martedì, 1 Dicembre, 2020

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Nucleare, riconoscere il pericolo radioattività: il contatore Geiger e Müller

Chernobyl, Fukushima, Tokaimura, Kyshtym... come si rileva e quantifica l'emissione di radiazioni nei siti nucleari, ecco il contatore Geiger e Muller

Il contatore Geiger, inventato nel 1913 da Hans Wilhelm Geiger e perfezionato nel 1928 insieme a Walther Müller, è uno strumento di misura per radiazioni di tipo ionizzante, in particolare le radiazioni provenienti da decadimenti di tipo Alpha, Beta e Gamma. In determinati paesi come il Giappone, il contatore Geiger è uno strumento di utilizzo comune, tanto che alcuni ristoranti e supermercati lo mettono a disposizione dei clienti per verificare la salubrità del cibo.

Credits: Reccom Magazine
Credits: Reccom Magazine

Contatore Geiger: com’è fatto

Il contatore Geiger ha una struttura piuttosto semplice. Fondamentalmente si tratta di un tubo metallico che funge da catodo, al cui interno circola un gas inerte e a bassa pressione (~0.1atm), con una piccola parte (~10%) di vapore organico o gas alogeno. Questi gas -elio, neon, argon…- hanno la proprietà di essere dielettrici, e di avere un’elevata energia di ionizzazione. Nei contatori Geiger in grado di rilevare più tipi di radiazioni, tubo è chiuso da entrambe le estremità, ma ha un finestra di mica (silicato di K e Al).

Schema di un contatore Geiger semplice. Credits: Wikipedia
Schema di un contatore Geiger semplice. Credits: Wikipedia

All’interno del tubo sono presenti elettrodi, con differenza di potenziale di qualche centinaia di Volt, con un flusso di corrente tuttavia nullo. Vi è poi un filo di tungsteno, isolato, teso lungo l’asse del tubo. Il filo, che del sistema rappresenta l’anodo, è mantenuto ad un potenziale positivo poco inferiore al potenziale di carica. Anodo e catodo sono esternamente collegati ad un circuito che funge da amplificatore e regola un contatore di impulsi elettrici.

Contatore Geiger, come funziona

Contatore Geiger  Credits: Contatori Geiger
Funzionamento del contatore Geiger Credits: Contatori Geiger

Le particelle cariche, penetrano nel tubo tramite la finestra di mica, e ionizzano parte delle particelle gassose interne al tubo stesso. Da quì otteniamo cationi ed elettroni, che nel tubo, vengono accelerati dal campo elettrico generato dagli elettrodi, e si dirigono rispettivamente verso il catodo e verso l’anodo. Gli ioni accelerati, per via delle collisioni cui vanno incontro, accumulano energia e ionizzano le particelle di gas rimanenti, si viene così a creare una enorme “massa” di cationi e anioni. Questo provoca un breve ma intenso impulso elettrico, che circolando da un elettrodo negativo ad un elettrodo positivo, viene captato e quantificato dal circuito esterno.

Il principio, le radiazioni rilevate

Il contatore Geiger è in grado di rilevare radiazioni Alpha, Beta, Gamma, ed anche radiazioni di fondo. Vediamole brevemente.

Contatore Geiger, radiazioni misurabili Credits: Radoninformati
Credits: Radoninformati

Le particelle Alpha si caratterizzano per elevato potere ionizzante, elevata carica positiva e densità, ma bassa capacità di penetrazione. Dunque non risultano particolarmente pericolose per la salute umana, a meno che non vengano introdotte nell’organismo per via meccanica, come nel caso dall’ingestione. In tali circostanze la loro elevata energia diviene pericolosissima per i tessuti interni sensibili. Anche per questo motivo, in certe zone del mondo, è utile testare con un contatore Geiger adeguato il cibo, prima di ingerirlo.

Credits: Stefania de Lucia, arjelle intervista
Credits: Stefania de Lucia, arjelle intervista

Le particelle Beta, oltre ad avere carica negativa, sono piuttosto leggere. Ne deriva una capacità di penetrazione 10 volte maggiore rispetto alle alpha, ma anche un potere ionizzante 10 volte minore rispetto alle stesse. Se ingerite, esiste la possibilità che causino danni gravi ai tessuti vivi. Il fatto che possano essere o meno rilevate dal contatore Geiger dipende sia dallo spessore del tubo sia dalla presenza o meno della finestra di mica.

