La radioattività: un affascinante fenomeno fisico

Transcript

1

2 La radioattività: un affascinante fenomeno fisico IZSVe Fabio Mantovani Dipartimento di Fisica Università di Ferrara

3 Sommario

4 Se dico radioattività, tu pensi a

5 Decadimento Alfa Decadimento Beta La radioattività La radioattività è un fenomeno fisico naturale che si verifica quando il nucleo di un atomo instabile raggiunge un nuovo stato di equilibrio emettendo radiazioni 1 Bq = 1 decadimento al secondo Decadimento Gamma

6 La radioattività ed il nostro corpo L energia ceduta per unità di massa dalla radiazione ionizzante si chiama dose (Gy = gray = J/kg). Per quantificare l'impatto sugli organismi della radiazione ionizzante bisogna tener conto del tipo di radiazione e della distribuzione della dose agli organi: dose efficace (Sv = sievert) Esposizione media della popolazione alle radiazioni ionizzanti * Radon 13% 1% Cibo e acqua potabile 20% 43% Terra Medicina 15% * UNSCEAR 2000 Report - United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation 8% Raggi cosmici Attività nucleari umane

7 La U chain and secular equilibrium radioattività terrestre dall uranio Anti-neutrini prodotti dai decadimenti β nella catena di U: i geo-neutrini. γ ν Premio Nobel per la chimica: "in recognition of her services to the advancement of chemistry by the discovery of the elements radium and polonium

8 Solo da 5 anni siamo in grado di misurare i geo-neutrini!!! ν e ν e νe + ν e + p n + e 1.806MeV ν e ν e ν e ν e + e n Solo due rivelatori al mondo sono in grado di misurare questa radioattività : KamLAND (Giappone) e Borexino (Italia)

9 Borexino: un detector contenente 300 tonnellate di liquido scintillante

10 Borexino: un detector composto da 2200 rivelatori di luce

11 Terra incognita Perforazione più profonda: 12 km Disponiamo solo di campioni della crosta e del mantello: profondità massima ~400 km. L esplorazione sismica ci dà informazioni sulla struttura ma non sulla composizione. Geo-neutrini: una sonda per l espolazione della Terra Escono istantaneamente e senza interagire Portano in superficie informazioni utili per capire la distribuzione di U e Th nella Terra

12 20% 13% 1% 43% Radon Cibo e acqua potabile Terra Medicina 15% 8% Raggi cosmici Attività nucleari umane

13 U chain and secular equilibrium Mappatura della radioattività nel mondo? * Compiled by Sally Barritt, Radioelement Mapping, IAEA.

14 U chain and secular equilibrium Costruzione di nuovi impianti nucleari nel mondo* * International Status and Prospects of Nuclear Power IAEA 2010

15 U chain and secular equilibrium Numero di reattori in costruzione nel mondo 1 Attualmente sono operativi 441 impianti nucleari che producono 375 GW(e), ovvero il 14% dell energia elettrica mondiale e il 5.7% dell energia primaria totale 2. 1 International Status and Prospects of Nuclear Power IAEA IAEA PRIS (Power Reactor Information System) Updated 2010

16 U chain and secular equilibrium Età degli impianti nucleari nel mondo * Chernobyl Three Mile Island * International Status and Prospects of Nuclear Power IAEA 2010

17 Qual è la seconda regione italiana che ha avviato una mappatura della radioattività del suo territorio? Il Veneto (fondi privati!)?

18 La spettroscopia gamma La spettroscopia gamma è una tecnica spettroscopica in grado di misurare non solo l attività specifica, ma anche l energia dei fotoni emessi dai diversi radionuclidi. 238 U, 235 U and 232 Th decay chains, 40 K, 7 Be 137 Cs, 241 Am, 154 Eu, 155 Eu, 125 Sb, 60 Co, 131 I, 99 Tc, 91 Sr, 237 Np (d.c.)

