LABORATORIO DI
RADIOATTIVITÀ
AMBIENTALE
Stages estivi di fisica 2007
L. Sc. B. Touschek: Valerio Benedetti
L. Sc. Palestrina-Zagarolo: Gaia Galli, Domizia Monticelli
L. Sc. G. Ferraris: Giacomo Bartolucci
L. Sc. F. d’ Assisi: Francesco Nazzaro, Gianluca Balla
Tutors: M. Chiti, L. Casano, P. Carinci.
Cos’é la radioattività?
“Nel 1896 il fisico francese Henri Becquerel si
accorse casualmente che i sali di uranio,
posti in vicinanza di una lastra fotografica,
anche racchiusa in un involucro opaco, la
impressionano, mostrando così di emettere
radiazioni capaci di attraversare anche i corpi
che non sono attraversati dalla luce. Questa
osservazione aprì un nuovo capitolo della
fisica, quello della radioattività”.
In seguito, grazie ad alcune osservazioni, si
capí che la radioattività non dipendeva da
fattori chimici ma dalla natura dell’atomo
stesso.
La radioattività é l’emissione di particelle (α, β, x e γ, neutroniche) dovuta alla
tendenza universale della materia a passare da uno stato di energia piú alta ad
uno di energia piú bassa.
Come l’acqua di un fiume che dalla montagna scende verso la pianura tendendo
all’equilibrio energetico piú stabile possibile.
Decadimento α:
•Particelle α formate da due
neutroni e due protoni ( nucleo
positivo di Elio).
•Avviene per nuclei pesanti
(A>209).
•Hanno un moto rettilineo
•Elevata carica elettrica che le fa
interagire direttamente con la
materia.
•Sono poco penetranti (nel caso
biologico non attraversano lo
strato corneo della pelle, ma
pericolose se assimilate all’ interno
del corpo).
Decadimento β:
•Elettroni (βˉ) o positroni (β+) di
un nucleo con eccesso di
neutroni.
•Hanno moto frastagliato per la
loro piccola massa.
•Sono molto piú penetranti delle
particelle α.
La radiazione x e γ:
•Raggi x e γ sono radiazioni
elettromagnetiche.
•Esse non hanno massa e hanno un
comportamento ondulatorio.
•Sono molto penetranti (solo materiali ad
alta densità riescono a schermarle).
Effetti delle radiazioni
A livello microscopico le radiazioni ionizzanti depositano energia che eccita e
ionizza le molecole. Il tessuto biologico é composto in gran parte da acqua, la
ionizzazione dell’acqua produce I RADICALI LIBERI che danneggiano le
biomolecole (come il DNA). I danni provocati si possono dividere in due gruppi:
EFFETTI DETERMINISTICI: esiste
una connessione causale fra dose
ed effetto. Se i meccanismi di
riparazione/ripristino non bastano
per recuperare il danno biologico
generato, la funzionalità
dell’organo o tessuto è
compromessa. Il danno arrecato
aumenta al crescere della dose.
EFFETTI STOCASTICI: la
probabilità di comparsa dell’effetto
é correlabile con la dose ricevuta
soltanto sulla base di
considerazioni statistiche. Le
cellule irradiate che sopravvivono
possono riprodursi in cellule che
degenerano provocando
l’insorgenza di tumori.
Danno cellulare
EFFETTI SOMATICI NEI TESSUTI
IRRADIATI
EFFETTI GENETICI NEI
DISCENDENTI
Effetti acuti e tardivi
Neoplasie maligne
Dovuti a variazioni funzionali e
morfologiche dei tessuti
- Leucemie
- Tumori solidi
Effetti deterministici
Difetti ereditari di diversa
gravita’
- malattie
- malformazioni
- difetti mentali
Effetti stocastici
Le radiazioni ionizzanti esistono anche in natura e sono prodotte dai raggi cosmici
e da radionuclidi primordiali.
Esposizione naturale:
Dose efficace annua media
alla popolazione adulta
Esposizione naturale
Sorgente
Raggi cosmici
Componente direttame nte
ionizzante
Neutroni
IRRADIAZIONE
ESTERNA INTERNA TOTALE
0.30
0.30
0.055
0.055
Radionuclidi cos mogenici
Radionuclidi primordiali
K-40
0.15
Rb-87
0.015
0.015
0.18
0.33
0.006
0.006
U-238 (serie)
0.10
1.24
1.34
Th-232 (serie)
0.16
0.18
0.34
0.8
1.6
2.4
Totale
Radioprotezione
Si adopera per prevenire gli effetti deterministici e limitare i rischi degli effetti
stocastici, tenendo conto dei fattori economici e sociali.
I PRINCIPI DELLA RADIOPROTEZIONE:
•GIUSTIFICAZIONE: nessuna pratica con radiazioni è giustificata a meno che non
produca un beneficio agli individui tale da compensare il danno;
• OTTIMIZZAZIONE: ottenere un giusto equilibrio tra dose minima e rendimento;
•LIMITAZIONE: contenere le radiazioni nei limiti raccomandati dalla ICRP
(International Commission of Radiation Protect).
Geiger
Muller
Ricapitolando.....
Grandezze fisiche
Il Gray ( u.m. dose assorbita) rappresenta l’energia assorbita dall’unità di massa
di un materiale ad opera della radiazione che lo attraversa.
