dal 15 al 26/06/2015 Gerti Xhixha

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1 dal 15 al 26/06/2015 Gerti Xhixha 1

2 Strumenti di misura della radiazione ionizzante Il processo di ionizzazione La radiazione ionizzante Interazione della radiazione con la materia Definizione e unità di misura della dose Strumenti di misura della radiazione ionizzante Rivelatori a gas Rivelatori a scintillazione Rivelatori a semiconduttore

3 Il processo di ionizzazione La ionizzazione è un processo fisico nel quale gli atomi o le molecole, aggiungendo o rimuovendo delle particelle cariche, si trasformano in ioni. Uno ione positivo si produce quando un elettrone, legato all atomo o alla molecola, assorbe una quantità caratteristica di energia chiamata energia di ionizzazione I (ev). I è dunque l energia necessaria per rompere il legame e per mettere l elettrone in movimento sfuggendo dall atomo o dalla molecola. X X e I (ev ) L energia di ionizzazione è dell ordine dell ev (Es. I(H) = 13.6 ev).

4 La radiazione ionizzante radiazione non-ionizzante Esercizio: Quanto vale l energia della luce visibile, es. per una frequenza di 1014 Hz. Hint: h = ev s radiazione ionizzante fo to n e I processi nucleari rilasciano radiazioni aventi energia dell ordine del kev o del MeV: questa energia è sufficiente per ionizzare atomi o molecole. Per questo motivo si chiamano radiazioni ionizzanti.

5 Caratteristiche principali delle radiazioni e Emissione Particella: 2p + 2n Massa: kg Carica: positiva Penetrazione: bassa [foglio di carta] Ionizzazione: alta [~ 105 coppie prod.] Processo: A Z X AZ 24 Y Emissione Particella: e Massa: kg Carica: negativa/positiva Particella: fotone Massa: 0 Carica: neutra Penetrazione: media [1 mm di Pb] Penetrazione: alta [10 cm di Pb] Ionizzazione: media [~ 104 coppie prod.] Ionizzazione: bassa [~ 1 coppie prod.] Processo: A Processo: Z Emissione X A Z 1 Y A Z X* AZ X

6 Interazione della radiazione con la materia La particella è un prodotto di decadimento avente un energia dell ordine del MeV, una carica positiva (2+) e una massa ~6.6 x kg. Il meccanismo principale di interazione delle particelle cariche è tramite l interazione Coulombiana con gli elettroni degli atomi e in una frazione più piccola il Rutherford scattering. A causa della loro massa e carica, le particelle si muovono in modo relativamente lento e cedono tutta la loro energia in tragitti brevi, creando delle tracce molto dense, significativo di un numero elevatissimo di interazioni. Un parametro importante che quantifica il ritmo di perdita di energia per unita di spostamento è il Potere Frenante (Stopping Power) chiamato anche LET (Linear Energy Transfer) che dipende dal tipo di particella. La loro perdita di energia varia con il materiale; esso è definito come la perdita di energia della particella nel materiale divisa per la lunghezza percorsa durante il tragitto. Esempio: In aria o in un tessuto molle la E particella perde circa 30 ev per coppia di si esprime in ev/m S ioni creati. x

7 Grandezze caratteristiche: interazione delle particelle con la materia Il potere frenante per una particella in acqua è circa S = 1700 MeV/cm = 1.7 x 106 ev/μm. Questo significa che una particella che attraversa 1 μm (10 volte più piccolo rispetto alle dimensioni di una cellula) rilascia una energia pari a 1.7 x 106 ev, creando un alto numero di ionizzazioni (circa 6 x 104 ionizzazioni). Esercizio: Considerando un particella di energia di 5 MeV, è possibile che essa attraversi uno strato di 70 m epidermide (pelle) avente spessore di 70 μm? Conoscendo sia le densità dei vari materiali sia il potere frenante dipendente dalla densità degli elettroni, si può calcolare il percorso delle particelle a nei vari materiali. Esempio: L aria ha una densità circa 1.3 kg/m3 mentre l acqua ha una densità di circa 1000 kg/m3: il percorso in aria è 1000/1.3 = 770 volte maggiore rispetto al percorso in acqua.

8 Interazione della radiazione con la materia Una particella può avere una carica negativa (1-) o positiva (1+); essa ha una massa uguale alla massa del elettrone ~9, kg. La particella ha una massa molto più piccola rispetto alla particella ed ha una carica inferiore, che le permettano di muoversi più veloce cedendo la sua energia principalmente per ionizzazione o eccitazione dei atomi o molecole e percorrendo dei tratti più lunghi e più dispersi. Il trasferimento di energia delle particelle dipende principalmente dal numero di elettroni presenti nel materiale assorbente e, in una frazione più piccola, dal numero atomico Z del mezzo.

