Misure Assolute di Radioattività Alfa

Apparato Utilizzato

L’apparato utilizzato è stato descritto nel post Spettrometro Alfa DIY. Nella immagine sotto viene mostrata la camera di misura con il sensore alfa ed il collegamento alla pompa da vuoto. Vi è poi una parte elettronica di amplificazione e processamento del segnale prodotto dal sensore.

Efficienza di Rilevazione

Per misure di attività assoluta di sorgenti alfa è necessario determinare l’efficienza del sensore. L’attività assoluta della sorgente moltiplicata per una costante di proporzionalità determina l’attività misurata dall’apparecchio, secondo la formula seguente :

A_x = A ( πr² / 4πd² ) f_α ε

A_x : Attività misurata
A : Attività assoluta
πr² : Superfice del rivelatore perpendicolare ai raggi alfa
d : Distanza della sorgente dal rivelatore
f_α : Frazione decadimenti alfa
ε : Efficienza del rivelatore

Per misure di particelle alfa l’efficienza del rivelatore è praticamente del 100%, quindi il parametro ε = 1. Il parametro f_α è la frazione dei decadimenti alfa del processo in esame. Il fattore di forma tiene conto della frazione di particelle alfa che possono venire intercettate dalla superfice del sensore, in pratica determina l’angolo solido sotteso dal sensore : Ω / 4π.

Misura Attività Sorgente Po-210

Questo isotopo del polonio è un emettitore alfa, con una emivita di 138,39 giorni. Un milligrammo di tale metalloide emette lo stesso numero di particelle alfa di 5 grammi di radio. Il decadimento di questo elemento rilascia anche una grande quantità di energia: mezzo grammo di polonio-210, se viene termicamente isolato dall’ambiente, può raggiungere rapidamente temperature di circa 500 °C, e sviluppare circa 140 W/g in energia termica. Pochi curie (gigabecquerel) di polonio-210 emettono una luminescenza blu dovuta all’eccitazione dell’aria circostante per effetto Compton. Quantità infinitesime di questo isotopo possono essere utilizzate come sorgente alfa campione per la taratura in energia dello spettrometro alfa. Va maneggiato con molta cura dato che la sorgente è aperta e questo isotopo è fortemente tossico.
Nelle immagini sotto viene mostrata la sorgente campione e la sua collocazione all’interno dello strumento.

Nel grafico sotto viene mostrato lo spettro della sorgente, trattandosi di una sorgente preparata appositamente (sottile ed uniforme) si raggiunge una buona risoluzione : FWHM = 2%

Per questa misura l’efficienza del rilevatore, calcolata secondo la formula descritta sopra, vale 72,4. Per il Polonio 210, il fattore f vale 1 dato che tutti gli atomi di polonio decadono alfa alla medesima energia. Le immagini sotto mostrano i risultati della misurazione.

Il valore ottenuto pari a 1377 Bq si accorda bene con il valore che possiamo calcolare. La sorgente di Po-210 è di 0,1 μCi = 3700 Bq, ed è stata preparata nel mese 11/2016. Dal momento della preparazione sono trascorsi 204 giorni. Il tempo di dimezzamento del Po-210 è di 138 giorni. La legge del decadimento radioattivo ci dice che : A_(t) = A₀ e^-λt
Con i dati a nostra disposizione possiamo quindi calcolare l’attività prevista, ottenendo un valore di 1327 Bq, molto vicino al dato misurato.

Misura Attività Sorgente Am-241

L‘americio è l’elemento chimico di numero atomico 95. Il suo simbolo è Am. L’americio è un elemento metallico sintetico della famiglia degli attinidi, ottenuto bombardando il plutonio con neutroni. L’emissione alfa dell’Am-241 è circa il triplo di quella del radio. Pochi grammi di Am-241 emettono radiazione gamma intensa che crea seri problemi di esposizione a chi deve maneggiare l’elemento. L’americio può essere prodotto in quantità dell’ordine dei chilogrammi, principalmente sotto forma dell’isotopo Am-241.
Trova applicazioni domestiche in alcuni modelli di rivelatori di fumo, dove viene usato in qualità di sorgente di radiazioni ionizzanti. L’americio è usato per costruire alcuni tipi di parafulmine, grazie proprio a questa capacità di ionizzare l’aria circostante favorendo così il passaggio di corrente. Am-241 è stato anche usato come sorgente portatile di raggi gamma per l’uso in radiografia.

