La rilevazione del radon

La rilevazione del radon Concettina Giovani ARPA Friuli Venezia Giulia Diego Cauz Università di Udine

Premessa L esperienza di misurazione del radon è stata inserita nel programma di fisica con la riforma dell ordinamento del 2008/09 Nel 2006, su incarico dell allora vice-preside, professoressa Soramel, e con l aiuto del personale dell ARPA del FVG, ho ideato un progetto di misura basato sull uso di due strumenti con caratteristiche complementari Per mancanza di fondi, dovuti al taglio dei finanziamenti universitari, è stato possibile acquistare soltanto uno dei due strumenti Il progetto risulta quindi presentemente incompleto

Avvertenza Il seguente materiale è tratto per la gran parte dal seminario che la dottoressa Giovani ha tenuto in questa sede il 23/05/2006 Eventuali errori o manchevolezze di questa presentazione non le sono attribuibili

Cos è il radon Il radon è l elemento con numero atomico 86 è un gas nobile radioattivo

Organizzazione Mondiale per la Sanità Il gas radon è uno dei 75 agenti di cui è sicuramente riconosciuta la cancerogenicità per l uomo Si valuta che nel nostro Paese siano attribuibili al radon 4000 casi di tumore polmonare ogni anno, contro i 15000 degli Stati Uniti, i 2000 dell Inghilterra ed i 900 della Svezia È considerato il contaminante radioattivo più pericoloso negli ambienti chiusi e, a livello mondiale, si stima che sia responsabile di quasi il 50 per cento dell esposizione media della popolazione alle sorgenti naturali di radiazione

Tipi di radon Rn 222 (radon) è un anello della famiglia dell U 238 Rn 220 (thoron) è un anello della famiglia del Th 232 Rn 219 (actinion) è un anello della famiglia dell U 235 Solo il primo e in parte il secondo sono rilevanti

Famiglie radioattive

Numero e peso atomico Z: numero atomico. Numero di cariche elettriche elementari nel nucleo A: peso atomico espresso in uma N: numero di nucleoni nel nucleo Z X A = 86 Rn 222 Decadimento alfa: Z X A -> Z-2 Y A-4 + 2 He 4 Decadimento beta: Z X A -> Z+1 Y A + e - Z X A -> Z-1 Y A + e +

Protagonisti Atomi e ioni: radon, polonio, bismuto, piombo Particelle: alfa, sono nuclei di elio con carica q=-2e beta, sono elettroni (q=e) o positroni (q=-e) gamma, sono quanti neutri e.m. (come la luce)

Energia L energia si misura in joule (J) nel sistema internazionale Per fenomeni microscopici è più conveniente usare l elettronvolt (ev) o suoi multipli (kev, MeV) L elettronvolt è l energia che una carica e assume su una ddp di 1 volt La relazione tra ev e J è: 1 ev = 1.6 x 10-19 J

Una nuova grandezza Attività (A): si usa in fenomeni in cui sono studiati materiali radioattivi, soggetti a decadimento è il numero di disintegrazioni per unità di tempo Nel Sistema Internazionale (SI) si misura in bequerel (Bq): 1 Bq = 1 disintegrazione al secondo Sostituisce la vecchia unità, il curie (Ci) 1 Ci = 3.7 10 10 Bq 1 pci/l = 37 Bq/m 3 (attività specifica)

Decadimento radioattivo (2 livelli) Il primo livello ha una perdita di materia verso il secondo livello N 1 (t) 1 2 è retto dalla legge seguente: t N1( t) = N1( 0) exp τ τ è la vita media N 2 (t) t Il tempo di dimezzamento T è il tempo necessario affinché la quantità di materia iniziale si dimezzi: T N0 N( T ) = N0 exp Relazione tra τ e T: τ 2 T =τ log 2 t

Decadimento radioattivo (più livelli) è complicato dal fatto che ogni livello (tranne il primo) ha un entrata di materia dal livello precedente e un uscita di materia (tranne l ultimo) al livello seguente n-1 n n+1

Azione delle particelle sulla materia Nell attraversamento della materia, le particelle cariche agiscono in due modi sugli atomi (o molecole) costituenti: Ionizzandoli, cioè strappando uno o più elettroni agli atomi. Sono cosí prodotti ioni positivi e elettroni (negativi) Eccitandoli, cioè spostando uno o più elettroni in uno stato atomico ad energia più alta. Lo stato eccitato decade nello stato più basso emettendo l energia di eccitazione sotto forma di quanti di luce Anche particelle neutre come i neutroni e i raggi gamma devono prima produrre particelle intermedie cariche, per poter essere rivelati In tutti i casi c è un trasferimento di energia al materiale attraversato

