Valenza didattica (aggiunta e principale) Individuazione della grandezza da misurare. Misure ccomplementari/alternative

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1 Misura del coefficiente di emanazione del radon da un materiale poroso Valenza didattica (aggiunta e principale) Contesto Tematica Individuazione della grandezza da misurare Metodologia di misura Misure ccomplementari/alternative

2 Tecniche adottate Spettrometria gamma ad alta risoluzione con rivelatore al germanio iperpuro. Spettrometria alfa in aria di ioni radioattivi trasportati da un campo elettrico su di un rivelatore al Si a barriera superficiale Modulistica elettronica utilizzata Catene standard per spettrometria delle radiazioni ionizzanti (P.A. Amplificatore, ADC-MCA) Nozioni richieste Elementi di radioattività e nozioni sull interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia

3 radionuclidi nell ambiente radionuclidi antropogenici: a vita media breve (in misura minore anche lunga), prodotti artificialmente per vari scopi (produzione di energia, armamenti, controlli industriali, diagnostica e terapia medica, ) radionuclidi primordiali: prodotti al tempo della formazione del sistema solare, sono sopravvissuti fino a oggi perché la loro vita media è dell ordine dell età della terra (miliardi di anni) e sono presenti in tutte le rocce che costituiscono la litosfera radionuclidi cosmogenici: a vita media più breve, prodotti naturalmente per bombardamento dell atmosfera da parte dei raggi cosmici e la loro abbondanza è (quasi) all equilibrio ( 7 Be, 14 C, )

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5 Tra questi radionuclidi alcuni presentano una caratteristica in più cher li rende interessanti Il 222 Rn è abbondante ed ha una vita media relativamente lunga ( 4 d)

6 Il 220 Rn è abbondante ma ha una vita media breve (< 60 s)

7 Il 219 Rn è poco abbondante ma ha una vita media breve (< 4 s)

8 Equazioni che regolano l andmento dei membri di una serie radioattova t = 0 N1 0 N 2 = N 3 =...N n = 0 una serie è in equilibrio se dn 1 dt dn 2 = λ 1 N 1 dn i dt = 0 = λ 1 N 1 λ 2 N 2 dt dn 3 = λ 2 N 2 λ 3 N 3 dt... dn n dt = λ n 1 N n 1 λ n N n λ 1 N 1 = λ 2 N 2 =... = λ i N i dn 1 dt Che equivale a dire = dn 2 dt =... = dn n dt Se c è equilibrio radioattivo, le attività sono uguali tra loro. Questo fatto ha molte implicazioni di ordine pratico. p.e.: si può ricavare l attività di un elemento della serie dalla misura di quella di qualunque altro

9 Attività di del radon e dei suoi discendenti in un sistema isolato 2,50E-03 attività 2,00E-03 1,50E-03 1,00E-03 5,00E-04 1,00E-09 Rn222 Po218 Pb214 Bi214 Po Tempo in secondi La misura dell attività del radon si basa esclusivamente sulla misura della concentrazione dei figli

10 Emanazione del radon Solo una frazione del radon prodotto in una matrice porosa abbandona il sito di origine ed è disponibile per penetrare negli ambienti confinati. Misurare questa frazione è importante perché da essa, oltre che dalla concentrazione del progenitore (U, Ra) dipende la quantità di radon che viene rilasciata da un materiale

11 Misura del coefficiente di emanazione Il coefficiente di emanazione è definito come rapporto: Concentrazione di radon emanato / concentrazione di radon totale Misura del radon generato nel materiale in equilibrio col predecessore Dalla spettrometria γ con rivelatore a GeHP sul campione sigillato, si ricava l attività specifica del 222 Rn dalle righe a 352 e 609 kev 220 Rn dalla riga a 729 kev Misura del radon emanato, che cresce nella camera secondo la legge: dc dt = E V λ C C(t) = E V λ (1 eλt ) Il valore di saturazione dell equazione (E/(V.k) rappresenta la massima quantità di radon fuoriuscita dal campione ed è l attività specifica che viene usata per il calcolo del coefficiente di emanazione. Esso può essere ottenuto da un best-fit dei dati sperimentali

12 Se la misura di radon viene effettuata in condizioni di equilibrio radioattivo (dopo almeno tre ore dalla chiusura ermetica del campione nel contenitore in cui sarà effettuata la misura) l attività potrà essere misurata a partire da qualunque degli isotopi della serie in equilibrio con essa. Per la misura dell attività totale contenuta nel campione si ricorre alla spettrometria gamma.

