Applicazioni industriali di radioisotopi e radiazione

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

_i

i

∑ ^{(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

_t

e

^−µtx

dx

€

x = xp(x)dx = µ

_t

xe

^−µtx

0

∞

∫ ^{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

^−µtx1/2

da cui si ricava x

_1/2

= ln2

µ

_t

Gauges 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

€

µ_t• 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

₀

e

^−µmρt

con

€

µ_m (cm2/g) coefficiente di attenuazione di massa, con

€

µ_m =µ_l / ρ, essendo

€

µ_l (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

_t

Δt = µ

_t1

Δt

₁

+ µ

_{t 2}

Δt

₂

+ ⋅ ⋅⋅⋅ µ

_ti

Δt

_i1

Applicazione 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)