Altre nuove grandezze: dose assorbita L entità dell esposizione alla radiazione è specificata in termini della dose di radiazione. Ci sono due importanti categorie di dose. La dose assorbita (o fisica) D, definita come la quantità di energia depositata nell unità di massa di corpo umano o di altro materiale. L unità di misura nel SI è il gray (Gy). originariamente si usava il rad 1 Gy = 1 J/kg 1 rad = 100 erg/g 1 Gy=100 rad

Altre nuove grandezze: dose equivalente La dose equivalente (o biologica) H, misurata in sievert (Sv) nel SI (in rem nel vecchio sistema). Sv rem 1 Sv = 100 rem Questa grandezza riflette il fatto che il danno biologico causato da una particella dipende non solo dall energia totale depositata, ma anche dall energia depositata per unità di distanza percorsa dalla particella (o linear energy transfer). Per esempio, le particelle alfa (alto LET) causano assai più danno (a parità di energia totale depositata) degli elettroni (basso LET) e questo perché depositano in ogni cellula attraversata una maggior quantità di energia e la probabilità di danneggiare la cellula ne è conseguentemente aumentata. Questo effetto può essere rappresentatao schematicamente da un fattore di qualità Q. Su un ampio intervallo di energie, Q è assunto uguale a 1 per gli elettroni (e per i raggi X e gamma, che producono entrambi elettroni) e 20 per le particelle alfa. Per i neutroni il fattore di qualità adottato varia da 5 a 20, in funzione della loro energia.

Impatto biologico L impatto biologico è specificato dalla dose equivalente H, che è il prodotto della dose assorbita D e del fattore di qualità Q. H = QD cellula β, basso LET α, alto LET

Non è ancora la fine della storia I diversi organi e tessuti del corpo umano hanno diversa radiosensibilità Per tener conto di questo si usa la dose efficace, E, espressa, di nuovo, in sievert o rem) è la somma delle dosi equivalenti nei diversi organi o tessuti (H T ), ciascuna moltiplicata per un fattore peso (w T ) che tiene conto della diversa radiosensibilità degli organi irraggiati

Attività e dose equivalente Gli strumenti misurano l attività (A) del radon Ai fini della radioprotezione interessa però la dose equivalente (H) Le misure di attività e la stima della dose equivalente devono essere fatte dall esperto qualificato Alla fin fine è la dose la grandezza che interessa e questa è legata all energia rilasciata dalle particelle

Come misurarne l energia L unico mezzo è raccogliere: gli ioni ed elettroni prodotti nella ionizzazione e misurarne la carica la luce prodotta nella diseccitazione e misurarne la quantità Con tecniche opportune si può poi risalire all energia delle particelle incidenti

Sorgenti di radiazione Naturale Artificiale

Z Progenie del radon Rn 222 3.82 giorni α 5.49 MeV Po 214 164 µs Po 218 3.05 min α 7.69 MeV Pb 210 22.3 anni β Bi 214 19.8 min β Pb 214 26.8 min α 6.00 MeV N

Z Progenie del thoron Rn 220 55.6 s Pb 208 stabile α 8.78 MeV β Tl 208 3 min Po 212 0.3 µs β (2/3) α (1/3) 6.05 MeV Bi 212 60.6 min β Pb 212 10.6 ore α 6.78 MeV Po 216 0.15 s α 6.29 MeV N

Azione del radon sull organismo Le sostanze più pericolose per la salute sono i prodotti di decadimento del radon (Po, Bi). Queste sostanze vivono per tempi molto brevi, minuti o secondi Al contrario del radon, queste sostanze sono chimicamente ed elettricamente reattive, e possono essere introdotte all interno dell organismo attraverso il pulviscolo atmosferico e il vapore acqueo a cui si legano

Azione del radon sull organismo Trasportati all interno dell apparato respiratorio, il radon e la sua progenie raggiungono i polmoni, dove decadono emettendo radiazioni dannose per i tessuti (beta, gamma, ma principalmente alfa) Quindi l inalazione dei prodotti di decadimento del radon comporta il rischio di tumore ai polmoni e ai bronchi a causa dell energia ivi rilasciata dalle radiazioni emesse nel decadimento Anche se il rischio è più legato ai prodotti di decadimento è uso comune riferire il rischio direttamente al radon

Provenienza Il radon nel terreno e nelle rocce si mescola all aria e risale in superficie Le concentrazioni all aria aperta sono molto basse Negli ambienti chiusi si possono raggiungere concentrazioni molto elevate Distribuzione

Variabilità del radon Effetto della copertura nevosa o di asfalto Nella stagione invernale il ghiaccio impedisce la fuoriuscita del gas dal terreno che si indirizza verso l'abitazione per effetto della depressione creata dal fabbricato. L'effetto dell'asfalto o del cemento è naturalmente identico.

