SISTEMI DI MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI E ASPETTI APPLICATIVI DELLA NORMATIVA VIGENTE AI LABORATORI NAZIONALI DEL SUD

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA REGIONE SICILIANA Assessorato Regionale dell'istruzione e della Formazione Professionale Dipartimento Regionale dell'istruzione e della Formazione Professionale Unione Europea Fondo Sociale Europeo Ministero del Lavoro e delle Politiche Sociali SICILIA FONDO SOCIALE EUROPEO PROGRAMMA OPERATIVO "Investiamo per il vostro futuro" UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTÀ DI SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI DIPARTIMENTO DI FISICA ED ASTRONOMIA Master Universitario di II livello in MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI E NON IONIZZANTI E RISCHIO AMBIENTALE PROGETTO CIP n IT.051.PO.003/IV/12/F/9.2.14/ CUP n. E65C Direttore: Prof. Antonio Triglia SISTEMI DI MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI E ASPETTI APPLICATIVI DELLA NORMATIVA VIGENTE AI LABORATORI NAZIONALI DEL SUD MARIA CONSOLATA RAPISARDA Tutor: Dott G.A.P. Cirrone Dott. S. Gammino Dott. D. Rifuggiato Sig. S. Russo Dott. G. Cuttone I.N.F.N. Laboratori Nazionali del Sud Catania A.A Catania - luglio 2012

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3 L esperto è una persona che ha fatto in un campo molto ristretto tutti i possibili errori. Niels Bohr

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5 INDICE INDICE ELENCO DELLE FIGURE ELENCO DELLE TABELLE SOMMARIO RINGRAZIAMENTI vi vii viii ix INTRODUZIONE 1 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI La caratterizzazione delle radiazioni ionizzanti I sistemi di rivelazione I rivelatori a gas I rivelatori a scintillazione I rivelatori a stato solido Rivelatori di neutroni Applicazioni Dosimetria ambientale Dosimetria personale Sorgenti artificiali di radiazioni ai LNS LA RADIOPROTEZIONE NELLE SALE SPERIMENTALI La radioprotezione I principi della radioprotezione Rischi da radiazione Esposizione esterna Esposizione interna Il D.lgs 241/ Classificazione delle aree Classificazione dei lavoratori Applicazioni del D.lgs 230/2000 ai LNS Sistemi di controllo: rivelatori fissi e portatili Classificazione delle sale ai fini radio protezionistici Monitoraggio della dose al personale v

6 INDICE 3. MISURE DI ATTIVAZIONE E CONTAMINAZIONE Sorveglianza fisica nel progetto FRIBs Strumentazione utilizzata Misure e dati sperimentali CONCLUSIONI 62 BIBLIOGRAFIA 63 APPENDICE A PRINCIPALI DEFINIZIONI 64 ELENCO DELLE FIGURE FIGURA 1.1. Spettro caratteristico di un beta emettitore... 5 FIGURA 1.2. Fattore di ponderazione in funzione del LET e dell energia dei neutroni... 8 FIGURA 1.3. a) La grandezza FWHM. b) la separazione dei picchi, la risoluzione FIGURA 1.4. Funzione di risposta degli elettroni FIGURA 1.5. Funzione di risposta dei fotoni FIGURA 1.6. Curva caratteristica dei rivelatori a gas FIGURA 1.7. Fattore di ponderazione in funzione del LET e Curva dei livelli di energia potenziale per lo stato eccitato e per lo stato fondamentale negli scintillatori FIGURA 1.8. Confronto tra uno spettro di un rivelatore al Ge e uno scintillatore NaI(Tl) FIGURA 1.9. Penne dosimetriche FIGURA Dosimetri TLD FIGURA Dosimetri film badges FIGURA 2.1. Irraggiamento esterno vi

7 INDICE FIGURA 2.2. Irraggiamento interno e contaminazione FIGURA 2.3. Planimetria del laboratorio FIGURA 2.4. Segnaletica utilizzata per la radioprotezione FIGURA 3.1. Lay-out FRIBs ai LNS FIGURA 3.2. Dipendenza della risposta del rivelatore al variare dell'energia, normalizzata al 137 Cs FIGURA 3.3. Foto del rivelatore GM 44-9 Ludlum FIGURA 3.4. Foto rivelatore TOL/F, camera a ionizzazione FIGURA 3.5. Risposta in energia del TOL/F FIGURA 3.6. Grafisi delle dosi ambientali rilevate nelle sale sperimentali FIGURA 3.7. Spettro del targhet di FRIBs FIGURA 3.8. Spettro del targhet di FRIBs FIGURA 3.9. Spettro della limatura della faraday cup ELENCO DELLE TABELLE TABELLA 2.I. Quadro riassuntivo dei limiti di dose TABELLA 2.II. Stati operativi in cui si può trovare una sala sperimentale TABELLA 3.I. Reazioni di frammentazione ottenute con diversi fasci di ioni radioattivi nell esperimento FRIBs TABELLA 3.II. Valori misurati nei punti di riferimento vii

8 SOMMARIO Sommario La radioprotezione e il monitoraggio delle radiazioni ionizzanti sono di fondamentale importanza in un laboratorio di fisica nucleare come il Laboratorio Nazionale del Sud. Durante l attività di stage è stato possibile seguire le tante attività che si svolgono nella struttura inquadrandole sotto l aspetto radioprotezionistico e sottolineando di volta in volta i vari aspetti applicativi della normativa vigente in Italia in materia di radioprotezione. La valutazione dell esposizione umana alle radiazioni ionizzanti e non ionizzanti nel territorio e negli ambienti di lavoro ha acquistato sempre maggiore rilevanza e ha permesso di sviluppare sia nell ambito sanitario che in quello industriale e della ricerca scientifica programmi e protocolli di protezione mediante l applicazione delle norme e delle procedure di monitoraggio ambientale. Nell elaborato, partendo da una descrizione degli strumenti di misura utilizzati per il monitoraggio ambientale e personale, si focalizza l attenzione sulla problematica dell attivazione dei materiali che costituiscono l assetto sperimentale. Le misure sono importanti per valutare la dose al corpo e alle estremità allo scopo di garantire ai lavoratori livelli di dose che rispettino i parametri previsti dalla legge. Si comprende perciò la complessità di valutazioni da fare per sviluppare un programma di protezione per garantire l accesso sicuro alle sale, dopo che è stato bloccato il fascio prodotto dagli acceleratori o quando si deve progettare l assetto di un nuovo esperimento. viii

