GAS RADON - Ricerca e sperimentazione

SINTESI SULLA RICERCA E SPERIMENTAZIONE
DI UN NUOVO SENSORE RADON

Attività svolta in seno all’Osservatorio Geofisico di Novara

-Dagli appunti di Giuseppe De Antoni e del prof. Tiziano Milan-

PREFAZIONE

L'Osservatorio Geofisico di Novara nasce nel 1980, subito dopo il terremoto dell'Irpinia. Tutto ebbe inizio dall'attività amatoriale di Giuseppe De Antoni che realizzò un rudimentale sismografo avvalendosi di un vecchio cardiografo rottamato.
Successivamente, avvalendosi della consulenza telefonica degli esperti dell'Università di Genova, dei ricercatori dell'ING, ora INGV, di Roma e del supporto tecnico dell'amico Tiziano Milan, potè realizzare uno strumento a tamburo quasi professionale. Ebbe così inizio la collaborazione con l'INGV di Roma inviando i dati sismici rilevati.

Non contento, De Antoni pose mano anche alla meteorologia rilevando e raccogliendo dati. Tutto ciò, affinchè avesse un senso, implicò l'archiviazione dei medesimi con finalità di studio, ricerca e divulgazione.
Nel 1998, per impedire che la mole di lavoro andasse vanificata, De Antoni con altri amici che condividevano i suoi interessi, ufficializzarono l'esistenza dell'Osservatorio di Novara registrandolo come associazione. Associazione che venne inserita nei ruolini della Protezione Civile Nazionale, Regionale e Provinciale.

Attualmente l'Osservatorio dispone di tre stazioni sismiche (Premia, Monte Mesma e Novara) e una meteorologica. Essendo la curiosità verso i fenomeni naturali la molla che anima l'attività dell'Osservatorio, nel corso degli ultimi anni gli orizzonti della ricerca si sono allargati. Attualmente è in corso uno studio sulle emanazioni di Radon di origine geologica. Tale ricerca è svolta in collaborazione con il Dipartimento di Petrologia e Mineralogia dell'Università di Torino.

Il presente studio, oltre a fare il punto sullo stato di avanzamento della ricerca sul Radon, vuole sottolineare l'obiettivo che si intende raggiungere e, perchè no, ricordare lo sforzo fatto da alcuni soci in tale attività.
Il Presidente
Giorgio Barile,

I dati pubblicati non possono essere utilizzati per fini commerciali. Possono essere usati solo per divulgazione scientifica preliminare, citando la fonte. L'Osservatorio Geofisico di Novara non si assume alcuna responsabilità per l'uso improprio e non inerente allo scopo per il quale i dati e le informazioni riportate sono stati pubblicati.

IL RADON

Il Radon è un gas di origine naturale, appartiene alla categoria dei gas nobili, ha una massa atomica di 222 uma, è incolore, inodore ed è radioattivo. Tale gas viene prodotto dal decadimento del Radio che, a sua volta, risulta dal decadimento dell’Uranio.
Il simbolo chimico è 222Rn, ha una vita media di 3,8 giorni (emivita o tempo di dimezzamento), ovvero, statisticamente, se in un determinato volume si trovassero ora 100 atomi di 222Rn, tra 3,8 giorni ne rimarrebbero 50. Il decadimento avviene per espulsione di una particella alfa (α) (fig. 1) o elione: nucleo dell’atomo di Elio.

Tale decadimento trasforma il Radon in Polonio 218 (218Po) che decadendo a sua volta, sempre per espulsione di una particella α, trasmuta in Polonio 214 (214Po) che, successivamente, attraverso una lunga catena di decadimenti diventa Polonio 210 (210Po) molto pericoloso. Fortunatamente, infine diventa piombo stabile e non più radioattivo.
La presenza del 222Rn nell’aria è da imputare ai minerali di Uranio e Radio contenuti nel suolo, nei cementi, tufi, laterizi, graniti , ecc… .





CENNO SULLE RADIAZIONI IONIZZANTI.