Variabilità del radon Effetto della pioggia La pioggia occlude il suolo e forza il gas verso l'abitazione.

Variabilità del radon Effetto del vento Il lato del fabbricato sottovento è in depressione. Il lato del fabbricato sopravvento è in pressione. Gli effetti sono evidenti sia sul fabbricato che sul suolo

Variabilità della concentrazione nel tempo

La normativa Il decreto 241/2000, che recepisce una direttiva della Comunità Europea (Direttiva 96/29/Euratom Capo VII) ed è entrato in vigore il 1 gennaio 2001, fissa i limiti di concentrazione media annuale di radon per i luoghi di lavoro (fra essi sono naturalmente compresi istituti scolastici ed asili nido) Livello di Azione = 500 Bq/m 3

Misure - Tipologia di campionamento Istantaneo: durata < 1h Caratterizzazione puntuale delle vie d accesso o di riflusso dell aria Continuo: serie di campionamenti istantanei Valutazione delle variazioni temporali delle grandezze in osservazione Integrato: senza soluzione di continuità temporale (periodi compresi tra qualche giorno e diversi mesi) Valore medio della grandezza rilevate

Misure - Modalità di campionamento Attivo: Il campione viene prelevato mediante pompe o aspiratori Passivo: Il prelievo del campione avviene per fenomeni collegati alle variazioni ambientali (ad esempio diffusione spontanea)

Due sistemi di misura (1) Sistema Rad7 sistema a campionamento attivo continuo. Basato su di un rivelatore a silicio, rivela la componente alfa e ne fa lo spettro. Permette di individuare i contributi dei diversi discendenti del Radon 222 e del Thoron. Sistema adatto a monitoraggio ambientale singolo di valori istantanei di concentrazione.

Cos è uno spettro è un istogramma Sull asse x: energia Sull asse y: conteggi

Non memorizzabile in Rad7

Due sistemi di misura (2) Non ancora disponibile Sistema E-Perm: sistema a campionamento passivo integrale. Basato su di una camera a ionizzazione polarizzata elettricamente da un elettrete Questo svolge anche la funzione di rivelatore della carica prodotta nella camera dal decadimento del radon e dei suoi discendenti Dalla differenza tra il potenziale dell elettrete a fine misura e quello a inizio misura si risale, tramite opportuni coefficienti di calibrazione, all attività del radon presente in aria Posizione inattiva Variatore di volume attivo Posizione attiva elettrete

E-perm Sistema di uso pratico: semplice e adatto a monitoraggi ambientali multipli di valori medi di concentrazione.

Rad7 Misura separatamente la concentrazione di radon e thoron, facendone lo spettro è un sistema a campionamento continuo, adatto quindi a misurare la variazione temporale della concentrazione è un sistema a campionamento attivo: l aria viene convogliata nel volume attivo tramite una pompa

Configurazione di lavoro entrata aria drystick scambio umidità Gesso anidro con tracciante uscita aria Rad7

Rad7 Rileva di proposito solo particelle alfa: è difficile misurare beta e gamma con alta sensibilità e basso fondo Usa un rivelatore alfa a stato solido (silicio). Può misurare l energia di ogni singola alfa (spettrometria) è così possibile sapere quale tipo di isotopo ha prodotto ciascuna particella alfa

Rad7 La cella di misura interna è un emisfera di 0.7 l, rivestita di una pellicola conduttrice. Un rivelatore alfa di silicio è posto al centro dell emisfera. Usa un filtro all entrata dell aria: Il radon è un gas inerte e quindi passa attraverso il filtro ed entra nella cella di misura. I discendenti del radon invece si fermano nel filtro.