9 RINGRAZIAMENTI Ringraziamenti Si ringraziano il direttore e tutor didattico Dott. G. Cuttone per aver reso possibile lo stage ai Laboratori nazionali del Sud, il Dott. S. Gammino, il Dott. D. Rifuggiato, il Dott. G.A.P. Cirrone e Dott. Salvo Russo per aver coordinato le attività di stage. Un ringraziamento va a tutto il personale del laboratorio che con umanità e garbo ha reso interessante e vivace tutto il periodo di permanenza nella struttura e ha saputo trasmettere e comunicare con vero senso di amicizia e cordialità l entusiasmo e la passione che ogni giorno mettono in ogni attività che svolgono. Le tecniche che utilizzano, la strumentazione che hanno a disposizione e gli esperimenti che svolgono sono state descritte e illustrate nei minimi particolari dando l occasione di svolgere un periodo di formazione proficuo e appassionante. La realizzazione di questa tesi è stata possibile grazie alla disponibilità del tutor aziendale e responsabile del servizio di radioprotezione dei LNS-INFN-Catania Dott. Salvo Russo che ha permesso di effettuare le misure di contaminazione e ha reso disponibili i dati delle misure durante le attività di stage. Per la vicinanza e supporto costante un ringraziamento particolare al Prof. S. Romano che è stato sempre un punto di riferimento per consigli e chiarimenti. ix

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11 INTRODUZIONE INTRODUZIONE È opportuno adottare sistematicamente efficaci misure protettive che riguardano l isolamento delle sorgenti radioattive e l adozione di pratiche, comportamenti, soluzioni progettuali, costruttive e tecnologiche atti a ridurre l esposizione della popolazione alle radiazioni ionizzanti. Ed è proprio questo lo scopo principale della radioprotezione. La determinazione dei criteri e delle procedure da applicare è oggetto di studio da parte di numerosi organismi nazionali e internazionali, fra i quali il più autorevole è la International Commission for Radiological Protection (ICRP). In seguito ad una approfondita e permanente analisi di tutti gli studi scientifici condotti, l ICRP emana periodicamente una serie di raccomandazioni la cui indiscussa autorevolezza è dimostrata dal fatto che dette indicazioni sono puntualmente recepite nella normativa internazionale e nazionale sulla radioprotezione. Quella della ricerca scientifica e tecnologica costituisce un area di estesa applicazione delle radiazioni, sia come argomento di studio sia come strumento di indagine. I fenomeni e le reazioni nucleari sono argomento di studio nella fisica nucleare e subnucleare fondamentale, con particolare riferimento alle ricerche sulla composizione intima della materia, per le quali si fa uso estensivo di acceleratori e rivelatori di grandi dimensioni. Il presente lavoro si articola in tre capitoli e un appendice. Nel primo capitolo vengono descritte le radiazioni ionizzanti evidenziando i processi di decadimento da cui si originano e la loro interazione con la materia. Si analizzano anche le principali caratteristiche dei rivelatori e si focalizza l attenzione sui principi di funzionamento dei principali dispositivi che si utilizzano per il monitoraggio delle radiazioni ionizzanti. Nell ultima parte si presentano le sorgenti artificiali al laboratorio Nazionale del Sud. Il secondo capitolo è dedicato alla radioprotezione e ai principi su cui si fonda e a seguire vengono analizzate le modalità di esposizione ai campi di radiazione sia esterna che interna. La parte centrale del capitolo verte sulla normativa vigente in Italia, D.lgs 241/2000 con la 1

12 INTRODUZIONE conseguente classificazione delle aree e del personale dei laborator Nazionali del Sud. Nel terzo capitolo vengono esaminate le problematiche legate alla valutazione del rischio di esposizione alle radiazioni ionizzanti, con particolare riferimento alla prassi che viene svolta nel laboratorio e che è stato possibile mettere in atto durante lo stage in occasione dell esperimento FRIBs. Si riportano,a chiusura del capitolo, le conclusioni del lavoro svolto. Infine, nell appendice sono elencate le principali definizioni. 2

13 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI 1. MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI 1.1 La caratterizzazione delle radiazioni ionizzanti Le radiazioni ionizzanti sono in grado di ionizzare direttamente e indirettamente la materia con cui interagiscono, esse cedono energia agli atomi e alle molecole del mezzo in modo che tutta l energia della particella α, β, di un fotone X o γ sia ceduta alla materia. La radiazione così assorbita può dare ionizzazione, o eccitazione degli atomi e delle molecole che così riescono a passare dallo stato fondamentale allo stato eccitato. Le energie di soglia dei due processi per gli elettroni meno legati sono dell ordine di alcuni ev[1]. Le particelle cariche (protoni, elettroni, particelle α) sono direttamente ionizzanti, le particelle elettricamente neutre (neutroni e fotoni tra cui raggi x e γ) sono indirettamente ionizzanti. Le particelle α Una particella α è formata da due protoni e due neutroni strettamente legati mediante forze nucleari, esse sono emesse da nuclei pesanti durante il decadimento α, in cui un nucleo con numero di massa A e numero atomico Z si trasforma nel nucleo con A-4 e Z- 2 emettendo la particella α ( ) [2] Le particelle α interagiscono direttamente con i campi elettrici atomici del mezzo che attraversano, e grazie alla notevole carica elettrica ionizzano densamente il mezzo (cioè producono un numero elevato di coppie elettrone/ione per unità di percorso). L elevata inerzia, dovuta alla grande massa (circa 8000 masse elettroniche) fa sì che il loro 3

14 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI percorso sia rettilineo. Il percorso massimo di una particella alfa è di qualche cm in aria o di qualche mm in tessuto. Per avere un idea, un foglio di carta può bastare per fermare tutte le particelle alfa emesse da un radioisotopo naturale, con energie tipiche non superiori a 7,5 MeV. Le sorgenti α esterne al corpo non possono penetrare lo strato corneo della pelle (70µm), ma sorgenti interne al corpo producono un notevole danno biologico. Infatti gli isotopi più radiotossici sono proprio gli alfa emettitori [3]. Le particelleβ Esistono sia particelle β che β + che vengono espulsi dai nuclei di radioisotopi sia naturali sia artificiali che si trasformano per decadimento beta, un interazione in cui il nucleo padre emette, oltre all elettrone β, una particella chiamata antineutrino[2]. In questo caso la reazione è in cui L energia di decadimento viene in questo caso ripartita tra le due particelle uscenti e da ciò deriva il fatto che i β emessi da una certa sorgente hanno energie diverse, a partire da zero (caso in cui tutta l energia va al neutrino) ad un valore massimo (caso in cui tutta l energia va all elettrone).come si vede in figura 1.1 l energia massima raggiunta nell emissione è una costante per un dato β emettitore. Alcuni emettitori β sono il trizio ( 3 H), il fosforo 32 ( 32 P), il carbonio 14 ( 14 C), lo stronzio 90 ( 90 Sr) e gran parte dei frammenti di fissione. Se invece di un elettrone negativo il nucleo emette un elettrone positivo, cioè un positrone, si parla di decadimento β+ e la terza particella prende il nome di neutrino. La reazione è 4