1 Gy= 1 J/Kg
A parità di dose ricevuta, a seconda del tipo di particella e di tessuto, il danno
subito dalla cellula e/o tessuto cambia. Il Sievert (Sv) é l’unità di misura che
partendo dal Gray e considerando dei fattori peso permette di rilevare il danno.
I Rivelatori Di
Radiazioni Ionizzanti
Alcuni rivelatori funzionano in base al
processo di ionizzazione, provocata
dalla particella carica incidente nel gas
di cui sono riempiti.
Processi di ionizzazione nei gas
La radiazione, attraversando un
volume di gas, produce coppie di ioni
interagendo con gli elettroni orbitali
delle molecole del gas. Tale processo,
detto di ionizzazione, è provocato
direttamente dalle particelle cariche,
come elettroni, particelle , particelle
 e indirettamente da particelle neutre
come neutroni, e radiazione X e .
Due piastre A e B (o più generalmente due elettrodi), mantenute ad una differenza di
potenziale da un opportuno campo elettrico, sono immerse in un gas. Una particella
carica, che attraversa il gas, lo ionizza, creando ioni di segno opposto. Questi, sotto
l'azione del campo elettrico esistente tra A e B, si spostano verso l'elettrodo di segno
opposto (elettrodo collettore).
La raccolta delle cariche sulle piastre genera un passaggio di corrente attraverso la
resistenza R. Di conseguenza si crea ai capi di R una differenza di potenziale,
funzione del numero di ioni formati dal passaggio della particella nel gas.
Regimi di funzionamento
A seconda della
differenza di potenziale
applicata, il numero N
di cariche raccolte sulle
piastre in seguito al
passaggio di una
particella, varia come il
grafico mostrato qui
accanto…
• Regione di ricombinazione
• Regione di camera a
ionizzazione
• Regione di proporzionalità
• Regione del Geiger-Müller
• Regione di scarica
Il Plateau
Il segnale prodotto da un GeigerMüller risulta essere un singolo
impulso di ampiezza costante
dell'ordine dei volt,
indipendentemente dall'energia
della radiazione ionizzante.
Un'altra caratteristica di tali
contatori è la presenza di una
tensione di soglia e di una zona
di lavoro detta pianerottolo
(plateau), in cui il numero di
conteggi resta costante al variare
della tensione. L'estensione del
pianerottolo e la sua pendenza
sono parametri di valutazione di
un rivelatore Geiger-Müller.
L’Esperienza
Il primo obiettivo da raggiungere era la ricerca del punto di lavoro
ottimale.
Il rivelatore e’ stato collegato ad un alimentatore di alta tensione ed
esposto ad una sorgente di Cesio (Cs-137).
Sono stati registrati tramite uno scaler i conteggi in funzione della
tensione applicata.
Model - GM1S
Serial Number
GM - 545
Elaborazione dati
160.0
y = 0.58x - 167.6
2
R = 0.8419
140.0
Conteggi (c/s)
120.0
100.0
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0
370
390
410
430
450
470
Tensione (V)
490
510
530
550
Del grafico precedente dobbiamo considerare solo un
intervallo rappresentante il plateau. Siamo sicuri di aver
raggiunto un risultato ottimale quando la linea di tendenza ha
R2 ~1
140.0
135.0
y = 0.3526x - 54.018
R2 = 0.996
130.0
Conteggi (c/s)
125.0
120.0
115.0
Abbiamo ricavato il punto medio
(500 V) dell’intervallo scelto che
corrisponde alla tensione ottimale di
lavoro del GM.
110.0
105.0
Il nostro risultato e’ stato confermato
dai dati forniti preventivamente
dall’azienda produttrice.
100.0
95.0
90.0
430
450
470
490
Tensione (V)
510
530
550
Mantenendo costante la tensione di lavoro trovata (500 V),
abbiamo eseguito alcune misure irradiando il rivelatore con
una sorgente di Cesio (Cs-137).
Abbiamo così verificato la legge dell’inverso del quadrato
della distanza per quanto riguarda una sorgente puntiforme.
140.0
y = 8E+07x-2.0063
120.0
Conteggi (c/s)
100.0
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0
0.0
500.0
1000.0
1500.0
2000.0
Distanza (mm)
2500.0
3000.0
3500.0
4000.0
Nella seconda fase tariamo un nuovo GM, del quale e’ gia’ nota la tensione di lavoro.
Cobalto
Cesio
5000.0
25000.0
4500.0
4000.0
20000.0
y = 112.63x - 42.893
R2 = 0.9999
y = 123.89x + 223.23
R2 = 0.9991
Conteggi
(c/s)
Conteggi (c/s)
3500.0
3000.0
15000.0
2500.0
10000.0
2000.0
1500.0
5000.0
1000.0
500.0
0.0
0.0
0.000
0.000
50.000
10.000
100.000
20.000
30.000
Dose
(µGy/h)
Dos
e (µGy/h)
150.000
40.000
200.000
50.000
Utilizzandio il coefficiente angolare abbiamo ricavato dalle misure precedenti le dosi
che c’erano nei vari ambienti.
GM - 10 s.n. 809
SENTITI RINGRAZIAMENTI
A
 Prof. Mario Calvetti, direttore del LNF
 A tutta l’organizzazione del SIS
 Al responsabile degli stages dott. Danilo Babusci
 Ai nostri strepitosi tutors Maurizio Chiti, Giuseppe Carinci e prof. Luigi Casano