversamento della materia, le particelle cariche agiscono in due modi sugli atomi (o molecole) costituenti:

– Ionizzandoli, cioè strappando uno o più elettroni agli atomi. Sono cosí prodotti ioni positivi e elettroni (negativi)

– Eccitandoli, cioè spostando uno o più elettroni in uno stato atomico ad energia più alta. Lo stato eccitato decade nello stato più basso emettendo l’energia di eccitazione sotto forma di quanti di “luce”

• Anche particelle neutre come i neutroni e i raggi gamma devono prima produrre particelle intermedie cariche, per poter essere rivelati

• In tutti i casi c’è un trasferimento di energia al materiale attraversato

Altre nuove grandezze:

dose assorbita

• L’entità dell’esposizione alla radiazione è specificata in termini della dose di radiazione. Ci sono due importanti categorie di dose.

• La dose assorbita (o fisica) D, definita come la quantità di energia depositata nell’unità di massa di corpo umano o di altro materiale.

1 rad = 100 erg/g

1 Gy = 1 J/kg

1 Gy=100 rad

• L’unità di misura nel SI è il gray (Gy).

• originariamente si usava il rad

Altre nuove grandezze:

dose equivalente

• La dose equivalente (o biologica) H, misurata in sievert (Sv) nel SI

(in rem nel vecchio sistema).

– Questa grandezza riflette il fatto che il danno biologico causato da una particella dipende non solo dall’energia totale depositata, ma anche dall’energia depositata per unità di distanza percorsa dalla particella (o linear energy transfer).

– Per esempio, le particelle alfa (alto LET) causano assai più danno (a parità di energia totale depositata) degli elettroni (basso LET) e questo perché depositano in ogni cellula attraversata una maggior quantità di energia e la probabilità di danneggiare la cellula ne è

conseguentemente aumentata.

• Questo effetto può essere rappresentatao schematicamente da un fattore di qualità Q.

– Su un ampio intervallo di energie, Q è assunto uguale a 1 per gli

elettroni (e per i raggi X e gamma, che producono entrambi elettroni) e 20 per le particelle alfa. Per i neutroni il fattore di qualità adottato varia da 5 a 20, in funzione della loro energia.

Sv rem 1 Sv = 100 rem

Impatto biologico

• L’impatto biologico è specificato dalla dose equivalente H, che è il prodotto della dose assorbita D e del fattore di qualità Q.

H = QD

α, alto LET β, basso LET cellula

Non è ancora la fine della storia…

• I diversi organi e tessuti del corpo umano hanno diversa radiosensibilità

• Per tener conto di questo si usa la dose

efficace, E, espressa, di nuovo, in sievert o rem)

• è la somma delle dosi equivalenti nei diversi organi o tessuti (H_T), ciascuna moltiplicata per un fattore peso (w_T) che tiene conto della

diversa radiosensibilità degli organi irraggiati

Attività e dose equivalente

• Gli strumenti misurano l’attività (A) del radon

• Ai fini della radioprotezione interessa però la dose equivalente (H)

• Le misure di attività e la stima della dose

equivalente devono essere fatte dall’esperto qualificato

• Alla fin fine è la dose la grandezza che interessa e questa è legata all’energia rilasciata dalle

particelle

Come misurarne l’energia

• L’unico mezzo è raccogliere:

– gli ioni ed elettroni prodotti nella ionizzazione e misurarne la carica

– la luce prodotta nella diseccitazione e misurarne la quantità

• Con tecniche opportune si può poi risalire all’energia delle particelle incidenti

Sorgenti di radiazione

• Naturale

• Artificiale

α

7.69 MeV

Po 214

164 µs

α

6.00 MeV

Po 218

3.05 min

Rn 222

3.82 giorni

Pb 214

26.8 min

Bi 214

19.8 min

Pb 210

22.3 anni

α

5.49 MeV

β β

Progenie del radon

N Z

α

8.78 MeV

Po 212

0.3 µs

α (1/3)

6.05 MeV

Bi 212

60.6 min

α

6.78 MeV

Po 216

0.15 s

Rn 220

55.6 s

Pb 212

10.6 ore

Pb 208

stabile

Tl 208

3 min

β

α

6.29 MeV

β β (2/3)

Progenie del thoron

N Z

Azione del radon sull’organismo

• Le sostanze più pericolose per la salute sono i prodotti di decadimento del radon (Po, Bi).

Queste sostanze vivono per tempi molto brevi, minuti o secondi

• Al contrario del radon, queste sostanze sono chimicamente ed elettricamente reattive, e possono essere introdotte all’interno

dell’organismo attraverso il pulviscolo

atmosferico e il vapore acqueo a cui si legano

Azione del radon sull’organismo

• Trasportati all’interno dell’apparato respiratorio, il radon e la sua progenie raggiungono i

polmoni, dove decadono emettendo radiazioni dannose per i tessuti (beta, gamma, ma

principalmente alfa)

• Quindi l’inalazione dei prodotti di decadimento del radon comporta il rischio di tumore ai

polmoni e ai bronchi a causa dell’energia ivi rilasciata dalle radiazioni emesse nel

decadimento

• Anche se il rischio è più legato ai prodotti di decadimento è uso comune riferire il rischio direttamente al radon

Distribuzione

• Il radon nel terreno e nelle rocce si mescola all’aria e risale in

superficie

• Le concentrazioni all’aria aperta sono molto basse

• Negli ambienti chiusi si possono raggiungere concentrazioni molto elevate

Provenienza

Variabilità del radon

Nella stagione invernale il ghiaccio impedisce la

fuoriuscita del gas dal terreno che si indirizza verso

l'abitazione per effetto della depressione creata dal

fabbricato.