15 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI dove Figura 1.1: spettro caratteristico di un beta emettitore Il percorso dei beta in un mezzo è estremamente frastagliato a causa delle innumerevoli diffusioni contro gli elettroni orbitali degli atomi del mezzo. Il loro percorso massimo è, a pari energia, molto più grande di quello delle particelle α. I beta da sorgenti esterne al corpo possono oltrepassare lo strato corneo della pelle, quindi danneggiarne lo strato sensibile sottostante, quando la loro energia è superiore a 70 kev. Il percorso massimo delle particelle β aumenta all aumentare della loro energia e al diminuire della densità del materiale attraversato[1]. Per assorbire i raggi β da sorgenti con perdite di energia modeste, dunque occorrono spessori dell ordine di qualche centimetro in plastica, qualche metro in aria, oppure pochi millimetri in metallo. 5

16 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI La radioattività quindi rappresenta un cambiamento dell atomo che per un processo puramente statistico decade e si trasforma in un elemento che a sua volta potrà essere stabile o ancora instabile. Se si indica con N P (t) il numero di atomi radioattivi presenti nel campione al tempo t, supponendo i decadimenti indipendenti, il numero di atomi che decadranno in un intervallo di tempo dt è proporzionale a N P (t) e dato da dove il segno negativo sta ad indicare che N P (t) decresce con il tempo e λ ( detta costante di decadimento), caratteristica di ogni nuclide radioattivo, esprime la probabilità che si verifichi una transizione nucleare spontanea nell unità di tempo [2]. Dalla costante di decadimento i ottiene la vita media τ che corrisponde all intervallo di tempo nel quale il radionuclide si riduce di un fattore e. se si considera la riduzione del radionuclide di un fattore 2, allora si parla di tempo di dimezzamento T 1/2. La precedente relazione integrata nel tempo diventa Si definisce attività del campione I raggi γ o X La radiazione fotonica non ionizza direttamente la materia, i raggi γ o X infatti interagendo con gli atomi del mezzo inducono la ionizzazione del mezzo tramite elettroni secondari[1]. Le modalità di interazione dei fotoni con la materia sono tre: effetto fotoelettrico, effetto Compton e produzione di coppie elettrone-positrone. La loro importanza relativa varia al variare dell energia dei fotoni e del numero atomico del mezzo. Proprio perché non sono direttamente ionizzanti, i raggi γ o X sono molto più penetranti delle particelle α e β. 6

17 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI La legge che determina l assorbimento dei fotoni in un mezzo, analogamente alla legge del decadimento radioattivo, è di tipo statistico. Si basa sull assunzione che, per un fotone, la probabilità di assorbimento per unità di percorso dipende solo dall energia del fotone e dal numero atomico del mezzo. La legge che descrive il comportamento macroscopico di un fascio di fotoni è quindi esponenziale: φ rappresenta la fluenza di fotoni, ovvero il numero di fotoni per unità di superficie e in particolare: φ 0 è la fluenza di fotoni iniziale, e φ(x) la fluenza di fotoni dopo lo spessore x dell assorbitore con coefficiente di attenuazione dato da µ. In analogia al decadimento radioattivo, la legge di assorbimento dei fotoni dice che spessori uguali riducono il flusso sempre della stessa percentuale. Lo spessore che riduce flusso di fotoni al 50% è una costante caratteristica di un dato radionuclide, ed è chiamato spessore emivalente, SEV (o spessore di dimezzamento) che è utile come parametro per il calcolo delle schermature in ambito radioprotezionistico. I neutroni I neutroni vengono prodotti mediante reazioni nucleari del tipo (α,n) (d,n) (p,n) (γ,n) e in base alla loro energia si classificano in neuroni termici ( 0,001-0,1 ev); lenti (0, ev); intermedi (1 KeV- 500 KeV); veloci(500 KeV- 1MeV) e relativistici(10 MeV- >100 MeV)[3]. Sono di nostro interesse i neutroni veloci che interagiscono con i tessuti corporei con diffusione elastica con nuclei di idrogeno. La dose assorbita è dunque dovuta ai nuclei di idrogeno diffusi elasticamente, su tragitti brevi e hanno forte densità lineare di ionizzazione e quindi elevato fattore di ponderazione Q, che permette di calcolare la dose equivalente. 7

18 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI Questo comportamento dei neutroni fa si che sia complesso rilevarli anche perché il campo di radiazione dei neutroni si sovrappone al campo di radiazione dei raggi gamma che hanno un Q diverso, pertanto si devono separare i due contributi per poter fare valutazioni di dose. Figura 1.1: fattore di ponderazione in funzione del LET e dell'energia dei neutroni[4] 8

19 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI 1.2 I sistemi di rivelazione Il principio di funzionamento di tutti i rivelatori di particelle è il trasferimento di tutta o di una parte dell energia della radiazione alla massa del rivelatore, dove è convertita in una grandezza misurabile. Nei gas la produzione di ioni da origine ad un segnale elettrico, negli scintillatori sono invece le transizioni energetiche molecolari a indurre l emissione di luce poi convertita in segnale elettrico processati da opportuni circuiti elettronici. Oltre a rivelare la presenza di una radiazione, la maggior parte dei rivelatori è anche in grado di fornire informazioni sulla energie della radiazione infatti in alcuni dispositivi la ionizzazione prodotta dalla radiazione è proporzionale all energia che essa deposita nel volume sensibile se il rivelatore è sufficientemente grande da assorbire completamente la radiazione. In genere il segnale di uscita ha la forma di un impulso di corrente, la ionizzazione totale è legata alla carica elettrica contenuta nell impulso secondo la relazione[4]: La forma dell impulso è una caratteristica del rivelatore e dell elettronica associata, se questa non cambia da un evento all altro, l integrale è direttamente proporzionale all ampiezza del segnale pertanto la relazione esistente tra l energia della radiazione e l integrale o l ampiezza del segnale di uscita è la risposta del rivelatore. In generale si scelgono rivelatori con risposta lineare, anche se questa è comunque funzione del tipo di particelle rivelate e del loro range di energia. Tante sono le caratteristiche che contraddistinguono un rivelatore e che ne determinano la destinazione d uso più appropriata. 9

