Radioisotopi e dosimetria: fondamenti e interazione delle radiazioni

Radioisotopi naturali

1. Radioisotopi naturali
2. Interazione della radiazione con la materia
3. Dosimetria
4. Energia nucleare

XVII - 0A. Contin - Fisica Generale Avanzata

Radioattività naturale

La radioattività che troviamo in natura può avere tre sorgenti:

1. Primordiale - esistente fin dalla formazione della Terra
2. Cosmogenica - risultante dall'interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera
3. Umana - prodotta o concentrata come risultato delle attività dell'uomo

Radionuclidi primordiali

Radionuclide Simbolo Tempo di dimezzamento Attività naturale Uranio 238 238U 4.47×109 anni 25 Bq/kg di suolo Uranio 235 235 U 7.04x108 anni 0.72% dell'Uranio 238 Torio 232 232Th 1.41x1010 anni 40 Bq/kg di suolo Potassio 40 40 K 1.28x109 anni 40 K -> 40Ca + B- (1.3 MeV) + v 400 Bq/kg di suolo

XVII - 1Le serie naturali Alpha Decay Beta Decay 239 Pu 144 235 .71 Gy 142 235 U Series 232 Th Series 238 U Series 237 Np Series Neutron number N 21 m 223 Fr 227 Th 136 1.9 d 219 At 134 223 Ra 215 11 d Bi 132 219 1.8 ms Po 3.9 s 130211 PŁ 36 m 215 At 128 211 Bi 0.1 ms- 2.2 m 207-1 211 Po 126 0.5 s Lead-207 is the 4.8 m .207 Pb stable end product 124 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 HgTI Pb Bi Po At RnFr Ra Ac Th Pa U NpPu 4.5 Gy 238 U Alpha Decay Beta 234 Th Decay 144 25 d 6.7 h 142 U 235 U Series 232 Th Series 238 U Series 237 Np Series 136 3.1 m 3.8 d 134 218 At 1.3 s 214 Pb 218 Rn 13227 m 214 Bi 20 m 130 214 PO 210 TI 150 us 1281.3 m 210 Pb 22 y 5 d 210 126 140 d Lead-206 is the 124 4.2 m 206 Pb stable end product 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 Hg Tl Pb Bi Po At RnFr Ra Ac Th Pa U NpPu Alpha Decay Beta Decay 144 232 Th 142 14 Gy 235 U Series 232 Th Series 238 U Series 138 6.1 h- 228 Th Neutron number N 136 Ra 1.9 y Np Series The four natural radioactive series 220 Rn 3.7 d 134 .16 s 216 PO 55 s 132 216 212 Pb At 130 164 us 11 h 128 Po 208 TI 0.3 us 3.1 m 208 pb Lead-208 is the stable end product 124 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 HgTI Pb Bi Po At RnFr Ra Ac Th Pa U NpPu Alpha Decay Beta Decay 237 Np 144 2.3 My 142 27 d 235 U Series 232 Th Series 238 U Series 138 225 Ra 15 d Np Series 136 10 d 225 221 134 Fr 4.8 m 217 At 132 20 ms 47 m213 Bi 130 209 TI 213 Po 2.2 m 209 Pb 126 209 3.3 h Bi Bismuth-209 is the stable end product 124 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 Hg TI Pb Bi Po At RnFr Ra Ac Th Pa U NpPu

Poichè il capostipite delle serie naturali ha una vita media molto più lunga di tutti i nuclei figli, questi ultimi si dicono in equilibrio secolare tra loro.

La conseguenza è che le attività di tutti i figli sono uguali e quindi che la quantità di ciscun figlio è proporzionale alla sua vita media:

N/N=T/T;

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Serie di decadimento

Boxed values for half-life are for multiple decay paths The Thorium-232 Decay Series 231 Th- 25 h 140 32 ky 231 21 y 227 7 AC 138 The four natural radioactive series This series is traditionally called the Actinium series.