Le radiazioni ionizzanti si distinguono in tre categorie: α alfa, β beta e γ gamma.
Le gamma sono di natura ondulatoria o elettromagnetica come i raggi X. Le beta e le alfa sono corpuscolari. Mentre le beta hanno massa ridotta (sono elettroni), le alfa, in quanto nuclei di atomi di elio, sono più massicce e quindi anche più energetiche.
Nonostante ciò, le alfa sono poco penetranti perché interagiscono più facilmente con la materia che attraversano.
Nell’aria, la particella alfa percorre circa 5 cm ad una velocità elevatissima (circa 1/3 di quella della luce) prima di neutralizzarsi catturando due elettroni e trasformarsi così in atomo di Elio (fig.2).


IL RADON E L'AMBIENTE

La presenza del Radon nell’ambiente è da qualche anno oggetto di monitoraggio da parte delle ARPA Regionali e altri enti in quanto è stato assodato che, superata una certa concentrazione, aumenta la probabilità che si verifichino decadimenti all’interno dei polmoni. Tali trasmutazioni, oltre ai danni diretti sulle cellule, a causa dei raggi alfa, lasciano prodotti di decadimento (metalli pesanti ) altamente tossici che si fissano nei tessuti polmonari. In conclusione, il radon ambientale nuoce gravemente alla salute.

Pare che, nella sola Europa, circa 20.000 persone ogni anno si ammalino di patologie gravi ai polmoni (cancro) per aver soggiornato per lunghi periodi di tempo in ambienti con alta concentrazione di Radon.
Bisognerebbe provvedere a bonificare in modo adeguato gli ambienti, dove si vive e lavora, mediante ventilazione o altri sistemi onde ridurre la concentrazione di Radon entro i limiti previsti dalla legge.

RADON E TERREMOTI

Dopo il disastroso terremoto a L’Aquila, su giornali e tv si scatenò una bagarre tra sostenitori e detrattori della possibilità o meno di prevedere eventi sismici con ragionevole anticipo. In particolare, si seppe che una stazione di rilevamento locale aveva registrato una variazione significativa nella concentrazione del Radon ma nessuno ne tenne conto. Che il 222Rn sia un probabile precursore di eventi sismici, lo si sapeva da anni. A tale proposito esiste una nutrita documentazione.
In breve, il meccanismo geologico che libera il Radon dal sottosuolo, prima di un evento sismico, si presume correlato alla deformazione della crosta terrestre imputabile ad accumulo di energia elastica dovuta al movimento delle placche tettoniche. (fig. 5,6). Lo schema fig. 6 C rappresenta la situazione dopo la frattura.

Le deformazioni tettoniche producono nelle rocce delle microfratture che vanno ad interessare le celle (piccoli spazi vuoti nelle rocce) che fungono da serbatoi del Radon generato dal decadimento dei radionuclidi presenti sulla superficie interna delle celle stesse (disegni A e B). In particolare, poi, il radon viene veicolato verso la superficie del suolo dall’Anidride Carbonica (CO2) di origine geologica.
Purtroppo, per il momento, il Radon come precursore di terremoti non è ritenuto sufficientemente affidabile poiché le condizioni climatiche e meteorologiche influiscono, e non poco, sul flusso del gas verso la superficie e dunque sulla sua concentrazione nel suolo a piccole profondità.

Per un serio studio sulla fattibilità della previsione dei terremoti occorrerebbe disporre di una estesa rete di rilevamento sul territorio. Solo così si potrebbe effettuare un sistematico confronto dei dati. Non solo, sarebbe auspicabile poterli correlare anche con altri parametri, ad esempio rilievi meteo locali, geochimici, geoelettrici, clinometrici e così via. Per realizzare concretamente una siffatta rete capillare di rilevamento, occorre un impegno finanziario non indifferente dato il notevole costo delle apparecchiature e relativa gestione.

PROGETTO RADON

Nel 2003 alcuni tecnici dell’osservatorio Geofisico di Novara diedero vita ad un importante progetto denominato “progetto Radon”.

Iniziarono col rilevare la presenza del gas facendo uso di apposite pellicole (LR115) (fig.7) in grado di impressionare le tracce lasciate dalle particelle alfa espulse dai nuclei degli atomi di Radon (fig 8). Le pellicole venivano alloggiate in appositi pozzetti (cinque in tutto) posti in siti prescelti lungo la linea tettonica della Cremosina (fig.9,10).