20 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI Sensibilità'. La sensibilità di un rivelatore è la capacità di produrre in uscita un segnale utilizzabile per una data radiazione e per un dato intervallo di energia. Relativamente ad una particolare radiazione e in un determinato intervallo di energia, essa dipende dal numero di atomi ionizzati per quella radiazione nella massa sensibile del rivelatore, dalla massa totale attiva e dal materiale di protezione che racchiude il volume attivo. La particella carica incidente converte tutta o parte della sua energia prevalentemente sotto forma di ionizzazione primaria e in minor parte come ionizzazione secondaria, pertanto, se essa è altamente ionizzante, per ottenere una buona sensibilità dello strumento sono sufficienti anche materiali con bassa densità e volumi relativamente modesti così come avviene nei rivelatori a gas. Per le particelle neutre, poiché la ionizzazione è il prodotto del processo secondario, è invece necessario, in genere, avere alta densità' oppure grandi volumi, come nel caso dei neutroni. Il segnale conseguente alla ionizzazione prodotta deve essere almeno superiore al livello di rumore, sempre presente in qualsiasi rivelatore, inoltre si richiede che la radiazione incidente penetri all'interno della massa sensibile perciò il rumore intrinseco e lo spessore del materiale con cui è costruito il contenitore del volume attivo costituiscono un limite inferiore all'energia che può' essere rivelata. Risoluzione energetica La capacità del rivelatore di distinguere tra valori di energia prossimi tra loro è la risoluzione energetica. L interazione della radiazione con la materia a livello microscopico infatti coinvolge processi di tipo stocastico ed è inevitabile una fluttuazione nel numero e nel tipo di eccitazioni e di ionizzazioni nel mezzo: pertanto la risposta ad una radiazione monocromatica è meglio rappresentata da una gaussiana. La risoluzione è espressa dalla larghezza a metà altezza FWHM (Full Width Half Maximum) del picco, dipende dall energia ed è caratteristica di particelle cariche pesanti. 10

21 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI a) b) Figura1.2: a) La grandezza FWHM; b) la separazione dei due picchi dipende dalla risoluzione [4] Funzione di risposta. La funzione di risposta del rivelatore al tipo di radiazione rappresenta lo spettro di ampiezza di impulso prodotto dal rivelatore quando le particelle incidenti sono monocromatiche. La risposta ideale dovrebbe avere la forma di una riga ossia una funzione dell'energia E della particella senza alcuna larghezza ( E=0 ), 11

22 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI simile ad una delta di Dirac, la cui ampiezza e' una misura, attraverso opportuni fattori di conversione, dell'energia della particella. Sfortunatamente non e' cosi e la risposta e' piuttosto complicata e dipende da molti fattori: il tipo di radiazione incidente che condiziona fortemente le differenti interazioni attraverso le quali la radiazione stessa rilascia la sua energia; il modo di realizzare il rivelatore e la geometria del rivelatore. Quindi la risposta non sempre ha forma gaussiana, ma se si considerano elettroni, questi in alcuni casi potranno subire deflessioni a grossi angoli ed uscire dal rivelatore senza avervi depositato tutta la propria energia. In questo caso la funzione di risposta presenterà una coda nella zone dello spettro a bassa energia, lo stesso effetto è prodotto nel caso che l elettrone perda energia per irraggiamento ed il fotone di bremsstrahlung generato sfugga al rivelatore. Se le particelle incidenti sono fotoni, la funzione di risposta è ancora più complicata. Risulta chiaro che il rivelatore vede il fotone attraverso gli elettroni da esso generato per interazione fotoelettrica, compton o produzione di coppie. Figura 1. 3: funzione di risposta per gli elettroni[4] 12

23 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI Per energie di fotone elevate, dove è possibile anche la produzione di coppie, lo spettro presenta, nella parte continua dovuta all effetto compton, due picchi ad energia Eγ m e c 2 e Eγ -2 m e c 2 legati alla fuga dal rivelatore di uno o entrambi i fotoni di annichilazione del positrone. Figura 1.4: funzione di risposta dei fotoni La forma dello spettro riflette le diverse interazioni che avvengono nel rivelatore. Risposta temporale. Un altra caratteristica importante dei rivelatori è la loro risposta temporale, ossia il tempo impiegato dal rivelatore per formare il segnale dopo l arrivo della radiazione. Per una buona temporizzazione è necessario che il segnale venga formato molto velocemente ed abbia un tempo di salita estremamente rapido. La durata del segnale è importante per determinare il tempo morto del rivelatore. 13

24 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI Tempo morto Il tempo durante il quale il rivelatore rimane insensibile alla rivelazione di un nuovo evento o lo rivela distorto (fenomeno dell impilamento, o pile-up ) è detto tempo morto ed è dovuto al tempo che la registrazione di un evento richiede. Il rivelatore rimane insensibile per questo tempo, ciò implica che, se un secondo evento non dista temporalmente dal primo per più del tempo morto, non viene registrato. E evidente che se siamo interessati ad una qualsiasi misura di intensità di radiazione è importante conoscere il tempo morto per poter correggere opportunamente la misura. Efficienza Si definiscono due tipi di efficienza: l efficienza totale e l efficienza intrinseca. L efficienza totale è definita come la frazione di eventi emessi dalla sorgente che viene registrata dal rivelatore. Questa è una funzione della geometria rivelatore-sorgente e della probabilità di interazione della radiazione nel volume sensibile. L efficienza totale può essere fattorizzata in due termini: l efficienza intrinseca e l efficienza geometrica o accettanza. L efficienza intrinseca rappresenta quindi la frazione di eventi registrati tra quelli che sono diretti nel rivelatore e l efficienze intrinseca è una funzione del tipo di radiazione, della sua energia e del tipo di materiale di cui è composto il rivelatore I rivelatori a gas I rivelatori a gas sono dispositivi che sfruttano la ionizzazione prodotta dal passaggio di un fotone o di una particella carica in un gas; in tale processo un elettrone viene rimosso da un atomo o da una molecola in modo da creare una coppia elettrone-ione positivo. 14

