Misura dell’efficienza di un rivelatore di radon in
aria a raccolta elettrostatica
• Valenza didattica (aggiunta e principale)
• Contesto
• Tematica
• Individuazione della grandezza da misurare
• Metodologia di misura
•Il caso dei vari isotopi
Tecniche adottate
Spettrometria  ad alta risoluzione con rivelatore al germanio iperpuro.
Spettrometria  in aria di ioni radioattivi trasportati da un campo
elettrico su di un rivelatore al silicio
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
Tra questi radionuclidi
alcuni presentano una
caratteristica in più che li
rende “interessanti”
Il 222Rn è abbondante ed ha una vita media relativamente lunga (3,82 d)
Il 220Rn è abbondante ma ha una vita media breve (< 60 s)
Il 219Rn è poco abbondante ma ha una vita media breve (< 4 s)
Equazioni che regolano le attività dei membri di una serie radioattova
t0
N1  0
N2  N3  ...Nn  0
una serie è in equilibrio se
dN1
  1  N1
dt
dN 2
 1 N1  2  N 2
dt
dN3
  2 N2   3  N3
dt
......................................
dN n
  n1 Nn1   n  Nn
dt
dNi
0
dt
 1 N1   2 N2  ....   i Ni
Che equivale a dire
dN1 dN2
dNn

 ... 
dt
dt
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
Attività di del radon e dei suoi discendenti in un sistema isolato
La misura dell’ attività del radon si basa esclusivamente sulla
misura della concentrazione dei figli
Efficienza di rivelazione
Se S emette un
flusso isotropo
dN
dt
S

dN inc dN d


dt
dt 4
d
(
 efficienza  geometrica)
4
Se si tratta di radiazioni elettromagnetiche:
(iE  efficienza intrinseca)

In generale:
dN int
E d dN
 i 

dt
4 dt
Per le particelle cariche


iE  1
dN int
dN
 iE  inc
dt
dt
Nel caso di radionuclidi emettitori  la sorgente può
anche essere distribuita
Sorgente al di là di un mezzo
assorbimento
Sorgente distribuita in un mezzo
autoassorbimento
S
assorbitore
rivelatore
rivelatore
La presenza di un mezzo assorbente modifica l’efficienza
L’efficienza misurata con un certo mezzo deve essere modificata se il mezzo cambia
Spettro gamma dei discendenti del radon da un campione di tufo
Diseccitazione gamma seguente un decadimento -.
(fenomeno che riguarda (per fortuna) la stragrande maggioranza dei decadimenti)
137Cs
(30 y)
=514 keV, 82.5%
-1delE1137
Schema di decadimento
Cs e definizione del
gamma branching ratio
 -2
1176 keV, 17,5 %
11/2
-
N 1
branching(662 keV) 
N 1  N 2
g.s.


E=662 keV
3/2+
137Ba
662 keV
Il radon decade emettendo una particelle a di 5,3 MeV
Può essere utilizzata la rivelazione di questa particella per
misurarne l’attività e quindi l’efficienza ?
4 2
2m0 v 2 
dE
4 e z
S
k
NZ  ln 

2
dx
m0 v
 I 
NO
R

E0

0

Non è possibile misurare l’attività di una
sorgente distribuita di emetitori 
dE
S(E)
Uno spettro “utile” si riesce a misurarlo con un trucco…
1200
U -238
Th-232
1000
Po216
Bi212
Po212
Po214
800
Po218
600
400
coinc  + 
Po210
200
0
5000
5500
6000
6500
7000
7500
E ( keV)
8000
8500
9000
9500
10000
… raccogliendo elettrostaticamente i
p.d.d. ionizzati del radon su un rivelatore di particelle
Verso massa
Rivelatore di particelle
dw
+

Traiettoria di uno ione
Atomo di 222Rn
+
rinculo
Ione di 218Po
+
Traiettoria del 222Rn
prima del decadimento

3500 V
La tipica velocità di deriva degli ioni è
pari a 104 cm/s.
Il tempo medio di raccolta è 10-3 s,
trascurabile rispetto al tempo di
dimezzamento del 218Po ( 180 s).
Quindi tutti gli ioni possono in principio
raggiungere il rivelatore prima di
decadere.
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 trasporta i figli del Rn,
ionizzati positivamente ( Po+), dalle
pareti della cella verso il rivelatore.
Il successivo decadimento degli ioni Po
genera particelle  che possono essere
rivelate.
Traiettorie degli ioni
trasportati dal campo
elettrostatico
Diseccitazione gamma seguente un decadimento -.
(fenomeno che riguarda (per fortuna) la stragrande maggioranza dei decadimenti)
137Cs
(30 y)
=514 keV, 82.5%
-1delE1137
Schema di decadimento
Cs e definizione del
gamma branching ratio
 -2
1176 keV, 17,5 %
11/2
-
N 1
branching(662 keV) 
N 1  N 2
g.s.


