Applicazioni industriali di radioisotopi e radiazione
Il goal della moderna industria e’ di produrre prodotti di qualita’, piu’ economici possibili usando tecniche che riducano l’impatto con l’ambiente.
Le tecniche nucleari contribuiscono a questo fine quando sono impiegate a:
- ottimizzare l’efficienza dei processi industriali
- diagnosticare problemi nelle operazioni degli impianti
- esaminare componenti industriali usando metodi non distruttivi - analizzare la composizione e struttura dei materiali
- trattare materiali con radiazioni H.E. a scopo di sterilizzazione e modifica proprieta’
- valutare l’impatto dello sviluppo industriale ed urbano sull’ambiente
Ottimizzazione e controllo impianti industriali
Principalmente dipende dalla misura di partametri chiave, che forniscono dati per sofisticati programmi di controllo e diagnosi dei processi.
Una ampia gamma di “regoli nucleari” sono stati sviluppati per acquisire dati per gli impianti industriali.
Esempi includono misure di:
- livelli e densita’ di materiali in silos e condotte - spessori di fogli e rivestimenti
- l’ammontare di quantita’ e proprieta’ di materiali su nastri trasportatori
I regoli consistono generalmente di due p piu’ sorgenti di radiazione ed un sistema di rivelatori ottimizzati per le misure di interesse.
L’output e’ in tempo reale e quindi puo’ essere usato per controllo, ottimizzazione e diagnostica
I regoli sono montati esternamente all’apparato e quindi non “disturbano”.
Diagnosi dei problemi nelle operazioni degli impianti
La tecnica dei “traccianti radioattivi” e’ comunemente usata per studiare
i punti deboli nelle operazioni di un impianto, es: per studiare perdite di efficienza, individuare perdite nelle pipeline, negli scambiatori di calore, nel flusso etc.
Questo e’ un approccio “sperimentale” a cui ultimamente si e’ aggiunto l’uso massiccio di modelli matematici che per la loro validazione utilizzano la tecnica die traccianti.
Test e ispezione di materiali
L’uso della radiografia e tomografia in ambito industriale e’ diventata pratica diffusa perche’, con le recenti tecniche di data processing, e’ possibile ispezionare manufatti in 2D e 3D senza distruggerli.
Analizzare la composizione e struttura dei materiali
La conoscenza della composizione, struttura e compatibilita’ di materiali e’ spesso richiesta nella fase progettuale di un impianto industriale.
Tecniche basate sulla attivazione neutronica , fluorescenza dei raggi X sono impiegate per l’analisi di elementi, mentre si sono sviluppati metodi basati su raggi X, elettroni e neutroni per studi di strutture e compatibilita’.
Modificazione e sintesi di materiali
Il passaggio di radiazione ionizzante attraverso la materia porta a cambiamenti chimici e fisici, sfruttabili industrialmente. Fasci intensi di radiazione sono anche impiegati nella sterilizzazione, es. di prodotti medicali o prodotti deperibili.
Applicazioni ambientali
Radioisotopi sono usati per studiare il trasporto di contaminanti attraverso l’ecosistema terrestre e marino
Processi fisici della radiazione, carica e neutra, utilizzati nell’industria :
- Attenuazione
- Cessione di Energia - Penetrabilita’
- Scattering
Applicazioni dei raggi gamma
I raggi gamma sono trovano molte applicazioni per la facilita’ con cui sono rivelati, infatti basta un rivelatore, ad esempio un cristallo NaI(Tl) ed un DAQ.
I raggi gamma, come anche i neutroni, essendo particelle neutre penetrano nei materiali e viaggiano per linee rette tra due urti. L’attenuazione della
radiazione neutra e’ un fenomeno impiegato in molte applicazioni industriali.
Da ricordare:
- coefficiente di attenuazione lineare o coefficiente di interazione totale lineare e’ la probabilita’ di interazione per unita’ di lunghezza di cammino.
