IL CONTATORE GEIGER-MÜLLER

PREMESSA

Le stazioni di misura del progetto www.radioattivitaferrara.it rispettivamente nominate:Teolab-1 (posizionata a Pontelagoscuro - Ferrara Nord) e Teolab-2 (posizionata a Pontegradella - Ferrara Est), sono state progettate e costruite con lo scopo di monitorare e registrare in modo amatoriale l'andamento del fondo naturale di radiazione della città di Ferrara, pubblicandone successivamente l'entità, sulle pagine di questo sito web per una facile e veloce consultazione da parte delle persone interessate. Ogni stazione di misura racchiude al suo interno uno speciale contatore Geiger-Müller, integrato ad un apposito hardware di controllo e acquisizione, supervisionato a sua volta da specifici firmware e app gestionali. L'intero sistema è stato progettato e costruito da Matteo Negri, electronic and firmware designer per professione, nonché web master di questo sito web. Il contatore Geiger-Müller in dotazione alle stazioni di misura sopraccitate rivela e conta gli impulsi elettrici generati da una sonda specifica di costruzione statunitense (LND Inc.) denominata LND7312. Questo trasduttore alimentato a 500VDC costanti da una speciale circuiteria interna, è in grado di rilevare l'interazione radioattiva all'aria sviluppata sia dal contatto con particelle corpuscolari (α,β), sia dal contatto con radiazioni elettromagnetiche (X,γ). Gli impulsi rilevati dai sensori durante le sessioni di misura delle stazioni, possono essere originati sia dalla radioattività naturale normalmente presente nell'ambiente in cui viviamo, sia da quella artificiale prodotta dalle attività umane.

CARATTERISTICHE DELLA RADIOATTIVITA' NATURALE

La radioattività naturale è derivata dal decadimento degli elementi radioattivi normalmente presenti nei minerali che costituiscono la materia che ci circonda, come ad esempio le rocce, le sabbie, i fanghi, i depositi vulcanici, ma anche nei laterizi, nei materiali da cementificazione, nei metalli da fonderia, nelle ceramiche utilizzate per le piastrelle e per i rivestimenti presenti nelle nostre case. La radioattività naturale è anche presente in certi alimenti di cui regolarmente ci cibiamo, come ad esempio l'acqua, la carne, la verdura e la frutta, banane in primis. E' noto infatti, come questi frutti contengono molto potassio, tra cui anche l'isotopo radioattivo K40. Anche l'aria che respiriamo non è esente dalla radioattività naturale, soprattutto quella presente nei seminterrati degli edifici, dove il degassamento del terreno dovuto all'assestamento delle strutture o alla sismicità della zona, può portare all'accumulo di quantitativi rilevabili e pericolosi di Radon, un gas nobile noto per le sue spiccate particolarità emissive di radioattività. Da sempre poi, tutta la biosfera del nostro pianeta è quotidianamente interessata dalla radiazione cosmica, un flusso continuo di particelle cariche proveniente dallo spazio, costituito principalmente da un mix di muoni, fotoni (a diverse energie), protoni, elettroni e neutrini. Queste particelle hanno origine sia dall'attività nucleare dalle stelle (Sole compreso), sia dagli eventi violenti che caratterizzano l'Universo, come ad esempio, le esplosioni di supernove, le emissioni dei quasar, dai dischi di accrescimento dei buchi neri, dalle collisioni catastrofiche di stelle di neutroni, di buchi neri o di galassie. Quando questo flusso di radiazione interagisce con l'aria rarefatta presente nell'alta atmosfera del nostro pianeta, si dice che "decade" in un flusso secondario di particelle chiamato "shower", che molto spesso, può giungere sino al livello del mare per essere rilevato da strumenti di misura dedicati e, molto spesso, anche dai contatori Geiger-Müller installati all'esterno e che operano con precisi protocolli elettronici di sincronizzazione delle letture.