Credits: Stefania de Lucia, arjelle intervista
Credits: Stefania de Lucia, arjelle intervista

La particella Gamma è quella che presenta frequenza più alta e lunghezza d’onda più corta. Lo spettro corrispondente è quello che include i noti raggi X, la luce visibile, l’infrarosso, le onde radio, le microonde etc. Queste radiazioni hanno un elevatissima capacità di penetrazione, infatti, a meno che non vengano schermate da elementi con peso atomico elevato, sono in grado di attraversare qualsiasi tessuto o materiale. I raggi gamma sono anche i componenti della cosiddetta radiazione cosmica. Questa è emessa ad esempio dal Sole verso la Terra, e da altri corpi celesti in generale. Tutti i contatori Geiger sono in grado di captare e misurare le radiazioni gamma.

Credits: Stefania de Lucia, arjelle intervista
Credits: Stefania de Lucia, arjelle intervista

Radiazioni di fondo nel contatore Geiger

Come abbiamo detto, le radiazioni Gamma sono naturalmente presenti in natura. Le cause di questa radioattività naturale, sono le radiazioni cosmiche e la presenza di determinati minerali nella crosta, che contengono elementi radioattivi come Torio e Uranio. Chiaramente quando si vuole misurare l’emissione di particelle radioattive di un corpo, se si vuol effettuare una lettura precisa, questo valore di radiazioni andrebbe sottratto al valore letto nel contatore Geiger. Queste radiazioni di fondo costituiscono i cosiddetti “conteggi di fondo” del contatore, e il loro valore varia a seconda della posizione geografica in cui ci si trova. Comunque, il range comune si attesta fra i 0.041μSv/ora ed i 0.081μSv/h.

Come si legge la radioattività: i Sievert

Nel paragrafo precedente abbiamo introdotto un range di valutazione per le radiazioni di fondo. Tale intervallo è espresso in Sievert. Il Sievert, Sv, è un unità di misura (S.I.) particolare, che esprime l’entità del danno da radiazioni sull’essere umano.

Credits: Wall Street International
Credits: Wall Street International

Formalmente, dose di esposizione equivalente assorbita. È altresì molto utilizzato il suo sottomultiplo millisievert, mSv. Nell’arco della vita, salvo particolari condizioni, un uomo è esposto a 2.4 millisievert. Secondo le autorità giapponesi, a Fukushima sono stati registrati valori di trenta millisievert al reattore n. 2, cento millisievert al reattore n. 4 e 400 millisievert al reattore n. 3.

Tolleranza umana alle radiazioni in Sievert

  • 100 mSv, rischio oncologico
  • 1000 mSv (1 Sv), contaminazione con necessità di ricovero, possibili effetti a lungo termine
  • 2 Sv, emorragie, calvizie, malori
  • 4 Sv/7 giorni, possibilità di morte al 50% salvo ricovero
  • 6 Sv improbabile sopravvivere

Contatore Geiger oggi

Contatore Geiger nel tempo. Credits: Inquinamento Italia
Contatore Geiger nel tempo.
Credits: Inquinamento Italia

Oggi i contatori Geiger sono ancora largamente utilizzati ed è possibile acquistarli anche sui più famosi siti di e-commerce. Tuttavia, è necessario selezionare il contatore in relazione all’uso che se ne deve fare. Vi sono infatti diverse versioni, con differenti precisioni. La precisione dipende dalle caratteristiche costruttive, come la presenza ed il tipo di isolanti interni al tubo, lo spessore del tubo, gas impiegati etc… I prezzi variano molto appunto in funzione della precisione dello strumento, ma le case più note come Radex e Gamma Scout offrono prodotti per tutte le tasche e le esigenze. È anche possibile, per i più avvezzi, costruire un contatore Geiger hand-made utilizzando Arduino e qualche semplice strumento, ma ovviamente non si otterrà uno strumento professionale.

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Naomi Guadagninihttps://sciencecue.it
Nata e cresciuta a Bologna, studentessa di Ingegneria Chimica e Biochimica. Appassionata di chimica, medicina applicata, biomeccanica, e ingegneria dei materiali. I miei studi si concentrano sull'applicazione e la fusione di queste materie, per lo sviluppo di nuove tecnologie in diversi settori, principalmente nell'automotive.