L’americio decade seconda la catena 4n + 1 del Np-237 viene comunemente chiamata “serie nettunio” o “cascata nettunio”. Il decadimento dell’americio avviene per emissione di particelle alfa con energia principalmente di 5443 KeV e 5486 KeV.

Per la nostra prova abbiamo utilizzato una capsula di americio contenuta in un rivelatore di fumo. Va tenuto presente che l’elemento attivo è depositato su di un supporto protetto da una lamina d’oro, come si vede nella immagine sopra, questo ha come effetto quello di abbassare un pò l’energia delle particelle alfa e di allargare la riga di emissione diminuendo la risoluzione. Nel diagramma sotto si vede lo spettro alfa della emissione dell’americio.

Per questa misura l’efficienza del rilevatore, calcolata secondo la formula descritta sopra, vale 50,3. Per l’americio 241, il fattore f vale 1 dato che tutti gli atomi di americio decadono alfa con energia vicine, tutte comprese nella ROI dell’americio. Le immagini sotto mostrano i risultati della misurazione.

La misurazione fornisce un valore di 18431 Bq, che corrisponde a 0,5 μCi. L’attività teorica della sorgente dovrebbe essere di 0,9 μCi ed il tempo di decadimento dell’americio è di 432 anni per cui l’attività è rimasta pressocchè invariata. Va tenuto conto che la sorgente, per sicurezza, è schermata da un sottile strato di oro che potrebbe ridurre un poco l’attività della sorgente.

Misura Attività Sorgente Sr-90

Lo Stronzio-90, è un isotopo radioattivo dello stronzio prodotto dalla fissione nucleare dell’uranio, avente un’emivita radioattivadi 28,8 anni. Va incontro a decadimento β⁻ trasformandosi in ittrio-90 (⁹⁰Y), con un’energia di decadimento di 0,546 MeV. Lo stronzio-90 ha applicazioni in medicina e nell’industria ed è un isotopo da monitorare nel fallout nucleare prodotto dalle esplosioni nucleari e dagli incidenti nucleari.
Lo stronzio naturale è un metallo alcalino terroso non radioattivo e non tossico, ma ⁹⁰Sr è un radioelemento pericoloso che va incontro a decadimento β⁻ con un’emivita radioattiva di 28,79 anni, e un’energia di decadimento di 0,546 MeV distribuita verso un elettrone, un antineutrino, e l’isotopo dell’ittrio ⁹⁰Y, che a sua volta va incontro a decadimento β⁻ con un’emivita di 64 ore ed energia di decadimento di 2,28 MeV distribuita verso un elettrone, un antineutrino, e l’isotopo ⁹⁰Zr (zirconio), che è stabile. Da segnalare che il ⁹⁰Sr/Y è una sorgente quasi pura di particelle beta; l’emissione di fotoni gamma dal decadimento del ⁹⁰Y è così rara che in genere normalmente può essere ignorata.

Lo spettrometro alfa può essere utilizzato anche per le misure di particelle beta, anche se gli elettroni sono più penetranti e quindi lo stopping power del detector è più basso; questo significa che gli elettroni più energetici possono attraversare lo strato sensibile del detector rilasciando solo una parte della loro energia.

Riportiamo sotto lo spettro ottenuto da una sorgente campione da 0,1 μCi.

In questo caso l’efficienza del rilevatore è stata modificata in modo da ottenere un valore vicino a quello atteso. Il problema con le particelle beta è che le particelle meno energetiche vengono fermate dal materiale che ricopre la sorgente e non possono raggiungere il detector. Questo è evidente nello spettro nel quale si vede come sono assenti energie inferiori ai 200 KeV.

Tenendo conto di questi fattori è comunque possibile effettuare misure di attività anche di sorgenti beta.

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