E=662 keV
3/2+
137Ba
662 keV
Scopo dell’esperienza
Misurare l’efficienza di un monitor a raccolta elettrostatica della
concentrazione di radon all’interno di una camera di taratura per
rivelatori passivi di radon (“camera radon”)
dN int
dN

dt
dt

dN int
  dt
A
Dove A è l’attività nota di una sorgente di riferimento

Usualmente la risposta
del rivelatore si riferisce all’attività specifica
C=A/V Bq/l
La camera radon
Una sorgente di radon in aria deve essere
confinata e quindi messa in condizione che si
raggiunga nel volume di confinamento
l’equilibrio radioattivo
Il caso della sorgente di 222Rn (radon)
Si prepara una sorgente do radon a partire da una
sorgente di 226Ra (per diffusione)
Si misura l’attività mediante i gamma dei
discendenti all’equilibrio
Si introduce il radon nel volume di riferimento
Si esegue la misura col rivelatore da tarare
Si correggono la concentrazione realizzata C e il
rateo di conteggi misurato R allo stesso tempo
Si calcola l’efficienza in cps/Bq/L dal rapporto R/C
222Rn
220Rn
(radon)
Tempo di dimezzamento 3.82 d
Tempo di dimezzamento 55.6 s
Rn220
Rn222
Po218
Pb214
Bi214
Po214
1000
Attività (Bq)
Attività (Bq)
1200
800
600
400
200
0
0
5
10
15
20
(thoron)
25
Tempo (d)
Il tempo di dimezzamento rende possibile la
produzione di un campione di riferimento per
l’attività radon
Po216
Pb212
Bi212
Tl208
1200
1000
800
600
400
200
0
0
100
200
300
Tempo (s)
400
500
Il tempo di dimezzamento breve rende
difficile la produzione di un campione di
riferimento per l’attività thoron
Per una sorgente di thoron questo metodo non è
applicabile perché non è possibile realizzare una sorgente
di thoron che duri abbastanza per essere utilizzata
Per disporne occorre inserire nel volume una sorgente del
progenitore allo scopo di produrre continuamente thoron,
sostituendo quello che decade.
Ma come si misura l’attività del thoron presente in aria senza
essere influenzati dal thoron che resta imprigionato dal
materiale della sorgente solida ?
Misura del thoron esalato dalla sorgente
 Misura, con germanio HpGe, della sorgente sigillata dopo 4 giorni.
Questa misura serve a controllare l’equilibrio nella serie del 232Th e a stimare l’attività del 212Pb all’equilibrio.
Ra224
Rn220
Po216
Pb212
Bi212
Tl208
1200
Sorgente sigillata
1000
Attività (Bq)
800
Sorgente
600
400
200
HpGe
0
0
1
2
3
Tempo (d)
4
5
 Misura, con germanio HpGe, della sorgente aperta dopo 10 giorni.
Questa misura serve a stimare l’attività del 212Pb in equilibrio con il thoron non emanato dalla sorgente .
Rn220
Emanato
Sorgente
HpGe
220Rn
Emanato
Pb212
Bi212
800
Attività (Bq)
220Rn
Po216
1000
600
400
200
0
0
0,5
1
1,5
2
Tempo (d)
2,5
3
3,5
Sorgenti e loro attività
Sorgente
228Ac
interno (Bq)
220Rn
emanato (Bq)
MTh2A
2590 ± 80
268 ± 25
MTh2B
2190 ± 70
273 ± 47
MTh4A
4750 ± 100
612 ± 50
MTh4B
3970 ± 120
800 ± 130
MTh4C
3435 ± 140
770 ± 120
20700 ± 300
15550 ± 1400
STh20A
Efficienza (cps/Bq/L)
216Po
0,0070
0,0060
0,0050
0,0040
0,0030
0,0020
0,0010
0,0000
0
100
200
300
400
Attività specifica(Bq/L)
600
212
212 Bi
Bi
Spettro
thoron
Spettro
thoron
216Po
216Po
Conteggi
500
212Po
212Po
400
300
200
210Po
100
0
1200
1450
1700
1950
Canale
2200
2450
2700
500
600