CARATTERISTICHE DELLA RADIOATTIVITA' ARTIFICIALE

La radioattività artificiale è la più insidiosa perché molto spesso viene rilevata nell'ambiente in cui viviamo, solo quando ha già raggiunto concentrazioni importanti e interessato negativamente, piccole o grandi aree del territorio, rendendole in casi eccezionali, addirittura inaccessibili per molti decenni. Valori elevati di radioattività artificiale libera nell'ecosistema in cui viviamo, infatti, sono sempre riconducibili alle attività umane e a contaminazioni avvenute a seguito di incidenti nucleari, atti di dispersione dolosa, atti terroristici o importanti operazioni militari. La radioattività artificiale è prodotta dall'uomo in diversi modi che contemplano la concentrazione industriale degli isotopi radioattivi normalmente presenti in natura o la costruzione di macchine specifiche che permettono di generarla ed emetterla. Gli usi pertanto che ne conseguono, possono spaziare dal mondo civile (industria, ricerca e uso medico), a quello militare (costruzione di specifici ordigni ad elevato potere distruttivo o perforante). Tra gli usi civili e industriali si distinguono indiscutibilmente quelli legati agli importanti processi di produzione dell'energia elettrica (centrali elettronucleari), quelli altrettanto essenziali dediti alla ricerca atomica, quelli dediti all'industria metallurgica, quelli dediti alle opere di smaltimento delle scorie radioattive e quelli dediti alla produzione e utilizzo degli importantissimi radio prodotti utilizzati nelle strutture ospedaliere (radiofarmaci, radio marcatori, isotopi irradianti usati in radioterapia e tanto altro ancora). Nonostante l'uso della radioattività artificiale si sia dimostrato nel tempo molto importante per la società in cui viviamo, è bene ricordare che il suo utilizzo è precario e deve avvenire sempre con la massima prudenza e controllo, onde contenerne gli effetti devastanti e spesso irreversibili che possono riscontrarsi sulla biosfera. Ne sono tragico testimone purtroppo, i fatti avvenuti negli ultimi decenni con gli incidenti di Chernobyl, Fukushima, Kyshtym, Sellafield, Three Mile Island, Tokaimura, Goiânia e nostro malgrado, tanti altri ancora. L'uso della radioattività artificiale in campo militare, invece, si annovera nella produzione di armi nucleari a fissione, a fusione e ad elevato valore di perforazione. In passato, test militari di queste armi eseguiti in atmosfera hanno prodotto effetti nefasti sull'ecosistema. Sebbene eseguiti in aree remote e circoscritte del pianeta, la loro detonazione ha provocato la dispersione di radionuclidi su larga scala. Tutto questo è stato possibile grazie al raggiungimento da parte dalle nubi di polveri scaturite dagli eventi, delle alte quote dove sono presenti le normali correnti a getto del nostro pianeta. Inevitabilmente, questi moti convettivi, hanno contribuito all'allargamento degli effetti delle radiazioni, essendosi dimostrate gli inevitabili vettori dei fallout che hanno poi contaminato vaste aree del pianeta (anche molto lontane dagli epicentri), con effetti ancora rilevabili ai giorni nostri.

COME FUNZIONA IL CONTATORE GEIGER-MÜLLER?