25 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI Essi sono costituiti da un contenitore riempito con un gas facilmente ionizzabile. Il rivelatore ha un componente che funge da catodo e uno che mantenuto ad un potenziale +V 0 rispetto al catodo, funge da anodo. Se una radiazione penetra nel rivelatore sarà creato un certo numero di coppie ione-elettrone, sia direttamente, se la radiazione è una particella carica, che indirettamente attraverso radiazioni secondarie, se la radiazione è neutra e il numero medio di coppie create è proporzionale all'energia depositata nel dispositivo. Sotto l'azione del campo elettrico, gli elettroni vengono accelerati verso l'anodo e gli ioni verso il catodo formando un segnale in uscita che dipende dal potenziale applicato, come si nota dalla figura. Nella regione A non tutte le cariche prodotte vengono raccolte in quanto, a causa del piccolo valore del campo elettrico, il processo di ricombinazione delle varie coppie ione-elettrone è notevole. Aumentando la differenza di potenziale applicata il tempo a disposizione per la ricombinazione diminuisce, perché aumenta la componente della velocità delle coppie lungo la direzione del campo; questo crea un aumento della carica raccolta. Nella regione B, chiamata di saturazione o di camera a ionizzazione, gli effetti della ricombinazione diventano trascurabili e la carica raccolta è tutta quella prodotta. Nelle regioni C e D il campo elettrico è sufficientemente intenso da far acquistare agli elettroni primari prodotti energia cinetica sufficiente a ionizzare gli atomi del gas producendo, così, una moltiplicazione a valanga di ioni. La ionizzazione secondaria è ancora strettamente dipendente da quella primaria ed è in questa regione che lavorano i contatori proporzionali. Nella regione E, detta di Geiger-Muller, la carica raccolta non è più proporzionale alla ionizzazione primaria; oltre alla ionizzazione si hanno altri fenomeni quali l'eccitazione seguita da emissione di luce visibile e ultravioletta; questo produce un impulso costante in un certo 15

26 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI intervallo del potenziale applicato, indipendentemente dal tipo di particella incidente. Nella regione F non è più possibile nessun tipo di rivelazione: l'impulso in uscita non dipende più dalla radiazione incidente, poiché avviene una scarica in presenza o meno di radiazione. Figura1. 5: curva caratteristica dei rivelatori a gas [5] Camere a ionizzazione. Le camere ad ionizzazione operano nella regione di saturazione in cui il numero di ioni formati per unità di percorso è funzione della densità del gas, occorre usare alte pressioni di gas affinché il libero cammino medio nella camera sia inferiore alle dimensioni della stessa. Possono essere adoperate come rivelatori di impulsi singoli se il flusso di particelle incidenti è molto elevato, ma possono essere d'altra parte utilizzate per la misura del flusso di radiazione misurando la corrente anziché gli impulsi dovuti alle singole particelle. 16

27 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI Contatore proporzionale Quando il valore del campo elettrico in un contatore a gas aumenta al di sopra di un certo valore, l impulso in uscita da rivelatore inizia ad aumentare, pur rimanendo proporzionale alla ionizzazione iniziale, legata all energia cinetica delle particelle rivelate: un rivelatore che opera in queste condizioni è detto contatore proporzionale. Il grande vantaggio di questo rivelatore è che permette di rivelare anche una ionizzazione iniziale molto bassa, al limite anche una singola coppia di ioni. Poiché vicino all anodo il campo elettrico aumenta rapidamente, gli elettroni che si avvicinano acquistano molta energia cinetica, così da produrre per collisione ioni ed elettroni secondari, a loro volta accelerati ed in grado di ionizzare ulteriormente il gas. Sono generati anche fotoni che a loro volta producono elettroni per effetto fotoelettrico sulle pareti o nel volume del gas. Chiamiamo n il numero di elettroni prodotti nella ionizzazione primaria dalla radiazione incidente; ciascuno di essi ha una probabilità P di generare m elettroni secondari (m essendo il fattore di moltiplicazione). Il numero medio di elettroni secondari generati sarà allora: k = mp. Il fattore di moltiplicazione è funzione del tipo di gas di riempimento, della pressione e della tensione applicata. Il gas di riempimento è di solito un gas nobile (es: argon) con aggiunta di piccole quantità (10%) di molecole complesse capaci di assorbire i fotoni prodotti senza ionizzarsi a loro volta. Per utilizzare i contatori proporzionali per la rivelazione di raggi X o fotoni occorre avere gas ad alta pressione, per rivelare invece particelle alfa o beta di bassa energia occorre avere finestre molto sottili e quindi pressioni del gas pari a quella atmosferica. In alcuni casi addirittura non vi sono finestre di ingresso ed il gas di riempimento viene flussato tra gli elettrodi. Mentre le camere ad ionizzazione lavorano al centro della zona del plateau, i contatori proporzionali operano in genere verso la zona mediana della regione di proporzionalità: in questo caso la stabilità di tensione è ovviamente più importante in quanto una sua variazione si ripercuote sul valore del fattore di moltiplicazione e quindi sulla funzione di risposta del rivelatore. 17

28 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI Contatore di Geiger-Muller Se la tensione di polarizzazione aumenta fino si ha una scarica che si propaga anche lungo l asse del contatore cilindrico: è questo il fenomeno della valanga che determina un segnale elettrico grande (quindi facilmente leggibile), ma ch ha perso la proporzionalità con la ionizzazione iniziale. Il contatore Geiger quindi non può essere usato per spettroscopia, ma soltanto per misure di intensità di campi di radiazioni. La scarica si propaga lungo il filo anodico alla velocità di 107 cm/s e gli elettroni vengono raccolti in tempi brevissimi ( 10-9 s). gli ioni positivi si muovono più lentamente e stazionano per tempi più lunghi attorno al filo, dando origina e duna carica spaziale che fa diminuire il campo elettrico ed interrompe la scarica. L effetto di quenching (raffreddamento, estinzione) è ottenuto miscelando il gas nobile argon (90%) con gas poliatomici, le cui molecole sono in grado di assorbire energie senza a loro volta ionizzarsi. Anche se l impulso di uscita è molto veloce, i contatori Geiger hanno un tempo morto dell ordine di µs dovuto all effetto del quenching e pertanto va utilizzato con cautela in presenza di alte velocità di conteggio[5] I rivelatori a scintillazione I rivelatori a scintillazione sono senza dubbio tra i più diffusi rivelatori di particelle usati oggi in fisica nucleare. Sono basati sulla proprietà di alcuni materiali di emettere luce quando eccitati o ionizzati dalla radiazione incidente. Gli scintillatori organici o inorganici sono sempre accoppiati ad un sistema di amplificazione, un fotomoltiplicatore (PM o PMT), in grado di convertire il debole segnale ottico in un segnale elettrico che poi può essere processato ed analizzato e che contiene l informazione sulla radiazione misurata. La radiazione interagisce nello scintillatore e causa emissione di luce che è trasmessa al fotomoltiplicatore dove è convertita in una debole corrente di fotolettroni, poi ulteriormente amplificata. L insieme 18