Tale rilevamento continuò per alcuni anni. Il metodo implicava un notevole dispendio di tempo ed energie: spostamenti per la posa e il recupero delle pellicole, lo sviluppo delle medesime in laboratorio ed infine il conteggio statistico delle tracce rilevate (puntini chiari fig. 8).
L’impresa fu quindi abbandonata. Occorreva trovare la maniera di acquisire i dati in modo automatico mediante apparecchiature elettroniche che fossero anche in grado di inviarli al centro di raccolta per via telematica.
Siccome l’Osservatorio Geofisico di Novara non disponeva di sufficienti finanziamenti per l’acquisto delle apparecchiature, l’allora responsabile Giuseppe De Antoni e il socio Tiziano Milan (entrambi membri fondatori dell’Osservatorio) si documentarono sul processo di decadimento del Radon e relative apparecchiature di rilevamento. I sensori Radon, di tipo commerciale, sono sostanzialmente di tre tipologie:

  1. Sensore a camera di ionizzazione, simile ma non uguale al contatore Geiger. La tensione di lavoro è poco adatta per strumenti destinati alla posa in pozzetti umidi e per periodi di diversi anni.
  2. Sensore a foto-moltiplicatore che registra il debolissimo lampo di luce emesso dal solfuro di zinco colpito dalle particelle alfa. È molto delicato e con tensione di funzionamento ancora maggiore del precedente.
  3. Sensore di ultima generazione a semiconduttore, sostanzialmente un diodo planare, a grande superficie di captazione, che entra in conduzione quando la giunzione viene colpita dalle particelle alfa. Sono meccanicamente robusti ma inadatti alla posa in luoghi umidi per lunghi periodi di tempo.

De Antoni e Milan, lavorando in laboratorio (la cantina di casa) realizzarono prototipi di ciascuno dei tre tipi. Inutile dire che si servirono di componentistica di recupero. Ma nessuno dei facsimili degli strumenti sopra descritti faceva al caso loro. Decisero così di tentare una nuova via. Seguì una serie lunghissima di esperimenti. Il risultato finale della ricerca, grazie anche a circostanze fortunate, fu l’ideazione e la realizzazione di un prototipo di rilevatore di nuova concezione e bassissimo costo. Basti pensare che lo strumento fu realizzato sfruttando componenti elettronici acquistati in negozi di componenti per hobbysti.

IL NUOVO SENSORE

Lo strumento, (vedi fig. 11), sfrutta un fenomeno fisico molto semplice. Gli sperimentatori scoprirono, quasi casualmente, che anche una sola particella alfa, che attraversi lo spazio tra due armature di un condensatore in aria, è in grado di perturbarne il campo elettrico, quel tanto che basta ad essere rivelato da un circuito elettronico. Nello specifico, l’aria che veicola il Radon si diffonde all’interno del condensatore attraverso dei fori simili a quelli dell’imbuto della moka. Non serve neppure una tensione elevata di funzionamento, che è di soli 6 volt. Altra caratteristica importante è che lo strumento non risente di alcun disturbo elettromagnetico e non soffre gli sbalzi di temperatura. Naturalmente, prima di essere messo a dimora nel pozzetto lo si deve proteggere dall’umidità chiudendolo in un normale sacchetto di polietilene per alimenti. Il Radon diffonde attraverso il polietilene come la farina attraverso un setaccio. Gli ideatori, orgogliosi della loro creatura, la battezzarono Sensore a deformazione di campo.

ALTRI DETTAGLI TECNICI

Gli impulsi, derivanti dalle perturbazioni elettriche sopra menzionate, vengono amplificati e trattati in modo da poterli separare dal rumore di fondo. Successivamente sono inviati ad un circuito analizzatore capace di discriminarli a secondo della loro ampiezza ( valore correlato all’energia che li ha generati). Gli impulsi così discriminati vengono successivamente acquisiti da un datalogger che provvede al loro conteggio e memorizzazione. Il datalogger ( personalizzato ) è stato progettato e realizzato da Mattia Garavaglia, titolare della ditta Elettrobyt, al quale va un sentito ringraziamento.

I TEST

Come sorgente Radon per i test di funzionamento è stato usato un minerale di Uranio: la Torbernite. Un sasso grande quanto un uovo. Tale Minerale è stato acquistato in un negozio montano di souvenir. La figura 13 mostra l’allestimento delle apparecchiature. Nel contenitore grande, in acciaio, è alloggiato il minerale. Il gas Radon emesso diffonde attraverso un tubo e relativi rubinetti fino ad una camera di raccolta piccola, sempre in acciaio, dove viene introdotto il sensore. Si è voluto in questo modo separare lo strumento dalla sorgente per evitare eventuali disturbi indotti dall’esposizione diretta alla radioattività del minerale. Nella figura sono altresì visibili l’oscilloscopio e la valigia contenente alimentatore e datalogger.