9 Grandezze caratteristiche: interazione delle particelle con la materia Il potere frenante per una particella in acqua è circa S = 2 MeV/cm = 200 ev/μm. Questo significa che una particella che attraversa 1 μm (10 volte più piccolo rispetto alle dimensioni di una cellula) rilascia una energia pari 200 ev, creando un numero basso di ionizzazioni (circa 6-7 ionizzazioni). Esercizio: Considerando lo stesso esercizio, per un particella di energia massima di 1.7 MeV (emessa da 3215P) calcolate se questa particella può attraversa lo strato epidermide (pelle) che ha un spessore di 70 μm. 70 m Esercizio: Conoscendo le densità dei vari materiali di es. aria e acqua (ρaria = 1.3 kg/m3 ed ρ acqua = 1000 kg/m3), calcolate il percorso di una particella di energia massima di 1.7 MeV in aria: confrontate il vostro risultato con le particelle con una energia di 5 MeV.

10 Interazione della radiazione con la materia Le particelle cariche come le particelle e sono principalmente radiazioni direttamente ionizzanti. Invece i raggi possono indurre delle ionizzazioni dirette e indirette, in quanto possono produrre ionizzazione solo dopo aver ceduto la loro energia ad una particella carica (un elettrone o un protone o un nucleo). L interazione di queste radiazioni con la materia segue leggi probabilistiche! La legge che descrive l assorbimento di un fascio di fotoni incidenti I0 e data da una legge esponenziale: t 1cm I I 0 e t dove t è lo spessore del materiale e μ (cm-1) è una quantità chiamata il coefficiente lineare di attenuazione che, per una fascio di energia E, dipende dalle proprietà chimiche e fisiche del materiale. I0 100 photons I 90 photons I raggi non sono altro che radiazioni elettromagnetiche (e.m.) proprio come la luce visibile, le onde radio o le microonde che trasporta l energia.

11 Meccanismi di interazione gamma con la materia I fotoni possono interagire con la materia in modi diversi a seconda dell energia che trasportano. I principali meccanismi di interazione della radiazione gamma con la materia predominanti negli intervalli energetici sono: Energia (Eγ < 0.5 MeV) Effetto fotoelettrico Energia (0.5 < E γ < 1 MeV) Effetto Compton Energia (Eγ > MeV) Produzione di Copie Come risultato dei tre meccanismi di interazione viene emesso un elettrone.

12 Effetto fotoelettrico Un fotone di bassa energia (>0.5 MeV) può collidere con un elettrone orbitale, il quale assorbe totalmente la sua energia e scappa dall atomo. Nel 1905, Albert Einstein, espose l'interpretazione corretta, per la quale ricevette il Premio Nobel per la fisica nel Effetto fotoelettrico Ee h L elettrone viene espulso con una energia uguale all energia del fotone (E = hν) diminuito del lavoro compiuto dall elettrone per scappare dalla superficie del materiale. Durante questo effetto vengono espulsi gli elettroni degli orbitali più interni, lasciando l atomo in uno stato eccitato. Gli elettroni degli orbitali superiori scendono a ricoprire la vacanza e nello spostamento vengono emessi raggi X.

13 Effetto Compton - L effetto Compton noto anche come Compton scattering ha un peso importante per fotoni di energia media (tra MeV) e consiste nella collisione di un fotone con un elettrone di un orbitale esterno il quale forma dei legami relativamente più deboli nel atomo. Compton scattering - Dalla collisione il fotone viene disperso con energia inferiore e direzione diversa da quella incidente. Viene inoltre emesso un elettrone con energia pari all energia persa dal fotone incidente, secondo la relazione: h ' (1 cos ) me c dove λ e λ sono le lunghezze d onda del fotone incidente e diffuso, h = x Js e la constante del Plank, me e la massa del elettrone, c e la velocità della luce e θ e l angolo di diffusione.