Boxed values for half-life are for multiple decay paths The Uranium-238 Decay Series 234 pa 234 230 .23 My 140 Th 83 ky 138 226 Ra Neutron number N 222 Rn 1.6 ky The four natural radioactive series 218 PO The four natural radioactive series Neutron number N 7 ky 233 U 140 .16 My 229 Th. Par 233 224 6.7 y AC 228 Ra 140 228 Pa 23

Boxed values for half-life are for multiple decay paths The Neptunium-237 Decay Series 237 212 Bi 61 m 212 128 4.2 ms 210 Po 206 TI- The Uranium-235 Decay Series

Concentrazioni di elementi

12153.0 5.0 4.0 2.0 3.0 2.0 1.0 Potassium Concentrations ppm eu (approximate scale) Uranium Concentrations (approximate scale) Source of data: U.S. Geological Survey Digital Data Series DDS-9, 1993 Source of data: U.S. Geological Survey Digital Data Series DDS-9, 1993 Terrestrial Gamma-Ray Exposure at 1m above ground 8.5 16 6.5 4.5 Thorium Concentrations eTh (ppm) uR/hr 1uR/hr=8.8x10-2mSv/y (approximate scale) Source of data: U.S. Geological Survey Digital Data Series DDS-9, 1993 Source of data: U.S. Geological Survey Digital Data Series DDS-9, 19

Aerial gamma-ray data can be used to quantify and describe the radioactivity of rocks and soils. The majority of the gamma-ray signal is derived from the upper 20-25 cm of surficial materials (rock or soil). A gamma-ray detector is mounted in an aircraft that is flown over an area at a certain altitude, usually 120-150 m (400-500 ft). Equivalent uranium (eU) is calculated from the counts received by the gamma-ray detector in the energy window corresponding to bismuth-214. This technique assumes that uranium and its decay products are in secular equilibrium. A contour map of eU is then produced for the the area. The same technique is used to estimate potassium (K), from the K-40 energy window, and equivalent thorium-232, from the thallium-208 energy window. Total gamma exposure can be estimated by combining the data from the potassium, uranium, and thorium data channels. The primary source for aerial radiometric data in the United States is reports of the U.S. Department of Energy's National Uranium Resource Evaluation (NURE) program of the 1970s and early 1980s. These data have been integrated into contour maps of equivalent uranium, thorium, potassium, and total gamma radioactivity exposure for the conterminous United States.

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Radionuclidi cosmogenici

2.5 1.0 & KRadionuclidi cosmogenici Radionuclide Simbolo Tempo di dimezzamento Sorgente Attività naturale Carbonio 14 14℃ 5730 anni 14C - > 14N + B- (0.2 MeV) + v Interazione di raggi cosmici su azoto 220 Bq/kg in materiale organico Trizio 3H 12.3 anni 3H -> 3He + B (0.02 MeV) + v Interazione di raggi cosmici su azoto e ossigeno 1.2x10-3 Bq/kg Berillio 7 7Be 53.3 giorni 7Be -> 7Li + V + Y (0.5 MeV) Interazione di raggi cosmici su azoto e ossigeno 0.01 Bq/kg

A. Contin - Fisica Generale Avanzata Nota: il 14C costituisce 1.3 parti su 1012 del carbonio naturale.

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Radionuclidi di origine umana

Oltre a vari radionuclidi prodotti in modo diretto dalle attività umane (combustibile nucleare, prodotti per diagnostica e terapia medica, ecc.) esiste la possibilità che attività umane non direttamente correlate con radionuclidi producano una concentrazione di questi ultimi nell'ambiente che risulta più alta di quella naturale.

Esempio di concentrazione

Il minerale di carbone contiene una quantità di uranio variabile da circa 1 ppm a 5 ppm e una quantità di torio circa 3 volte superiore.

Considerando che una tipica centrale elettrica da 1000 MW consuma circa 4 milioni di tonnellate di carbone all'anno, e che circa l'1% dell'uranio e del torio originali vengono emessi in atmosfera, il rilascio totale per centrale per anno è compreso tra 160 g e 800 g.

Inoltre, durante la combustione, circa l'85% del carbone viene consumato, e, di conseguenza, il contenuto in percentuale di uranio e torio nelle ceneri viene aumentato di circa un fattore 6 rispetto alla quantità naturale. Queste ceneri vengono poi utilizzate in superficie, aumentando così il contenuto di questi elementi nel suolo.

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In totale, tra 12 kg e 60 kg di uranio e torio vengono prodotti ogni anno da una centrale a carbone.