29 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI rivelatore-pm deve essere completamente isolato dalla luce ambientale, tramite un recipiente sigillato e inoltre, per avere la massima raccolta di fotoni, tutte le pareti del rivelatore, ad eccezione di quella che si affaccia sul PM, devono essere ricoperte da un materiale altamente riflettente. Scintillatori organici Sono principalmente idrocarburi della serie aromatica tra cui l antracene e molti materiali plastici, la loro caratteristica migliore è il rapidissimo tempo di decadimento (qualche nanosecondo). La luce di scintillazione in questi composti nasce da transizioni energetiche degli elettroni covalenti degli orbitali π- molecolari. Tra gli scintillatori organici ricordiamo l antracene, lo stilbene e molti materiali plastici.alcuni scintillatori organici possono essere allo stato liquido: in questo caso il campione radioattivo viene disciolto all interno dello scintillatore e si evita così qualsiasi spessore morto tra rivelatore e sorgente, massimizzando inoltre l angolo solido di accettanza che in questa geometria vale 4π. Gli scintillatori organici hanno l ulteriore vantaggio del loro basso costo e della semplicità di utilizzo, tuttavia la limitazione maggiore è la scarsa risoluzione energetica dovuta ad una bassa resa di luce, che li rende poco adatti per la rivelazione di fotoni. Scintillatori inorganici Gli scintillatori inorganici sono cristalli di alogenuri alcalini con aggiunta di piccole percentuali di attivatori come NaI(Tl), CsI(Tl), KI(Tl), LiI(Eu) e il CsF 2. Fra i materiali non alcalini ricordiamo soprattutto il Bi 4 Ge 3 O 12 (noto come BGO), il BaF 2, il ZnS(Ag). Il meccanismo di luminescenza è un fenomeno legato alla struttura a bande dei cristalli. In un cristallo puro il passaggio di una particella ionizzante può provocare il passaggio di un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione pertanto l elettrone dopo un certo tempo tornerà alla banda di valenza, con relativa emissione di un fotone. Il processo però è inefficiente, ed in più i fotoni sarebbero emessi nell ultravioletto, che è una regione di scarsa efficienza per i fotocatodi 19

30 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI dei fotomoltiplicatori perciò, per aumentare la probabilità di emissione di fotoni ottici durante il meccanismo di diseccitazione, la struttura delle bande viene modificata mediante l introduzione di apposite impurezze,detti centri attivatori che danno origine a ulteriori livelli energetici, spazialmente localizzati, che si vanno a collocare all interno della banda proibita. La particella ionizzante può trasferire sufficiente energia ad un elettrone da portarlo nella banda di conduzione, ma un altra possibilità è invece che l energia ceduta all elettrone non sia sufficiente per portarlo nella banda di conduzione, cosicché esso rimane legato elettrostaticamente alla lacuna creando uno stato debolmente legato chiamato eccitone. L eccitone si può muovere attraverso tutto il cristallo ma non contribuisce alla conduzione poiché la sua carica totale è nulla. Ci si aspetta che esistano tutta una serie di livelli energetici dell eccitone che vanno ad occupare la banda proibita, immediatamente sotto la banda di conduzione del cristallo. Nello NaI(Tl) la larghezza della banda proibita è dell ordine di 6 8 ev e la banda degli eccitoni è 1 ev. L eccitone durante la sua diffusione attraverso il cristallo può essere catturato da un centro attivatore, che a sua volta si disecciterà attraverso emissione di radiazione: la lunghezza d onda del segnale luminoso non è quindi legata alle impurezze e non al cristallo che, per questo motivo, risulta trasparente ad essa. Il meccanismo può venire considerato da un altro punto di vista, esaminando la struttura dei livelli energetici. La curva AE della figura rappresenta l energia potenziale dello stato fondamentale in funzione di una coordinata di configurazione, per esempio la distanza internucleare delle molecole del cristallo. La curva BE rappresenta l andamento dell energia potenziale per il primo stato eccitato. L eccitazione del centro attivatore in seguito alla cattura di un eccitane è indicata dalla transizione AB. Il successivo decadimento di questo stato avviene per dissipazione termica con gli atomi vicine e porta il sistema da B a C. La transizione radiativa CD riporta il sistema nello stato fondamentale e tramite scambi termici si riporterà infine nella configurazione di energia minima A. 20

31 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI Figura 1.6: curva dei livelli di energia potenziale per lo stato eccitato e per lo stato fondamentale negli scintillatori[4] Lo spettro di emissione avrà quindi lunghezze d onda maggiori dello spettro di assorbimento. Questo fatto risulta estremamente vantaggioso in quanto il cristallo risulta trasparente alla luce di diseccitazione (se venisse riassorbita non potrebbe essere rivelata dal fotomoltiplicatore) Inoltre questo porta lo spettro della luce dall ultravioletto al visibile, in una zona dove la risposta dei fomoltiplicatori è molto migliore. Un problema che si presenta è il quenching, il processo di riduzione dell emissione di fotoni da parte del sistema di scintillazione con conseguente riduzione dei cpm, esso può avere varie cause (quenching di colore, chimico ). Questo difetto va corretto per evitare risultati erronei dovuti a conteggi troppo bassi rispetto alla vera velocità di disintegrazione dell isotopo presente nella sorgente esaminata. Gli scintillatori inorganici, rispetto a quelli organici, a parità di energia depositata dalla radiazione incidente emettono molta più luce 21