Rad7 Un circuito opportuno crea una ddp di circa 2.5 kv tra l emisfera e il rivelatore Il campo elettrico risultante ha verso tale da portare gli ioni positivi verso il rivelatore _ +

Rad7 Un atomo di radon che decade nella cella, produce un atomo di polonio ionizzato positivamente Lo ione è portato dal campo elettrico sulla superficie del rivelatore, ove aderisce + Po + _ Po silicio

Rad7 Quando il nucleo del polonio decade, l alfa emessa ha il 50% di probabilità di entrare nel rivelatore Decadimenti successivi del nucleo producono beta (non rilevate) o alfa. Anche per esse c è la stessa probabilità di entrare nel rivelatore Po Pb alfa _ silicio

Rad7 Isotopi diversi producono alfa di energia diversa e quindi segnali di ampiezza diversa nel rivelatore L alfa emessa direttamente dal Rn non appare nello spettro, perché è prodotta in aria, non alla superficie del rivelatore Po 218 Po 214 Po 216

Rad7 Nonostante Rad7 rilevi la progenie del radon, esso misura la concentrazione del radon (non della sua progenie) Concentrazione del radon in aria: è dell ordine di 5-50Bq/m 3 Misura l energia delle particelle alfa da 0 a 10 MeV. Questo intervallo è suddiviso in 200 canali di 0.05 MeV ciascuno Ogniqualvolta rileva un alfa, il contenuto di uno di questi 200 canali è incrementato di una unità

Radon e Thoron Può accadere che i due gas siano presenti contemporaneamente La possibilità di separarli sullo spettro ha un importante vantaggio La breve vita media del thoron implica infatti che esso possa essere rivelato solo in prossimità dei punti di entrata dei gas nell ambiente La rilevazione del thoron permette dunque di individuare tali punti Po 218 Po 214 Po 216

Finestre dello spettro I 200 canali dello spettro sono raggruppati in 8 opportuni intervalli di energia (finestre). Ecco il contenuto delle quattro finestre più rilevanti: A (Radon+Thoron): conteggio totale delle alfa di 6 MeV del decadimento del Po 218, più le alfa di 6.05 MeV del decadimento del Bi 212 B (Thoron): conteggio totale delle alfa di 6.78 MeV del decadimento del Po 216 C (Radon): conteggio totale delle alfa di 7.69 MeV del decadimento del Po 214. D (Thoron): conteggio totale delle alfa di 8.78 MeV del decadimento del Po 212

Rn 222 3.82 g Po 218 3.05 min Nuovo Radon A B C D Pb 214 26.8 min Bi 214 19.8 min Po 214 164 µs Radon in equilibrio A B C D 6 7 8 9 MeV Vecchio Radon A B C D A: Po 218 6.00 MeV C: Po 214 7.69 MeV α 7.69 MeV Pb 210 22.3 anni Po 214 164 µs β 6 7 8 9 MeV Bi 214 19.8 min β Pb 214 26.8 min α 6.00 MeV α 5.49 MeV Po 218 3.05 min Rn 222 3.82 giorni 6 7 8 9 MeV

Rn 220 55.6 s Po 216 0.15 s Nuovo Thoron A B C D Pb 212 10.6 ore Bi 212 60.6 min Thoron in equilibrio A B C D Pb 212 10.6 ore Bi 212 60.6 min Po 212 0.3 µs 6 7 8 9 MeV Vecchio Thoron A B C D 6 7 8 9 MeV B: Po 216 6.78 MeV A: Bi 212 6.05 MeV D: Po 212 8.78 MeV Pb 208 stabile α 8.78 MeV β Tl 208 3 min 6 7 8 9 MeV Po 212 0.3 µs β (2/3) Bi 212 60.6 min β α (1/3) 6.05 MeV Pb 212 10.6 ore Po 216 0.15 s α 6.78 MeV Rn 220 55.6 s α 6.29 MeV

Nuovo Radon + nuovo Thoron A B C D Radon in equilibrio + nuovo Thoron A B C D 6 7 8 9 MeV 6 7 8 9 MeV Radon + Thoron in equilibrio A B C D A: Po 218 6.00 MeV + Bi 212 6.05 MeV B: Po 216 6.78 MeV C: Po 214 7.69 MeV D: Po 212 8.78 MeV 6 7 8 9 MeV

Radon in equilibrio + vecchio Thoron A B C D Vecchio Radon + vecchio Thoron A B C D 6 7 8 9 MeV 6 7 8 9 MeV Nuovo Radon + vecchio Thoron A B C D Vecchio Radon + nuovo Thoron A B C D 6 7 8 9 MeV 6 7 8 9 MeV

Attività sperimentale Vista l incompletezza del sistema quel che faremo si limiterà a Scaricare i dati dal Rad7 Formattarli in un foglio excel Tracciare il grafico dei dati di concentrazione in funzione del tempo Calcolare la media su tutto il periodo e sui diversi giorni di presa-dati Evidenziale la variabilità della concentrazione all interno del giorno e della settimana