Per valutare la presenza di radiazioni ionizzanti nell'ambiente in cui viviamo, siano queste di origine naturale o artificiale, è necessario dotarsi di strumenti idonei al loro rilevamento. Lo strumento d'indagine più semplice, economico e facile da utilizzare è certamente il contatore Geiger-Müller, un dispositivo elettronico che usa una sonda peculiare in grado di evidenziarne la presenza. Si è scoperto nel tempo, infatti, grazie al lavoro illustre di prestigiosi scienziati del passato, che il metodo migliore per rilevare le particelle radioattive, siano esse corpuscolari o elettromagnetiche, è quello di sfruttare la loro innata capacità di "ionizzare" la materia che attraversano e che nell'interazione, provvedono a destabilizzare con la loro consistente energia penetrante. E' risaputo, infatti, che un atomo neutro è sempre composto da un numero uguale di protoni e elettroni. I primi si trovano nel nucleo al centro dell'atomo, i secondi ad orbitare nella nube elettronica che circonda il primo. Se il numero di protoni positivi è uguale al numero di elettroni negativi la somma algebrica della carica totale dell'atomo è pari a zero e ciò lo rende neutro (ovvero privo di carica elettrica prevalente). La ionizzazione è un fenomeno fisico che tende a destabilizzare questo concetto di neutralità e in natura può avvenire per le più svariate ragioni anche a basse energie, come ad esempio durante certe reazioni chimiche, negli effetti fotoelettrici o in altri tipi di circostanze che non staremo ora qui ad elencare. La ionizzazione però, può essere indotta efficacemente anche dalle particelle radioattive che con le loro alte energie e il loro alto potere penetrante, possono letteralmente spazzare via dagli orbitali degli atomi un certo numero di elettroni, creando quelli che in fisica vengono definiti ioni, ovvero atomi che per un motivo o per l'altro hanno assunto carica elettrica rilevante (anioni ed elettroni liberi in primis), a causa appunto del fenomeno della ionizzazione. In fisica, infatti, si dice che se un atomo perde uno o più elettroni diventa per definizione un catione, se invece li acquisisce diventa un anione. Questa peculiare particolarità è alla base del funzionamento dei tubi Geiger-Müller, che imbrigliano l'effetto ionizzante delle radiazioni interagenti, per generare impulsi elettrici proporzionali al numero degli eventi scatenanti.

Grazie a questa correlazione la costruzione di queste sonde è concettualmente molto semplice. Si realizzano quasi sempre partendo da un cilindretto metallico più o meno grande e chiuso su sé stesso, al cui interno è steso un filo elettrico di rame o acciaio nudo opportunamente isolato dal cilindretto contenitivo stesso. L'isolamento tra le due parti è garantito da una o più boccole realizzate in resina epossidica. Al filo interno è poi applicata una tensione elettrica molto alta (che può variare da qualche centinaio di volt in corrente continua, sino a qualche migliaio). L'applicazione del voltaggio polarizzante al filo elettrico interno è sempre possibile grazie a un prolungamento dello stesso verso l'esterno, che avviene con la mediazione di un apposito terminale detto anodo. La stessa cosa avviene anche con il cilindretto metallico contenitivo, che attraverso un terminale appositamente elettrosaldato a quest'ultimo, nominato catodo, permette di usare la carcassa stessa come piano di massa del tubo Geiger. Per massimizzare il potere ionizzante delle particelle radioattive da rilevare, l'interno del cilindretto è sempre svuotato dall'aria e riempito con una miscela di gas inerti a bassa pressione (tipicamente 0,1 bar), costituita prevalentemente di Neon e alogeni, che tipicamente sono noti per non condurre la corrente elettrica anche quando sottoposti a tensioni anodiche molto alte.

Se nessuna radiazione ionizzante penetrerà all'interno del cilindretto pertanto, nessuna corrente elettrica potrà scorrere tra il filo nudo metallico sospeso all'interno e la carcassa metallica stessa del cilindretto contenitivo, in quanto la miscela di gas interposta si comporterà come un isolante perfetto. Le cose cambieranno radicalmente però, nel momento in cui un insieme di particelle con energia sufficiente a creare ionizzazione (del tipo: α, β, X o γ), riusciranno a superare lo schermo metallico costituito dalla carcassa del cilindretto, la quale è bene ricordare, che oltre a fungere da catodo elettrico si comporterà anche come un vero e proprio filtro discriminatore, riducendo il rumore di fondo e limitando gli accessi delle particelle ionizzanti a una ben definita (dal costruttore) soglia energetica, molto spesso espressa in keV o MeV (pronuncia: kilo elettronvolt o mega elettronvolt).

