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Misurare la radioattività con AMD5 e AstroRad

Introduzione

Il rivelatore di raggi cosmici AMD5 essendo equipaggiato con rivelatori GMT (Geiger Müller Tube), può essere utilizzato anche per fare misure di radioattività, sia ambientali che di elementi radioattivi. Infatti i contatori Geiger tradizionali, anche quelli più moderni usano i tubi GMT per contare le particelle emesse da elementi radioattivi. Il conteggio della radiazione viene solitamente espresso in conteggi al secondo cps (counts per second) o al minuto cpm (counts per minute).

Questi valori sono poi convertiti dallo strumento in diverse unità di misura come il Bq (Becquerel) oppure il Röntgen che è una misura nata per i raggi X o gamma. Ogni tubo GMT infatti ha delle caratteristiche che dipendono dal grado di efficienza e dalla sensibilità, conoscendo queste specifiche si può convertire il conteggio da cps in Röntgen e altro. Se lo strumento può registrare la misura per un determinato tempo, si possono fare anche misure di dosimetria, ovvero calcolare quanta radiazione viene assorbita. Questo di solito viene fatto tramite i microcalcolatori integrati nei moderni contatori Geiger. Allo stesso modo questi dati si possono ottenere con il software AstroRad collegando il nostro rivelatore di raggi cosmici al computer.

In radioprotezione uno strumento che misura il tasso di radioattività (la variazione nel tempo, e.g. cpm) viene comunemente chiamato ratemeter (da rate), mentre uno che totalizza il conteggio per un determinato periodo di tempo viene definito scaler.

Con l'AMD5 si possono fare sia misure ambientali che di elementi radioattivi e in quest'ultimo caso si può valutare sia la radiazione emessa dall'elemento che quella assorbita dal nostro corpo in prossimità di quell'elemento.

Sensibilità minima

Dal datasheet dei GMT si può constatare che sono sensibili ai raggi gamma del radio-226 e del cobalto-60, i quali prevalentemente emettono fotoni che trasportano energie intorno ai 0.2-0.6 MeV e 1.2-1.3 MeV rispettivamente. Probabilmente questi GMT sono sensibili anche a fotoni X, infatti sempre dal datasheet si può vedere che la sensibilità minima dichiarata data dal costruttore è di 0.004 µR/s. Teoricamente si potrebbe calcolare l'energia minima che una particella deve possedere per essere rilevata sapendo che 1 Rontgen deposita 83 Erg in un g di materia.

Le misure ambientali

Normalmente il rivelatore di raggi cosmici lavora con i tubi in coincidenza, perciò il valore di radiazione misurato che compare nel software AstroRad (pannello "Dose") è relativo alla radiazione dovuta prevalentemente ai soli raggi cosmici (vedere anche il manuale di AstroRad).

Per misurare la radiazione presente nell'aria bisognerà quindi disattivare la coincidenza con l'apposito selettore e inserire il valore 2 nel campo "numero GMT" della finestra "Dose" nel software (poichè i due GMT lavoreranno in parallelo).

Sempre sul pannello "Dose" del software, bisognerà impostare il "fattore di ponderazione Wr" su 2 (beta+gamma) e leggere i dati registrati, i conteggi di dose inizieranno a stabilizzarsi dopo circa dieci minuti perchè la funzione di scaler è impostata dal software su questo valore di tempo.

rivelatore di radiazione cosmica
AMD5 versione 2016

 

Le misure di elementi radioattivi

Per misurare un elemento radioattivo bisogna avvicinarlo il più possibile alle sonde (i GMT), siccome la radiazione si diffonde secondo la legge del quadrato della distanza, più la sorgente è vicina e maggiore sarà la radioattività misurata; l'unico modo per avvicinarsi è quello di aprire il rivelatore e inserire l'oggetto da analizzare all'interno, in prossimità dei tubi, per questo si può prendere spunto dal video qui sotto:

N.B. prima di aprire lo strumento spegnere tutto, scollegare i cavi e attendere almeno cinque minuti.

 

Un classico oggetto che si può analizzare è la sveglia dei nonni. Alcune sveglie prodotte fino agli anni cinquanta (ma non tutte) facevano uso di lancette verdi luminescenti, queste erano infatti verniciate con una miscela fosforescente ottenuta dal radio-226, un isotopo molto attivo.

Sveglia radioattiva
Sveglia radioattiva

Inserito l'oggetto e assicurandosi che rimanga in posizione si può far ripartire il sistema. A questo punto bisogna fare un paio di considerazioni.