32 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI (quasi un ordine di grandezza) e presentano quindi una risoluzione nettamente migliore. Altro vantaggio, specie per la rivelazione di fotoni, è il loro alto numero atomico che li rende molto più efficienti. Un inconveniente che alcuni di loro presentano (soprattutto NaI e CsI ) è di essere molto igroscopici: è necessario quindi proteggerli rinchiudendoli in contenitori ermetici. Il BaF 2 ed il BGO non sono invece possono essere manipolati senza particolari protezioni I rivelatori a stato solido Il funzionamento dei rivelatori a semiconduttore si basa sull interazione della radiazione ionizzante crea coppie elettrone- lacuna all interno del volume di un semiconduttore drogato.nella zona di svuotamento le cariche prodotte possono essere raccolte per mezzo di un campo elettrico e trasformante in segnale. Il vantaggio degli apparati e semiconduttore è che l energia media richiesta per ottenere una coppia elettrone lacuna è almeno 10 volte più piccola di quella necessaria in un rivelatore a gas, e questo si traduce in una risoluzione migliore. Inoltre i dispositivi a semiconduttore, data la loro maggiore densità, hanno potere frenante (particelle cariche) e coefficiente di attenuazione (fotoni) maggiori, e questo si traduce in maggiore efficienze di rivelazione. Altro vantaggio, nel caso di rivelazione di fotoni, è il numero atomico più elevato (Ge: Z=32) rispetto ai rivelatori a gas (Ar: Z=20). Per aumentare lo spessore della zona sensibile si inserisce tra la zona p e la zona n una zona di semiconduttori compensati (detti di tipo i) per i quali la concentrazione di donatori ed accettori sono le stesse. Questi rivelatori p-i-n hanno la zona priva di carica spaziale abbastanza ampia, dell ordine di qualche centimetro ed un campo elettrico interno costante. Per ottenere questa zona compensata si diffonde nel cristallo (Ge o Si) del litioi(donatore) in un cristallo originariamente di tipo p. 22

33 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI Se la concentrazione di litio varia con continuità, si passa gradatamente da un materiale di tipo p ad un materiale di tipo n e la zona di svuotamento risulta sensibilmente più spessa. Per mantenere questo gradiente di concentrazione è necessario mantenere alla temperatura dell azoto liquido questo tipo di rivelatori, indicati con il simbolo Ge(Li) o Si(Li): questo è appunto l inconveniente maggiore. La realizzazione di cristalli anche di grosse dimensioni (volumi dell ordine del litro) ad altissima purezza (meno di 10 atomi/cm3 di impurezze) permette di costruire rivelatori come l High Purity Germanium (HPGe) che hanno l enorme vantaggio di non dover essere tenuti continuamente a bassa temperatura: il raffreddamento è necessario solo se viene applicata la tensione di polarizzazione, che è dell ordine di qualche migliaio di Volt. Nel grafico seguente è riportato il confronto tra la funzione di risposta di un rivelatore al Germanio ed un rivelatore NaI(Tl), si nota la notevole differenza in risoluzione energetica. Figura 1.7: confronto tra uno spettro di un rivelatore al Ge e uno scintillatore NaI(Tl) 23

34 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI Rivelatori di neutroni Per i neutroni termici i rivelatori sfruttano il principio di funzionamento dei contatori proporzionali riempiti da trifluoruro di boro (BF 3 ) che possiede una elevata sezione d urto per la reazione 10 B + 1 n 7 Li + 4 He Per i neutroni veloci si possono utilizzare diversi rivelatori che permettono la misura di flusso, oppure della dose assorbita o direttamente la misura dell equivalente di dose. I principali rivelatori per ciascuna categoria sono [3]: il contatore proporzionale con moderatore, per misura della fluenza;si tratta di un contatore proporzionale al BF 3 immerso in un moderatore di forma sferica. camera a ionizzazione tessuto equivalente per misure di dose assorbita; il principio di funzionamento è quello già descritto nei paragrafi precedenti,ma per misure di neutroni si deve prendere un accorgimento usando un altra camera gemella che permetta di discriminare la radiazione gamma. rem-counter per determinazioni di equivalente di dose;molto simile al contatore a BF 3 in cui il moderatore è costituito da due strati di polietilene e con plastico borato ottenendo una buona risposta in energia. 1.3 Applicazioni Dosimetria ambientale A seconda della radiazione da monitorare è opportuno operare con i dispositivi più idonei. In tutti i casi lo scopo delle misure fatte con i rivelatori, nell ambito radioprotezionistico, è quello di fornire dati e 24

35 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI misure per proteggere i lavoratori contro le radiazioni esterne e interne, per limitare la diffusione di contaminazione radioattive negli ambienti di lavoro e dare informazioni utili per prevenire il rilascio di materiali radioattivi, in concentrazioni superiori alle massime permesse, nelle aree interne ed esterne del laboratorio. Per le radiazione alfa sono più adatti: i contatori proporzionali a finestra sottile e i rivelatori a semiconduttore (Silicio) a barriera superficiale. Per la radiazione beta si utilizzano: contatori proporzionali o scintillatori organici. In particolare, per radiazione beta di bassa energia ( 14 C: Emax= 180 kev, 3 H: Emax= 20 kev) vengono usati scintillatori liquidi o contatori proporzionali operanti a pressione atmosferica a flusso di gas (senza finestra). Le radiazione gamma necessitano di rivelatori con alto Z ed alta densità. I più usati sono NaI(Tl) e BGO che possono essere costruiti anche di grandi dimensioni per avere efficienza relativamente elevata anche per fotoni di alta energia. Se la risoluzione è un parametro fondamentale, il rivelatore migliore è il germanio, specie lo HPGe: in questo caso le dimensioni sono ridotte e l efficienza risulta minore [3] Dosimetria personale I principi di funzionamento dei dosimetri sono quelli già esaminati per i rivelatori ambientali, ma con accorgimenti specifici. Esistono vari tipi di dosimetri: fotografici a piastrina (film badges), dosimetri ionometrici da tasca (penne dosimetriche) e dosimetri a termoluminescenza (TLD). I dosimetri ionometrici sono piccole camere a ionizzazione le cui pareti sono realizzate con plastici avente composizione equivalente a quella del tessuto di cui devono calcolare la dose assorbita; anche il gas di riempimento è costituito da una miscela equivalente al tessuto muscolare. Le pareti tessuto-equivalente hanno una composizione di C (78%), H 2 ( 10%), O 2 (5,2 %),N 2 (3,5%) Ca (1,8 %) e F (1,7 %). 25

36 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI Il gas di riempimento solitamente è una miscela composta dal 64,4% di CH 4, il 32,4% di CO 2 e il 3,2 % di N 2. Figura 1.8: penne dosimetriche Il funzionamento dei TLD si basa sul fenomeno della termoluminescenza di alcuni materiali (CaF 2, LiF, BeO, etc) che, precedentemente irradiati, a seguito di un riscaldamento riescono ad emettere luce che risulta essere proporzionale alla dose assorbita Figura 1.9: dosimetri TLD 26