A quel punto, se le particelle ionizzanti durante il loro percorso all'interno del tubo, riusciranno a collidere con un atomo o una molecola della miscela di gas inerte, l'energia in gioco riuscirà a strappare a quest'ultima uno o più elettroni per atomo interagente. La destabilizzazione che ne avverrà, a causa del fenomeno della ionizzazione, interromperà lo stato di quiete e la neutralità della miscela stessa, generando una cascata di ioni e lacune (valanga di Townsend), costituita da atomi e molecole che avranno acquisito o perso carica elettrica positiva o negativa. Saranno le leggi di Coulomb a quel punto a dettare il susseguirsi degli eventi, permettendo alle cariche generatesi di muoversi liberamente nella miscela ionizzata, attratte rispettivamente dal catodo (il cilindretto metallico contenitivo del tubo) e dall'anodo (rappresentato dal filo elettrico polarizzato con l'alta tensione, presente al suo interno). Il movimento ordinato di cariche elettriche verso i relativi poli attrattori, genererà inevitabilmente una corrente elettrica, che potrà essere facilmente rilevata agli elettrodi esterni della sonda, sottoforma di impulso in tensione. Lo squilibrio elettrico interno al tubo, creatosi con la ionizzazione del gas, non sarà però eterno e propenderà a concludersi in un tempo ben prestabilito. Questo processo avverrà a seguito della ricombinazione di carica che avrà luogo solo una volta che gli ioni circolanti avranno raggiunto i rispettivi elettrodi attrattori. Questo processo renderà nuovamente neutra la miscela di gas, restituendole le caratteristiche isolanti che aveva in partenza e resettandone categoricamente lo stato. Il tubo Geiger entrerà nuovamente in standby e si porrà in ascolto per rilevare nuove interazioni radioattive aventi energia sufficiente ad eccitarlo.

Quando un fascio di particelle ionizzanti colpirà nuovamente la sonda, il processo di ionizzazione-ricombinazione inizierà daccapo. E' bene ribadire che il movimento delle cariche elettriche nel tubo, generato dall'interazione della radioattività con la miscela di gas, è il meccanismo chiave che genera i "colpi elettrici" (impulsi), rilevabili tra anodo e catodo di ogni tubo Geiger. Questi impulsi se opportunamente partizionati da apposita circuiteria elettronica, possono essere inviati agli speciali contatori digitali che equipaggiano i più moderni microcontrollori presenti sul mercato, che oltre a sommare adeguatamente gli eventi, potranno anche analizzarli in funzione del tempo, sfruttando i cronometraggi quarzati che tanto contraddistinguono questi moderni semiconduttori. L'estrapolazione delle misure finali poi, avverrà grazie alle opportune elaborazioni firmware che questi componenti elettronici sono prettamente in grado di offrire, espletandole a grande velocità e fornendo all'utente finale, tutte le grandezze fisiche necessarie a valutare l'entità della sorgente radioattiva che ha interessato lo strumento in partenza.

Alla luce di quanto detto finora, pertanto, sarà ben facile capire perché la radioattività rilevata dai contatori di tipo Geiger-Müller è espressa generalmente in colpi al secondo (cps) o colpi al minuto (cpm). Più i colpi rilevati nell'unità di tempo saranno elevati, più vorrà dire che ci si troverà in presenza di radiazioni ionizzanti consistenti, viceversa invece l'opposto. I "colpi" rilevati dai contatori Geiger-Müller sono responsabili della classica emissione sonora ticchettante che contraddistingue questi strumenti e che ha contribuito nel tempo a renderli così famosi. E' bene specificare però, che il contatore Geiger-Müller è uno strumento in grado di offrire solo un'immagine quantitativa della radioattività incidente sulla sonda. Le caratteristiche costruttive che lo contraddistinguono, infatti, rendono lo strumento adatto a rilevare solo il numero di particelle interagenti con la sonda di misura stessa e non, come invece ci si aspetterebbe, l'energia o il tipo di radiazione ionizzante presente. Questo importante compito infatti, viene generalmente demandato a strumenti molto più costosi e complessi, come gli scintillatori, i rilevatori di particelle costruiti ad hoc, i rivelatori di neutroni, le camere di ionizzazione e i contatori proporzionali. Nel contesto infatti, questi strumenti oltre a permettere un campo di indagine più ampio e molto più rifinito rispetto ai Geiger detector, sono in grado di valutare con precisione il danno da radiazione in funzione del tempo di esposizione, parametri fondamentali per capire quanto una radiosorgente possa effettivamente danneggiare la salute delle persone.