19 Spettroscopia gamma a diverse scale in laboratorio in situ in volo ~ 0.1 m ~ 10 m ~ 100 m

20 Misure in laboratorio: MCA_Rad system Detectors: 2 HPGe (Rel. Eff. 80%) Risoluzione Energetica: 2.02 kev at 1.33 MeV Temperatura di funzionamento: ~ -190 C Schermatura: Cu, Pb Volume del campione: 200 cc Durata misura standard: ~ 1 h Errore sistematico sulla misura dell attività assoluta: < 5% Grado di automazione: 38 campioni con lettore di codice a barre Conforme alle linee guida IAEA 1 e alla norma ANSI N Guidelines for radioelement mapping using gamma ray spectrometry data. IAEA-TECDOC-1363, American National Standard for calibration and use of Germanium Spectrometers for the measurement of Gamma-Ray emission rates of radionuclides. ANSI N

21 Misure su campioni di roccia e suolo

22 Alcuni risultati preliminari delle misure su campioni di roccia

23 Misure in situ: Za_NaI Lo Za_NaI è uno strumento portatile dedicato alla determinazione quantitativa insitu della radioattività gamma di origine naturale ed antropica. Richieste Soluzioni Strumento Portatile Veloce Lunga autonomia Risposta in real time Sensori accessori Risoluzione energetica 0.3L NaI(Tl) detector ~ 4 kg zaino Standard acquisition time: 5-10 min Elettronica integrata USB Digibase (1024 channel) Power Aut.: 6 hours Laptop EeePC Asus Software Maestro USB GPS antenna, USB Temp&Humidity sensor Energetic resolution 12.5% (662 kev 137 Cs), 15% (122 kev 57 Co)

24 Lo Za_NaI all opera

25 Za_NaI: alcuni dettagli r h Per il detector posto ad un altezza h, il 90% del segnale non scatterato avente E = 2614 kev) viene da un area circolare omogenea di raggio r h (m) r (m)

26 Applicazioni sui materiali lapidei

27 Misure di radioattività airborne Nell impostare la campagna di voli abbiamo seguito i suggerimenti delle linee guida dell IAEA: questo ci permetterà di confrontarci con altre esperienze internazionali. speed ~100 km/h height ~ 100 m spot 0.21 km 2 field of view flight lines line spacing ~ 0.5 km Il velivolo deve seguire la morfologia del territorio.

28 Misure airborne: AGRS_16

29 Aircraft Carico massimo ~120 kg Velocità 100 km/h Costo 500 / h AGRS system Canali Detector NaI(Tl) 4 x 4L + 1 x 1L Massa 117 kg ADC and MCA individual Output list mode Altimetro P&T sensor Alimentazione battery Navigatore Co-pilot monitor Data processing Isotopi 40 K, eu, eth, 137 Cs Analisi spettrale FSA with NNLS Specifiche tecniche 10.2cm 40.8cm 10.2cm 10.2cm Autogiro 10.2cm 40.6cm channel 5 channel 1 channel 2 channel 4 3 channel

30

31

32

33

34 Telemetria del sistema (quota, posizione, spettri gamma, sensori di pressione e temperatura): collegamento wireless fino a pochi istanti prima del decollo.

35

36 Summary of airborne survey Region Tuscany Regional area km 2 Surveyed area ~ 20% N. Eff. flights 33 Total hours ~ 100 Data amount ~ 30 GB Period Apr.-Jun. 10

37 Risultati AIRBORNE survey: l Isola d Elba Volo realizzato il giorno 3 giugno 2010 Durata del volo: 2 h Estensione dell isola: 225 km 2 Numero di spettri raccolti: 805 (10 sec)

38 Il volo realizzato

39 Isola d Elba: attività totale misurata su campioni Total activity (Bq/kg) 2700 ± 52 Total activity (Bq/kg) 38 ± 6 Total activity (Bq/kg) 1080 ± 33 Total activity (Bq/kg) 186 ± 14

40 Attività totale (Bq/kg) ottenuta da AGRS survey Portoferraio Rio nell Elba Marciana Campo nell Elba Porto Azzurro Capoliveri Total activity (Bq/kg) 2700 ± 52 Total activity (Bq/kg) 1080 ± 33 Total activity (Bq/kg) 38 ± 6 Total activity (Bq/kg) 186 ± 14

41

42 Grazie al team! Bellotti Enrico, Bezzon Pietro, Boggini Carlo, Buso Paolo, Callegari Ivan, Carmignani Luigi, Colonna Tommaso, Di Carlo Giuseppe, Fantozzi Piero, Fiorentini Giovanni, Guastaldi Enrico, Mantovani Fabio, Mariani Sara, Massa Giovanni, Rossi Alvarez Carlos, Xhixha Gerti, Shyti Manjola, Claudio Pagotto, Mauro Antongiovanni, Antonio Caciolli, Liliana Mou

43