L'effetto dell'asfalto o del cemento è naturalmente identico.

Effetto della copertura nevosa o di asfalto

Variabilità del radon

La pioggia occlude il suolo e forza il gas verso l'abitazione.

Effetto della pioggia

Variabilità del radon

Il lato del fabbricato

sottovento è in depressione.

Il lato del fabbricato

sopravvento è in pressione.

Gli effetti sono evidenti sia sul fabbricato che sul suolo Effetto del vento

Variabilità della concentrazione nel

tempo

La normativa

• Il decreto 241/2000, che recepisce una direttiva della Comunità Europea (Direttiva 96/29/Euratom – Capo VII) ed è entrato in vigore il 1 gennaio 2001, fissa i limiti di concentrazione media annuale di radon per i luoghi di lavoro (fra essi sono naturalmente compresi istituti scolastici ed asili nido)

Livello di Azione = 500 Bq/m

Misure - Tipologia di campionamento

• Istantaneo: durata < 1h

– Caratterizzazione puntuale delle vie d’accesso o di riflusso dell’aria

• Continuo: serie di campionamenti istantanei

– Valutazione delle variazioni temporali delle grandezze in osservazione

• Integrato: senza soluzione di continuità

temporale (periodi compresi tra qualche giorno e diversi mesi)

– Valore medio della grandezza rilevate

• Attivo: Il campione viene prelevato mediante pompe o aspiratori

• Passivo: Il prelievo del campione avviene per fenomeni collegati alle variazioni

ambientali (ad esempio diffusione spontanea)

Misure - Modalità di

campionamento

Due sistemi di misura (1)

• Sistema Rad7

– sistema a campionamento attivo continuo.

• Basato su di un rivelatore a silicio, rivela la componente alfa e ne fa lo spettro.

• Permette di individuare i contributi dei diversi discendenti del Radon 222 e del Thoron.

– Sistema adatto a monitoraggio ambientale singolo di valori istantanei di

concentrazione.

Cos’è uno spettro

è un istogramma Sull’asse x: energia Sull’asse y: conteggi

Non memorizzabile in Rad7

Due sistemi di misura (2)

• Sistema E-Perm: sistema a campionamento passivo integrale.

– Basato su di una camera a ionizzazione polarizzata

elettricamente da un elettrete

– Questo svolge anche la funzione di rivelatore della carica prodotta nella camera dal decadimento del radon e dei suoi discendenti

– Dalla differenza tra il potenziale

dell’elettrete a fine misura e quello a inizio misura si risale, tramite

opportuni coefficienti di calibrazione, all’attività del radon presente in aria

Non ancora disponibile

elettrete

Posizione inattiva

Posizione attiva

Variatore di volume attivo

E-perm

• Sistema di uso pratico: semplice e adatto a monitoraggi ambientali multipli di valori medi di concentrazione.

Rad7

• Misura separatamente la concentrazione di radon e thoron, facendone lo spettro

• è un sistema a campionamento continuo, adatto quindi a misurare la variazione

temporale della concentrazione

• è un sistema a campionamento attivo:

l’aria viene convogliata nel volume attivo

tramite una pompa

Configurazione di lavoro

Rad7

Gesso anidro con tracciante

‘drystick’

entrata aria

uscita aria

scambio umidità

Rad7

• Rileva di proposito solo particelle alfa: è difficile

misurare beta e gamma con alta sensibilità e basso fondo

• Usa un rivelatore alfa a stato solido (silicio). Può misurare l’energia di ogni singola alfa (spettrometria)

• è così possibile sapere quale tipo di isotopo ha prodotto

ciascuna particella alfa

Rad7

• La cella di misura interna è un’emisfera di 0.7 l, rivestita di una pellicola conduttrice.

Un rivelatore alfa di silicio è posto al centro dell’emisfera.

• Usa un filtro all’entrata dell’aria:

– Il radon è un gas inerte e quindi passa attraverso il filtro ed entra nella cella di misura.

– I discendenti del radon invece si fermano nel filtro.

Rad7

• Un circuito opportuno

crea una ddp di circa 2.5 kV tra l’emisfera e il

rivelatore

• Il campo elettrico

risultante ha verso tale da portare gli ioni positivi verso il rivelatore

+

_

Rad7

• Un atomo di radon che decade nella cella,

produce un atomo di polonio ionizzato

positivamente

• Lo ione è portato dal campo elettrico sulla

superficie del rivelatore, ove aderisce

+

_ _ _ Po⁺

silicio Po

Rad7

• Quando il nucleo del polonio decade, l’alfa emessa ha il 50% di

probabilità di entrare nel rivelatore

• Decadimenti successivi del nucleo producono

beta (non rilevate) o alfa.