Nei contatori di tipo Geiger-Müller, invece, la precisione della lettura finale dipenderà interamente dalla cura avuta dal costruttore in fase progettuale e realizzativa dell'apparecchio. Questa sarà maggiore se il tubo verrà alimentato con tensioni e correnti ben stabilizzate, centrate nel plateau e con misure corrette da apposite elaborazioni firmware ben mirate, che permettano non solo di conteggiare opportunamente tutti gli impulsi generati dalla sonda di misura, ma anche di tenere debito conto di quelli non udibili a causa della saturazione da radiazione che potrebbe interessare l'apparato durante una sessione di rilevamento. Quest'ultima particolarità è conosciuta nell'ambiente con il termine di correzione del dead time e provvede a compensare attivamente con appositi algoritmi di calcolo statistico, gli istanti ciechi della sonda di misura, periodi non trascurabili, che si manifestano con maggiore intensità quando la sonda stessa è colpita da fasci particolarmente importanti di radiazione. In soldoni pertanto, si può esprimere il dead time come la massima espressione fisica, di quanto possa mostrarsi "lento" il processo di ricombinazione elettronica di uno ione ad opera dello scambio elettronico a ridosso degli elettrodi polarizzanti, operazione che può rendere incapace la sonda di percepire nuove interazioni, rendendola imprecisa e sottostimante.

E' importante specificare, inoltre, che per rilevare la presenza di sorgenti di radiazioni ionizzanti nell'ambiente, occorre utilizzare contatori Geiger-Müller aventi un ampio spettro di rilevamento, dettato dalle caratteristiche costruttive della sonda di misura impiegata. Esistono infatti sonde dimensionate per il rivelamento delle sole sorgenti elettromagnetiche (come i raggi X e γ) e quelle miste che offrono invece la possibilità di rilevare anche le radiazioni corpuscolari. Queste si dividono in rivelatori α + β + γ (le sonde LND7312 utilizzate dalle stazioni di rilevamento Teolab-1 e Teolab-2 appartengono a questa famiglia) e β + γ (come l'eccellente sonda SBM20). Utilizzando un tubo Geiger-Müller dedito al solo rilevamento di sorgenti γ, infatti, non si potrà escludere di trovarsi comunque in presenza di radiazioni α o β anche di notevole entità, perché queste, a causa delle caratteristiche costruttive della sonda, non potranno essere rilevate.

Nonostante tutte queste peculiarità, il Geiger-Müller detector si conferma sempre e comunque un valido alleato, uno strumento economico, versatile, facile da usare e da costruire e che consente in linea di massima di rilevare velocemente e con la giusta approssimazione, se l'ambiente esaminato è interessato o meno dalla radioattività. Non è un caso, infatti, se molti lo descrivono  come lo strumento principe da battaglia, attribuendogli il classico slogan: "avvicinati il più possibile alla radiosorgente, misurane l'entità, voltati e fuggi", anche se poi è sempre pronto a smentire queste voci, quando lo si vede in azione nei laboratori di ricerca nucleare, dove permette lunghe fasi di misurazione delle radiosorgenti, fornendo dati molto precisi e attendibili circa l'attività specifica del materiale radioattivo analizzato.

DAI COLPI AL MINUTO AI SOTTOMULTIPLI DEL SIEVERT E DEL RÖNTGEN

Come abbiamo potuto valutare sino a qui, i contatori Geiger-Müller esprimono il valore della radioattività rilevata in colpi al minuto o in colpi al secondo. Tuttavia per valutare il rischio che le particelle radioattive (corpuscolari o elettromagnetiche) possano farci male, sono state introdotte anche altre grandezze fisiche più esplicative, come la dose di equivalente di radiazione (unità principe del S.I. ed espressa in Sievert e sottomultipli) e la dose di esposizione alla radiazione (utilizzata soprattutto in passato per esprimere il valore delle interazioni delle particelle elettromagnetiche x e γ ed espressa in Röntgen e sottomultipli), nonché il REM (Röntgen Equivalent Man), il RAD (Radiation Absorbed Dose), il Curie, il Bequerel e il Gray.