€
µ
t(E) = µ
ii
∑ (E )
- La probabilita’ media che una particella NON interagisca lungo un cammino x e’:
L’intensita’ di un fascio parallelo di particelle neutre I0 [cm-2s-1] nell’atttraversare un materiale diminuisce con una legge esponenziale
€
I
0( x) = I
0(0)e
−µtx€
P (x) = e
−µtx- la distanza media che una particella percorre prima di un urto - la probabilita’ di interazione tra x e x+dx e’:
€
p( x)dx = P (x)P(dx) = µ
te
−µtxdx
€
x = xp(x)dx = µ
txe
−µtx0
∞
∫ dx = µ 1
0 t
∫
∞Lunghezza di libero cammino medio
- “half-thikness , x1/2“ : spessore di un materiale che dimezza l’intensita’ della radiazione
€
1
2 = I(x
1/2)
I(0) = e
−µtx1/2da cui si ricava x
1/2= ln2
µ
tGauges di livello
Strumenti usati per la rivelazione e misura di radiazione nucleare sono spesso conosciuti come “gauges” o calibri e il loro uso e’ detto “gauging”.
Per i calibri di livello sono importanti:
- l’energia dei raggi gamma
L’energia deve essere tale da penetrare attraverso le pareti del contenitore e al tempo stesso avere una intensita’ che si attenuarsi in modo sensibile.
l’ottimo si ha per
€
µt• d = 1, essendo d lo spessore del materiale lungo il fascio
- il tempo di dimezzamento deve essere abbastanza lungo (>= anni), es. 60Co, 137Cs, il 241Am sono molto impiegati perche’ le energie sono anche ben conosciute.
- l’attivita’ della sorgente
L’attivita’ della sorgenete deve essere tale da non richiedere uno schermo eccesivo e contemporaneamente deve essere intensa sufficinetemente da permettere un
Calibri di densita’
I calibri di densita’ servono a misurare la densita’ del materiale interposto tra la sorgente e il rivelatore, misurando l’ATTENUAZIONE di un fascio collimato di raggi gamma.
€
I
t= I
0e
−µmρtcon
€
µm (cm2/g) coefficiente di attenuazione di massa, con
€
µm =µl / ρ, essendo
€
µl (cm-1) e
€
ρ (g/cm3) la densita’.
I calibri di densita’ differiscono da quelli di livello, perche’ questi ultimi sono in pratica dei on/off switches, per la densita’ necessario misurare differenze d ~0.1%, quindi necessari:
- fascio ben collimato
- energia e intensita’ raggi gamma ben calibrate Per ridurre al 50% l’intensita’ , It=0.50 I0,
il range dei raggi gamma nel campione deve essere
€
t
50%≈ 0.693 / µ
t≈ 0.693 / (µ
l/ ρ
av)
Radiografia e tomografia computerizzata (CT)
Radiografia con gamma ray e’ una importante applicazione industriale degli isotopi.
E’ impiegata per monitorare la struttura interna dei manufatti e controllare l’integratita’
ad es. delle saldature.
L’intensita’ della sorgente deve essere calibrata al fine di avere una immagine con sufficiente risoluzione da distinguere i particolari di interesse.
GENERALMENTE 50% di trasmissione del fascio e’ l’ottimale. Le sorgenti piu’ usate sono:
90Co, 137Cs e 192Ir.
La tomografia computerizzata (CT) e’ una estensione della CT sviluppata a partire dagli anni 80 per la diagnosi medicale. Pratica comune nell’industria.
I principi della CT sono basati sull’equazione dell’attenuazione dei raggi gamma nel materiale
€
ln(I
0/ I
t) = µ
tΔt = µ
t1Δt
1+ µ
t 2Δt
2+ ⋅ ⋅⋅⋅ µ
tiΔt
i1Applicazione radiazione beta
Le interazioni dei raggi Beta con la materia e’ principalmente l’interazione Coulombiana.
Il range di elettroni monoenergetici, dipende da energia degli elettroni e dalla densita’
(g/cm3) del materiale.
Dato il corto range, la loro attenuazione e’ usata per misurare spessori di carta, gomma e plastica.
Le sorgenti Beta commerciali piu’ usate sono: 85Kr (T1/2= 10.73 y, Emax=672 KeV), 147Pm (T1/2= 2.62 y, Emax=225 KeV)