37 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI Nei film badge la misura di dose si effettua sfruttando la proprietà di alcune pellicole che si anneriscono se colpite da radiazioni ionizzanti. Per fotoni X e gamma e per radiazione beta il film utilizzato è costituito da uno strato di gelatina nel quale sono sospesi grani di AgBr. Occorre, dopo l esposizione, effettuare uno sviluppo chimico con il quali si risale al valore della densità ottica, riconducibile alla dose. La ripetibilità della misura è considerata una preziosa caratteristica dei dosimetri a film dal punto di vista legale,al contrario dei TLD in cui l informazione si perde a seguito del riscaldamento. Figura 1.10: dosimetri film badges 27

38 CAPITOLO 1 MONITORAGGIO DELLE RADIAZIONI I dosimetri descritti sono tra i più utilizzati e rientrano tra quelli che presentano i requisiti principali: l intervallo di misura è compreso tra 0,1 msv e 1-10 msv; la risposta è indipendente dall intensità di dose e da fattori ambientali come la temperatura e l umidità è trascurabile la sensibilità dello strumento a radiazione diversa da quelli in studio l accuratezza nella determinazione della dose non deve essere alterata dalla presenza di radiazione di diversa energia rispetto a quella utilizzata per la taratura. 1.4 Sorgenti artificiali di radiazione ai LNS Al laboratorio Nazionale del sud le sorgenti di radiazioni sono molteplici e di natura diversa: Gli acceleratori di particelle, il TANDEM e il CICLOTRONE SUPERCONDUTTIVO che per il loro meccanismo di funzionamento producono fasci di particelle accelerate e come prodotto secondario i neutroni, radiazioni gamma di alta energia. Le linee di trasporto del fascio e gli apparati sperimentali a loro volta diventano sorgenti di radiazione Apparecchiature sottoposte ad alta tensione producono radiazione X I bersagli attivati emettono radiazione beta e gamma Le sorgenti e i materiali radioattivi che emettono radiazione alfa, beta, gamma e neutroni I tubi a raggi x. 28

39 CAPITOLO 2 LA RADIOPROTEZIONE NELLE SALE SPERIMENTALI 2 LA RADIOPROTEZIONE NELLE SALE SPERIMENTALI 2.1 La radioprotezione Gli effetti che si originano dai trasferimenti di energia tra le molecole e gli atomi a seguito dell esposizione a radiazioni ionizzanti dipendono dal campo di irradiazione e sono sfruttati in svariati ambiti: dalla radioterapia alla medicina nucleare e comprende tutti i settori della ricerca scientifica in fisica nucleare. La radioprotezione, intesa come studio e prevenzione degli effetti dannosi delle radiazioni sull organismo umano, è una disciplina che presenta vari aspetti. Se si considerano la fisica e la dosimetria delle radiazioni ionizzanti e le modalità d irraggiamento, la radioprotezione stabilisce i principi e i criteri e determina gli obiettivi per limitare le dosi fissando degli standard appropriati. La protezione contro le radiazioni si attua utilizzando tecniche e dispositivi con cui si monitorano gli ambienti di lavoro. Il programma di radioprotezione di un azienda va studiato e commisurato alle caratteristiche degli impianti e degli addetti. In ogni caso per ottenere un alto grado di qualità della radioprotezione è richiesta la ridondanza delle apparecchiature e delle linee di difesa. Ai laboratori nazionali del Sud, l attività di ricerca sfrutta fasci di particelle accelerate dal ciclotrone superconduttivo e dal TANDEM che fatti incidere su determinati targhet inducono reazioni nucleari oggetto di studio. L uso frequente di sorgenti sigillate e non sigillate, la presenza di targhet e linee di trasporto attivati, determinano una esposizione a radiazioni ionizzanti artificiali e rendono elevato il rischio di contaminazione radioattiva accidentale nelle sale sperimentali. In questa struttura il Servizio di Radioprotezione gestisce, regola e garantisce i lavoratori in merito ai rischi da irraggiamento esterno applicando la normativa italiana e le direttive europee. Un altro pericolo da non sottovalutare è la contaminazione degli ambienti a seguito delle quali è necessario individuare con accuratezza 29

40 CAPITOLO 2 LA RADIOPROTEZIONE NELLE SALE SPERIMENTALI quali sono le matrici interessate (superfici solide, aria, acqua) e i radioisotopi responsabili della contaminazione I principi della radioprotezione Nessuna esposizione alle radiazioni ionizzanti, per quanto modesta, può essere considerata completamente sicura pertanto l'icrp (International Commission on Radiation Protection), l istituzione internazionale cui viene riconosciuto un ruolo di assoluta preminenza nel campo della radioprotezione, ha raccomandato, fin dagli anni 70, un sistema di protezione basato su tre principi fondamentali previsti nella pubblicazione fondamentale dell ICRP n. 26 nel 1977: giustificazione della pratica; ottimizzazione della protezione; limitazione delle dosi individuali. Tali principi sono stati pienamente recepiti dalla normativa di legge italiana entrata in vigore, attraverso i D.Lgs. 230/95, 241/2000, 187/2000 che ne stabiliscono il rispetto, nella disciplina delle attività con rischio da radiazioni ionizzanti. I tre principi della radioprotezione devono essere applicati in sequenza e nella loro formulazione originaria, sancivano quanto segue: a) i tipi di attività che comportano esposizione alle radiazioni ionizzanti debbono essere preventivamente giustificati e periodicamente riconsiderati alla luce dei benefici che da essi derivano; b) le esposizioni alle radiazioni ionizzanti debbono essere mantenute al livello più basso ragionevolmente ottenibile, tenuto conto dei fattori economici e sociali; c) le dosi individuali ricevute in ciascuna tipologia di esposizione (lavoratori, popolazione) non devono comunque superare i limiti prescritti dalla normativa. Il principio di giustificazione obbliga ad effettuare un attenta analisi di vantaggi e svantaggi che una certa pratica con rischio da radiazioni ionizzanti comporta, prima che questa venga intrapresa allo scopo di assicurare che il detrimento totale sia sufficientemente modesto rispetto ai benefici attesi. Lo strumento adottato è generalmente l analisi di costi/benefici e di parametri di natura extra-scientifica. 30