Comunque, ulteriori prove effettuate con il sensore vicino alla sorgente non hanno evidenziato i temuti disturbi. Il grafico riportato sotto rappresenta la curva di risposta del sensore con una base tempi di conteggio di 30 minuti. Si osservi che dopo circa 6 ore si raggiunge la saturazione che viene mantenuta abbastanza stabilmente fin tanto che il sensore non viene tolto dalla camera Radon. Volendo si può valutare anche il tempo necessario per lo svuotamento della camera del sensore.

Oltre al ²²²Rn esiste pure il ²²ºRn presente nella catena di decadimento del Torio.
Come sorgente sono state utilizzate delle vecchie reticelle per lampade a gas da campeggio.
Tali reticelle, nel passato ma oggi non più, venivano trattate appunto con il Torio.
Ebbene lo strumento ha funzionato benissimo anche con il ²²ºRn.
Ulteriori prove di verifica sono state effettuate sul campo, ovvero in un pozzetto realizzato nel cortile dell’Assessorato all’Ambiente del Comune di Novara.
Al sensore da testare è stato affiancato il SARAD (rilevatore Radon professionale) gentilmente messo a disposizione dal gruppo di ricerca del dipartimento di petrologia dell’Università di Torino.

Tali test, come mostra il grafico seguente, hanno confermato l’affidabilità del rilevatore Radon realizzato in proprio dai tecnici dell’Osservatorio Geofisico di Novara.


La diversità nei conteggi è dovuta semplicemente al fatto che il volume delle camere di acquisizione dei sensori è differente: 20 cm3 in un caso e 12,5 cm3 nell’altro. Non contenti, gli sperimentatori, nel frattempo diventati tre con Claudio Santini, New entry, misero a punto un secondo modello di sensore con camera a volume variabile e speciali aperture (forellini laterali) per l’iniezione di raggi alfa dall’esterno. Come iniettore alfa direzionale fu utilizzato l’Americio reperito smontando un vecchio sensore di fumo per antincendio.

Costatarono così che non occorre che il raggio alfa colpisca direttamente l’armatura interna (detector) del sensore. Inoltre, variando il volume della camera, e mantenendo costanti tutti gli altri parametri, osservarono che esiste un volume ideale che massimizza la sensibilità dello strumento. Vedere grafico sotto, sul quale sono riportati i conteggi orari (cts/h) il volume (cm3) e i Becquerel (Bq)/m3 che è l’unità di misura dell’attività radioattiva.

Il grafico evidenzia che il volume ideale di lavoro del sensore è compreso tra i 60 e i 70 cm3.
Altri esperimenti di laboratorio sono in fase di progetto per capire come il gas Radon si diffonde in aria e altri materiali ( argilla, sabbia, acqua, ecc…).


OBIETTIVO FINALE

Al momento della stesura del presente documento informativo, si segnala che la rete di rilevamento radon consta già di due stazioni automatiche e due a scaricamento dati manuale. Quelle automatiche si trovano una presso il Comune di Gozzano e una presso il Comune di Pogno che gentilmente hanno messo a disposizione oltre al locale anche il collegamento elettrico e telefonico. Le stazioni a scaricamento manuale sono in funzione, da circa un anno, presso la sede dell’Assessorato all’Ambiente del Comune di Novara e presso l’abitazione di De Antoni per testarne l’affidabilità.

Altre due stazioni automatiche di rilevamento sperimentale saranno realizzate prossimamente grazie al contributo concesso dalla Regione Piemonte. Verranno installate in siti prescelti con la consulenza dei ricercatori dell’Università di Torino dipartimento di Petrologia in quanto, da anni, loro si occupano di ricerche analoghe sul vulcano Stromboli.

Si ringraziano: il prof. Cigolini e il suo gruppo di ricerca dell’Università di Torino, il Comune di Novara, il Comune di Pogno, il Comune di Gozzano e tutti gli altri Enti o privati per la loro disponibilità e collaborazione. Un particolare ringraziamento va al presidente dell’Osservatorio e a tutti i soci che hanno sostenuto il “Progetto Radon”.