14 Dose efficace annuale La radiazione terrestre esterna può variare a seconda della geologia (roccia e del suolo; il radon) e l'altitudine (radiazioni cosmiche) dove la gente vive - compreso tra 1 e 10 msv/y, ma può essere superiore a 50 msv/y. Il radon è un gas radioattivo presente in natura: di solito la dose per l esposizione interna è di circa 1.2 msv/y, e spesso fino a 10mSv/y, dovuta al radon, soprattutto nelle abitazioni. The average annual effective dose rate is around 2.4 msv/yr Radiazioni derivanti dalle attività umane solitamente rappresenta fino al 15% dell'esposizione del pubblico ogni anno: principalmente i raggi X e altre procedure mediche rappresentano la maggior parte dell'esposizione. Meno dell'1% dell esposizione è dovuta al fallout radioattivo dai test nucleari passati o dalla generazione di energia elettrica nucleare. 14

15 La dose La dose assorbita di radiazione è definita in termini di energia assorbita per unità di massa di tessuto ed è espressa in unità chiamate Gray (Gy): E D m J 1[Gy ] 1 kg Unità di uso comune: milligray (mgy) = 10-3 (Gy) microgray (µgy) = 10-6 (Gy) sorgente radioattiva Prima dell'introduzione del sistema SI delle unità di misura, la dose di radiazioni veniva misurata in rad (radiation absorbed dose): ergs g 1[rad ] 100 dove 1 [J] = 107 [ergs]. 1[Gy ] 100 [rad ] 15

16 Dose equivalente La dose equivalente esprime l'effetto biologico sul corpo intero (tessuto) uniformemente irradiato da un tipo di radiazione R con un fattore di ponderazione WR. L unità di dose equivalente è Sievert (Sv). Per più tipi di radiazioni richiedere il calcolo di ogni tipo : H T WR DT, R R 1 J / kg 1[ Sv] Unità di uso comune: millisievert (msv) = 10-3 (Sv) microsievert (µsv) = 10-6 (Sv) dove HT è la dose equivalente assorbita dal tessuto T, DT,R è la dose assorbita nel tessuto T per il tipo di radiazioni R, WR è il fattore di peso per la radiazione definito dal regolamento. Fattori di presso per il tipo di radiazioni W R (ICRP report 103) X-rays, gamma-rays, beta particles, muons neutrons WR protons, charged pions 2 alpha particles, nuclear fission products, heavy nuclei Negli Stati Uniti è ancora usato il rem (röntgen equivalent man): 1 [Sv] = 100 [rem].

17 . Dose efficace La dose efficace (E) esprime l'effetto biologico del tipo di tessuto T avente un fattore di ponderazione WT parzialmente irradiato in modo uniforme da un tipo di radiazione R con un fattore di ponderazione WR. L unità di dose equivalente è Sievert (Sv). Per più tipi di radiazioni richiedere il calcolo di ogni tipo : 1 J / kg 1[ Sv] E WT H T WT WR DT, R T T R Fattori di peso (ICRP report 103) where HT è la dose equivalente assorbita dal tessuto T, WT è il fattore di ponderazione del tessuto definito dal regolamento, WR è il fattore di peso per la radiazione definito dal regolamento, DT,R è la dose assorbita nel tessuto T per il tipo di radiazioni R. Per irradiazione completa (uniforme), se l'intero corpo viene irradiato uniformemente, la somma dei fattori di ponderazione è 1, quindi dose efficace = dose equivalente. Organi WT Organi WT Gonadi 0,08 Esofago 0,04 Midollo osseo 0,12 Tiroide 0,04 Colon 0,12 Pelle 0,01 Polmone 0,12 Superficie ossea 0,01 Stomaco 0,12 Shiandole salivari 0,01 Seni 0,12 Cervello 0,01 Vescica 0,04 Resto del corpo 0,12 Fegato 0,04 TOTAL 17 1

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19 Rivelazione e misurazione della radiazione E possibile rilevare il risultato della interazione della radiazione con la materia, se questo comporta dei cambiamenti osservabili nel materiale (liquido, gas o solido) utilizzato come rivelatore, come la ionizzazione. Che cosa misuriamo? L attività: la potenza di una sorgente, misurata in Becquerel (Bq). Comunemente si usa misurare l attività specifica, cioè l attività per unita di massa o volume espressa in Bq/kg (solido) o Bq/m3 (liquido o gas). Tipo della radiazione: è importante distinguere tra particelle α o β, raggi X o gamma e neutroni, questa conoscenza ha una conseguenza significativa in radioprotezione. Energia: l energia viene espressa in unita del elettrone volt (ev), è vista come una impronta del isotopo che lo ha rilasciato. Dose: è l energia assorbita dalla materia per un unità di massa J/kg. La dose può essere espressa in Gray (Gy) o in Sievert (Sv). E D m dove J 1 1Gy kg

20 La carica elettrica: grandezze e C Esercizio: Il rame che ha una densità di 8.95 g/cm3 e un peso molecolare di 63.5 g/mole, è utilizzato comunemente nell impianto elettrico delle abitazioni. Quanti sono gli elettroni mobili che troviamo in un filo di rame nel ipotesi che ci sia un solo elettrone mobile per ciascun atomo di rame? 1022 e / cm3 Come si può osservare la carica? differenza di potenziale elettrico + differenza di potenziale gravitazionale m La carica che si crea nei materiali utilizzati come rivelatori di solito e molto piccola, per questo motivo si applicano delle differenze di potenziale del ordine del kv (chilovolt) e il segnale (la corrente (pa o na) o la tensione) viene prima amplificata.