1) A seconda dell'elemento inserito, l'attività radioattiva potrebbe essere anche molto alta, quindi dal software è meglio posizionare su "0" i selettori nella scheda frequency e real-time (servono solo per le misure sui raggi cosmici e si evita di appesantire il software).

2) Un limite tecnico: il rivelatore al passaggio delle particelle attiva i timer per la finestra di coincidenza (anche se la coincidenza è disattivata tramite il selettore), questo vuol dire che non riuscirà a vedere particelle con frequenza superiore a circa 66 ms, ovvero che può misurare un valore di radioattività massima di 15 cps (particelle al secondo) o 900 cpm (particelle al minuto). Per un utilizzo didattico comunque questo non è un problema perchè valori così alti di particelle inizierebbero a essere pericolosi. Questo limite è superabile nel caso della versione 2016 del rivelatore attivando la seconda finestra di coincidenza che è impostata a circa 200 µs, in questo caso i valori massimi misurabili (teorici) saranno di circa 5000 cps.

Posizionarsi sul pannello "Dose" del software, impostare il "fattore di ponderazione Wr" su 2 (beta+gamma) e leggere i dati registrati, i conteggi di dose inizieranno a stabilizzarsi dopo circa dieci minuti perchè la funzione di scaler è impostata dal software su questo valore di tempo. Se si vuole misurare solo la radiazione gamma, bisogna invece impostare il selettore su 1 e inserire una lastra di rame o alluminio di qualche millimetro di spessore tra la sorgente e i GMT.

radioattività con astrorad

Il pannello "dose" del software astrorad

 


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⚛ Decadimenti radioattivi

La radioattività è un fenomeno naturale di trasformazione atomica spontanea di alcuni elementi. Gli elementi chimici radioattivi sono molti, tra i più noti (quelli che finiscono su giornali e telegiornali) ci sono: uranio, torio, polonio, cesio e radon. Ogni elemento durante la trasformazione (o disintegrazione) atomica emette particelle, queste particelle essendo emesse ad alta velocità possiedono energie elevate e quindi sono come proiettili invisibili e pericolosi.

La pericolosità è tanto maggiore quanto più siamo vicini all'elemento radioattivo e quanto più tempo ci stiamo. Le particelle emesse infatti colpiscono le cellule del nostro corpo distruggendole. Esistono tre tipi principali di emissione radioattiva (particelle) che sono denominate: alfa beta e gamma, ogni tipo di emissione ha caratteristiche diverse.



Muon Monitor in real time




☄ Le unità di misura

Sulle unità di misura si rischia spesso di fare confusione poiché alcune sigle si somigliano vediamo di seguito

Bq - Becquerel

1Bq equivale ad 1 disintegrazione al secondo.

Ci - Curie

1 Curie è pari approssimativamente all'attività di un grammo dell'isotopo di radio-226: 3,7 1010 disintegrazioni al secondo (particelle α per secondo)

R - Röntgen è una unità di misura solitamente riferita solo a radiazioni X e gamma.

1 Röntgen = 2.58 10-4 C/kg

rad - radiation absorbed dose è l'unità di misura (in disuso) della radiazione assorbita, corrisponde a un deposito di energia di 100 erg su un grammo di materia.

100erg/g=0.01J/kg

Il rad nel Sistema Internazionale di misure è stato sostiutito dal Gray: 1Gy=1J/kg, 1rad=0.01Gy

rem - röntgen equivalent in man è la misura di dose assorbita equivalente che tiene conto degli organi umani colpiti.

Faceva riferimento al rad e quindi anche questa è in disuso ed è stata sostituita dal Sievert 1 rem= 0.01 Sv

Gray - Gy è l'unità di misura corrente della dose assorbita ed equivale al deposito di energia di 1 J/kg

Sievert - Sv è l'unità di misura corrente della dose equivalente assorbita che tiene conto degli organi umani colpiti (J/kg).

Kerma (kinetic energy released in material) è definita come la somma dell'energia cinetica di tutte le particelle cariche rilasciata nel mezzo attraversato, a loro volta prodotte da particelle primarie non cariche (fotoni o neutroni). Si misura sempre con il rapporto tra energia e massa, ad esempio il Gy, la differenza sta nel fatto che il kerma tiene conto anche degli effetti prodotti da particelle ionizzanti che si generano dalle interazioni durante l'attraversamento nella materia (ad esempio per effetto Compton).

 


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