Anche per esse c’è la stessa probabilità di entrare nel rivelatore

_ _ _

silicio

Po Pb

alfa

Rad7

• Isotopi diversi

producono alfa di

energia diversa e quindi segnali di ampiezza

diversa nel rivelatore

• L’alfa emessa

direttamente dal Rn non appare nello spettro,

perché è prodotta in

aria, non alla superficie del rivelatore

Po 216

Po 218 Po 214

Rad7

• Nonostante Rad7 rilevi la progenie del radon, esso misura la concentrazione del radon (non della sua progenie)

• Concentrazione del radon in aria: è dell’ordine di 5-50Bq/m³

• Misura l’energia delle particelle alfa da 0 a 10 MeV. Questo intervallo è suddiviso in 200 canali di 0.05 MeV ciascuno

• Ogniqualvolta rileva un’alfa, il contenuto di uno di questi 200 canali è incrementato di una unità

Radon e Thoron

• Può accadere che i due gas siano presenti

contemporaneamente

• La possibilità di separarli sullo spettro ha un importante

vantaggio

• La breve vita media del thoron implica infatti che esso possa essere rivelato solo in

prossimità dei punti di entrata dei gas nell’ambiente

• La rilevazione del thoron

permette dunque di individuare tali punti

Po 216

Po 218 Po 214

Finestre dello spettro

• I 200 canali dello spettro sono raggruppati in 8 opportuni intervalli di energia (finestre). Ecco il contenuto delle quattro finestre più rilevanti:

– A (Radon+Thoron): conteggio totale delle alfa di 6 MeV del decadimento del Po²¹⁸, più le alfa di 6.05 MeV del decadimento del Bi²¹²

– B (Thoron): conteggio totale delle alfa di 6.78 MeV del decadimento del Po²¹⁶

– C (Radon): conteggio totale delle alfa di 7.69 MeV del decadimento del Po²¹⁴.

– D (Thoron): conteggio totale delle alfa di 8.78 MeV del decadimento del Po²¹²

Rn 222 3.82 giorni

α 6.00 MeV α

7.69 MeV

Po 218 3.05 min Po 214

164 µs

Pb 214 26.8 min Bi 214

19.8 min Pb 210

22.3 anni

α 5.49 MeV

β β

A: Po²¹⁸ 6.00 MeV C: Po²¹⁴ 7.69 MeV

A B C D

Nuovo Radon

6 7 8 9 MeV

Po 218

3.05 min Po 214

164 µs

Radon in equilibrio

A B C D

6 7 8 9 MeV

Vecchio Radon

6 7 8 9 MeV

A B C D

Pb 214

26.8 min

Bi 214

19.8 min

Rn 222

3.82 g

B: Po²¹⁶ 6.78 MeV A: Bi²¹² 6.05 MeV D: Po²¹² 8.78 MeV Vecchio Thoron

A B C D

6 7 8 9 MeV

Bi 212

60.6 min

Thoron in equilibrio

A B C D

6 7 8 9 MeV

Po 212

0.3 µs

α 8.78 MeV

Po 212 0.3 µs

α (1/3) 6.05 MeV

Bi 212

60.6 min α 6.78 MeV

Po 216 0.15 s

Rn 220 55.6 s

Pb 212 10.6 ore Pb 208

stabile

Tl 208 3 min β

α 6.29 MeV

β β (2/3)

Nuovo Thoron

6 7 8 9 MeV

A B C D

Po 216

0.15 s Bi 212

60.6 min

Pb 212

10.6 ore

Pb 212

10.6 ore

Rn 220

55.6 s

A: Po²¹⁸ 6.00 MeV + Bi²¹² 6.05 MeV B: Po²¹⁶ 6.78 MeV

C: Po²¹⁴ 7.69 MeV D: Po²¹² 8.78 MeV

Radon in equilibrio + nuovo Thoron

A B C D

6 7 8 9 MeV

Radon + Thoron in equilibrio

6 7 8 9 MeV

A B C D

Nuovo Radon + nuovo Thoron

6 7 8 9 MeV

A B C D

Radon in equilibrio + vecchio Thoron

6 7 8 9 MeV

A B C D

Vecchio Radon + nuovo Thoron

A B C D

6 7 8 9 MeV

Nuovo Radon + vecchio Thoron

A B C D

6 7 8 9 MeV

Vecchio Radon + vecchio Thoron

A B C D

6 7 8 9 MeV

Attività sperimentale

• Vista l’incompletezza del sistema quel che faremo si limiterà a

– Scaricare i dati dal Rad7

– Formattarli in un foglio excel

– Tracciare il grafico dei dati di concentrazione in funzione del tempo

– Calcolare la media su tutto il periodo e sui diversi giorni di presa-dati

– Evidenziale la variabilità della concentrazione all’interno del giorno e della settimana