13 Diseccitazione gamma seguente un decadimento β -. (fenomeno che riguarda la stragrande maggioranza dei decadimenti) 137 Cs (30 y) Schema di decadimento del 137 Cs e definizione del gamma branching ratio β - 1 E 1 =514 kev, 82.5% β kev, 17,5 % 11/2-662 kev branching(662 kev) = N β 1 N β 1 + N β 2 3/2 + g.s. γ 137 Ba Eγ=662 kev

14 Spettro gamma ottenuto con rivelatore al germanio (alta risoluzione) Conteggi/canale Canali (energia)

15 h ,0 1650,0 1700,0 1750,0 1800,0 Energia (kev) canale (energia)

16 Per la misura della frazione emanata, si ricorre alla spettrometria alfa applicata con un rivelatore particolare.

17 Rivelatore a raccolta elettrostatica dei prodotti del radon Verso massa Rivelatore di particelle 3500 V campione Un campo elettrico creato tra le pareti della camera e il rivelatore provoca la raccolta degli ioni 218 Po + ( 216 Po + per il thoron) su quest ultimo, permettendo la misura dello spettro delle particelle α emesse. Le caratteristiche principali di questo rivelatore sono: Totale assenza di rumore di fondo Buona risoluzione in energia che permette di distinguere le diverse righe, quindi possibilità di separare i prodotti del 222 Rn da quelli del 220 Rn Lieve interferenza dovuta il 212 Bi, superata dalla buona separazione del 214 Po (U) e del 216 Po (Th)

18 Schema del rivelatore basato sulla a raccolta elettrostatica dei p.d.d. ionizzati del radon Verso massa Rivelatore di particelle δω + α La tipica velocità di deriva degli ioni è pari a 10 4 cm/s. Atomo di 222 Rn Traiettoria di uno ione Il tempo medio di raccolta è 10-3 s, trascurabile rispetto al tempo di dimezzamento del 218 Po ( 180 s). + Ione di 218 Po rinculo α + Traiettoria del 222 Rn prima del decadimento Quindi tutti gli ioni possono in principio raggiungere il rivelatore prima di decadere V

19 La raccolta elettrostatica La differenza di tensione tra il corpo della cella (3500 volt) e il rivelatore (massa) genera il campo elettrostatico di raccolta. Il campo spinge i figli del Rn, ionizzati positivamente ( Po + ), dalle pareti della cella verso il rivelatore. Il successivo decadimento degli ioni Po genera particelle α che possono essere rivelate. Traiettorie degli ioni trasportati dal campo elettrostatico

20 Spettro α di sorgenti di 222 Rn e 220 Rn 1200 U-238 Th Po Bi212 Po214 Po212 Po Po210 Bi212 coinc α + β E (kev) Questa tecnica consente una misura analitica del radon presente nell aria della cella

21 Da una serie di spettri alfa si ottiene la curva di crescita del radon nella camera di diffusione ricostruita dall andamento del 214 Po. Il suo fit permette di ricavare il valore di saturazione 1200 PO tempo (h) y = m1 *(1-exp(- m2*m0)) Value Error m m2 0,0076 0,0001 Chisq 6,428e+05 NA R 0,98896 NA

22 Corollari alla proposta principale 1 - misura del coefficiente di emanazione del thoron la procedura è simile a quella che si segue per il radon, ma: 2 - occorre misurare l efficienza della camera a raccolta elettrostatica per il thoron è interessante perché una sorgente stabile di thoron non può essere realizzata, quindi: 3 - occorre preparare e caratterizzare una sorgente stabile di thoron Anche alla base di queste altre misure sono la spettrometria gamma ed alfa