Da notare che il consumo di uranio in una centrale termonuceare equivalente è di circa 1500 kg per anno.

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Interazione della radiazione con la materia

Ionizzazione

elettrone Ionizzazione particella carica La particella cede energia ad un elettrone legato liberandolo e ionizzando così l'atomo

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Produzione di luce

particella carica luce Produzione di luce Molecole organiche o cristalli inorganici assorbono energia dalla particella emettendo luce nel processo di diseccitazione

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Linear energy transfer (LET)

Il tasso con cui una particella carica cede energia al materiale che attraversa dipende da numerosi parametri, i più importanti dei quali sono la densità del materiale (p), la carica della particella incidente (z) e la sua velocità (ß=v/c):

dE dx dE a p OC Z 2 dx dE 1 OC per ß < 0.95 (y < 3) dx B2

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dE/ dx y=3 g Nota: Ecinetica=moc2(y-1) a E=1 MeV: a-> y=1.0003, p=0.024 e -> y=2.96, B=0.94

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Penetrazione della radiazione

radiazione a in aria radiazione ß in aria e acqua 1000 1.2 900 Penetrazione in aria (cm) 0.8 0.7 0.8 600 0.6 0.5 0.6 400 0.4 300 0.2 200 0.2 0.1 0 0 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Energia (MeV)

La penetrazione di particelle diverse (a, B, y) è molto diversa a causa della differenza nel tipo di interazione con la materia:

penetrazione a penetrazione ₿ penetrazione Y 1/10 a 0.5 B Y 1/e + 1 1 I 1 10 100 1000 10000 spessore di assorbitore (cm)

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1 0.9 Penetrazione in aria (cm) 800 1 700 500 0.4 0.3 100 Penetrazione in acqua (cm) 1 I Intensità residua dopo un certo spessore di assorbitore Energia (MeV)

Rivelatori di particelle

I rivelatori di particelle sfruttano gli effetti dovuti all'interazione delle particelle con la materia.

Ionizzazione nei rivelatori

Ionizzazione Gli elettroni prodotti per ionizzazione vengono raccolti per mezzo di opportuni campi elettrici e concorrono a formare un segnale elettrico che viene poi misurato

• rivelatori a gas
• rivelatori a semiconduttore
• contatori Geiger

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Produzione di luce nei rivelatori

Produzione di luce La luce prodotta da molecole organiche o cristalli inorganici che si diseccitano viene raccolta e trasformata in un segnale elettrico che viene poi misurato

• rivelatori a scintillazione organici
• rivelatori a scintillazione inorganici

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Rivelazione e misura dell'energia dei y

URSA MCA File Utility View Sound Library Transfer Help Fine MCS Cs-137 Data Show @ Yield O Effx 10 r Full Løg Labels URSA # 014277 HV On |Detector # 139489 2 in x 2 in NaI(TI) Power 11.8 V X 661.65 peak Acquisition Stopped Time (sec) 300 Total Counts 1 Time (sec) 300 Smoothing Factor 8 16 24 36 48 0 Full H'ware Backscatter RO Eff Compton edge Peak Quant Pileup Sample Data Chn 4095 1660 keV 0 cnts ROI Overall 1190762 cnts 236945 cpm URSA MCA x File Utility View Sound Library Transfer Help Fine MCS Eu-155 Data. Show Yield O Effx 10 Log Labels URSA # 014277 HV On Detector # 139489 2 in x 2 in NaI(TI) Power 11.8 V x Acquisition Stopped sorgenti Time (sec) 600 Total Counts 11 multiple Time (sec) 600 Smoothing Factor 8 16 24 36 48 Full H'ware RO Eff Peak Quant /Sample Data Chn 1960 800.9 kev 324 cnts ROI Overall 1545662 cnts 157450 cpm e Y fotoelettrico e Compton Y Y

Solo gli elettroni (carichi) producono un segnale nel rivelatore.

Solo i y che producono un effetto fotoelettrico cedono tutta la loro energia ad una particella carica (l'elettrone) che, a sua volta, la cede al rivelatore.

Se un y produce un elettrone per effetto Compton e poi esce dal rivelatore, solo una parte della sua energia viene misurata.

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32.89 keV multiplet 137 Cs