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coco-guerrini
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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)
t=0
N1≠0
N2 =N3 =...Nn =0
dN1
dt=−λ1 ⋅N1
dN2
dt=λ1N1 −λ2 ⋅N2
dN3
dt=λ2N2 −λ3 ⋅N3
......................................
dNn
dt=λn−1Nn−1 −λn ⋅Nn
Equazioni che regolano l’andmento dei membri di una serie radioattova
una serie è in equilibrio se
dNidt
=0
λ1N1 =λ2N2 =....=λiNi
dN1
dt=dN2
dt=...=
dNndt
Che equivale a dire
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
S
€
dN incdt
=dN
dt⋅dΩ
4π
€
(dΩ
4π= efficienza − geometrica)
Se si tratta di radiazioni elettromagnetiche:
€
dN int
dt= ε i
E ⋅dN incdt
In generale:
€
dN int
dt= ε i
E ⋅dΩ
4π⋅dN
dt
Per le particelle cariche
€
εiE =1
Efficienza di rivelazione
€
(ε iE =
€
dN
dtSe S emette un flusso isotropo
efficienza intrinseca)
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 ?
NO
Perché questa situazione comporta l’impossibilità di osservare spettri utili
€
S = −dE
dx= k
4πe4z 2
m0v2NZ ⋅ln
2m0v2
I
⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠ ⎟
€
R =dE
S(E)0
E0
∫
0
200
400
600
800
1000
1200
5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000E (keV)
U-238Th-232
Po218
Bi212
Po216
Po212Po214
Po210 coinc + β
Uno spettro “utile” è questo
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.
Rivelatore di particelle
3500 V
Verso massa
+
++
rinculo
Traiettoria di uno ione
Traiettoria del 222Rnprima del decadimento
Atomo di 222Rn
Ione di 218Po
Schema del rivelatore basato sulla a raccolta elettrostatica dei p.d.d. ionizzati del radon
La raccolta elettrostaticaLa raccolta elettrostatica
Traiettorie degli ioni trasportati dal campo elettrostatico
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.
La concentrazione del radon si misura esclusivamente mediante i figli in equilibrio, anche di gamma, quindi anche su campioni solidi
Schema di decadimento del 137Cs e definizione del gamma branching ratio
β-1
g.s.
662 keV11/2-
E=662 keV
137Cs (30 y)
137Ba
E1=514 keV, 82.5%
β-2
1176 keV, 17,5 %
€
branching(662 keV) =Nβ 1
Nβ 1 + Nβ 2 3/2+
Diseccitazione gamma seguente un decadimento β-.
(fenomeno che riguarda (per fortuna) la stragrande maggioranza dei decadimenti)
Una sorgente di radon in aria deve essere confinata e quindi messa in condizione che si raggiunga nel volume di confinamento l’equilibrio radioattivo
La camera radon
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 che si vuole caratterizzare
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
Tempo di dimezzamento 3.82 d
Il tempo di dimezzamento breve rende difficile la produzione di un campione di
riferimento per l’attività thoron
Tempo di dimezzamento 55.6 s
222222Rn (radon) Rn (radon) 220220Rn (thoron)Rn (thoron)
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15 20 25
Tempo (d)
Attività (Bq)
Rn222 Po218 Pb214 Bi214 Po214
0
200
400600
800
1000
1200
0 100 200 300 400 500
Tempo (s)
Attività (Bq)
Rn220 Po216 Pb212 Bi212 Tl208
Il tempo di dimezzamento rende possibile la produzione di un campione di riferimento per
l’attività radon
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.
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 .
0
200
400
600
800
1000
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Tempo (d)
Attività (Bq)
Rn220 Po216 Pb212 Bi212
0
200
400
600
800
1000
1200
0 1 2 3 4 5Tempo (d)
Attività (Bq)
Ra224 Rn220 Po216 Pb212 Bi212 Tl208
HpGe
Sorgente
220Rn Emanato
HpGe
Sorgente
HpGe
Sorgente
220Rn Emanato
Sorgente sigillata
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
STh20A 20700 ± 300 15550 ± 1400
Sorgenti e loro attività
Spettro thoron
0
100
200
300
400
500
600
1200 1450 1700 1950 2200 2450 2700
Canale
Conteggi
Spettro thoron
216Po
210Po
212Po212Bi
0,0000
0,0010
0,0020
0,0030
0,0040
0,0050
0,0060
0,0070
0 100 200 300 400 500 600
Attività specifica(Bq/L)
Efficienza (cps/Bq/L)
216Po
212Bi 216Po212Po