21 Tipi di rivelatori I rivelatori comunemente usati per la rivelazione della radiazione sono suddivisi nelle categorie secondo il materiale utilizzato per rivelare: - Rivelatori a gas - Rivelatori organici e inorganici (cristalli e liquidi) - Rivelatori a semiconduttore

22 Rivelatori a gas Rivelatori a gas: - Camere di ionizzazione - Contatori proporzionali - Contatori Geiger-Müller 0 L energia media trasferita da una particella incidente per coppia di ioni formata (si definisce potenziale di ionizzazione) dipende: 1 MeV tipo di gas tipo di radiazione coppie di ioni energia I meccanismi primari di interazione includono la ionizzazione e eccitazione delle molecole del gas lungo la traccia della particella. REMEMBER: Un informazione importante è il numero totale dei ioni creati lungo la traccia della particella primarie/secondarie.

23 Tipi di rivelatori a gas Se si mantiene un flusso di radiazione constante che passa attraverso il rivelatore e si varia la tensione, si possono identificare diverse regioni di importanza nella misura della radiazione. Si perde l informazione delle Si mantiene l informazione delle ionizzazione primaria. ionizzazione primaria. Regione di discarica continua Ionizzazione secondaria estesa Regione Geiger-Mueller Regione limitata proporzionale Ionizzazione primaria e secondaria la valanga di Townsend Regione proporzionale Regione di ionizzazione Regione di ricombinazione Ionizzazione primaria La particella incidente si può individuare discriminando il segnale conoscendo che la particella alpha darà un segnale più grande della particella beta.

24 Rivelatori a scintillazione La scintillazione viene definita come il processo di luminiscenza (fluorescenza) in quale la ionizzazione creata dalle particelle cariche eccita il particolare materiale emettendo luce attraverso il processo veloce (prompt) di diseccitazione. Organici (liquidi e plastici): Inorganici (cristalli): Il processo di scintillazione nei materiali organici avviene per la transizione nei livelli energetici della struttura di una singola molecola e si può osservare in una specie di molecola indipendentemente dallo stato fisico. Il processo di scintillazione nei materiali inorganici cristallini dipende dalla regolarità della struttura cristallina e dallo stato energetico determinato (gli elettroni possono occupare bande discrete di energia). Sono stati utilizzati per la prima volta da Crookes nel 1903: un schermo dove era depositato ZnS diventava scintillante quando veniva colpito dalle particelle alpha, In seguito Curran e Baker nel 1944 hanno realizzato il primo fotomoltiplicatore creando il primo contatore a scintillazione.

25 Scintillatori inorganici (solidi) Il meccanismo di scintillazione dipende dallo stato energetico determinato dalla struttura cristallina del materiale. Gli elettroni possono occupare NaI(Tl) ioduro di sodio bande discrete di energia. Pertanto attivato con tallio (0.2%) per aumentare la probabilità che un fotone venga emesso durante il processo di diseccitazione, piccole impurità vengono aggiunte allo scintillatore inorganico. Effetto fotoelettrico Compton scattering Produzione di copie

26 Funzionamento di un rivelatore NaI(Tl) Efficienza assoluta di scintillazione NaI(Tl) - 12% fotone - 1 MeV esegnale di luce debole 0.12 MeV moltiplicatore di elettroni Efficienza quantica del foto catodo 20-30%

27 Rivelatori a semiconduttore Lo stato energetico permissibile degli elettroni presenti nel materiale solido è determinato dalla struttura cristallina del materiale! assomigliante a una camera di ionizzazione solida Boro (B) lacune elettroni isolatore semiconduttore Silicio (Si) Germanio (Ge) RUMORE energia termale coppia elettronelacuna differente servono circa 3.5 ev per ionizzazione del rivelatore a silicio (circa 35 ev per qualsiasi gas) Azoto liquido LN2 (77K)

28 MCA_RAD - 2 rivelatori HPGe a semiconduttore di efficienza relativa di 80% ciascuno - Risoluzione energetica di 0.19% a 1 MeV - Schermatura con 10 cm rame (Cu) e 10 cm di piombo Pb Proprietà del funzionamento: - Raffreddamento elettromeccanico - Automatizzazione del processo di misura (48 campioni) - Volume del campione 200cc - Tempo di acquisizione 1h

29 Strumenti di misura della radiazione Geiger-Müller counters NaI(Tl) scintillation detector 3 HPGe solid state detector