Spiegato in parole semplici, queste due unità di misura vengono introdotte in linea di massima nei misuratori Geiger-Müller per esprimere quanto un valore rilevato in cpm o cps possa infliggere un danno alla materia che ne risultasse esposta, sia questa vivente o inanimata. Tuttavia, siccome il danno a un tessuto vivente avviene sempre in funzione del tipo di particella interagente, del tempo di esposizione a cui il tessuto stesso risulta coinvolto, nonché all'energia della particella stessa e al tipo di tessuto vivente irraggiato, il contatore Geiger-Müller (che come abbiamo visto è solo in grado di rilevare la quantità di particelle interagenti, ma non la loro reale natura ed energia), può fornirci un indice del danno solo in forma molto approssimativa. Questo perché l'equivalenza che esiste tra i colpi al minuto rilevati e la dose equivalente di radiazione mostrata a display, è sempre riferita ad un valore specifico di taratura della sonda di misura stessa, che avviene in fabbrica, irraggiandola generalmente con un isotopo radioattivo calibrato e specifico. Per la sonda di misura LND7312 in dotazione alle stazioni Teolab-1 e 2, l'isotopo prescelto è il Cesio-137 che ha un'emissione di decadimento di tipo γ. Si parla di approssimazione, pertanto, perché i valori mostrati in Sievert o Röntgen dal contatore Geiger-Müller, sarebbero perfettamente attendibili, solo ed esclusivamente se la radioattività misurata in quel momento, provenisse da un'emissione γ di una probabile contaminazione d'area ad opera del Cesio-137. Tutti gli altri valori rilevati di cui non ne conosciamo l'origine, pertanto, sono puramente indicativi e questo vale per tutti i misuratori Geiger-Müller esistenti sul mercato, anche quelli professionali. La tabella riportata qui sotto, può aiutare l'utente a interpretare la correlazione che esiste "in linea di massima" tra i valori rilevati dalle stazioni Teolab-1 e Teolab-2 EMS, in cpm e la corrispondente dose equivalente di radiazione, collocandoli entrambi nella fascia di rischio espressa dalla colonna "Entità dei valori".

COLPI AL MINUTO ESPRESSI IN μSv/h (riferiti all'emissione γ del Cesio137) 

COLPI AL MINUTO ESPRESSI IN mR/h (riferiti all'emissione γ del Cesio137) 

Concludendo è bene fare una precisazione importante: come ricordato in precedenza, la radioattività del fondo naturale è una grandezza fisica aleatoria. Come tale è sempre soggetta a fluttuazioni temporali molto spesso cicliche, che possono risentire anche dei fattori ambientali legati alla meteorologia, quali: la nebbia, la pioggia, al deposito di polveri sul sensore in periodi di lunga siccità, al degassamento del terreno a seguito della normale sismologia della zona, all'alternarsi del giorno e della notte e all'attività undecennale della nostra stella che è in grado di influenzare in modo importante, l'irraggiamento cosmico proveniente dallo spazio.

Detto questo sarà interessante osservare come l'escursione dei valori possano variare anche di molto durante la giornata partendo da un minimo di zero a valori molto prossimi a 40 cpm, con rarissimi episodi che potrebbero portarla anche ad oltrepassare la soglia verde del fondo naturale, sconfinando per brevissimi periodi anche nella fascia dei valori lievi e della soglia all'aria. Tuttavia, se questi valori non persistono nel tempo, sono da considerarsi perfettamente normali e da ricondurre al classico ciclo naturale, senza destare preoccupazione alcuna.

Lo staff di www.radioattivitaferrara.it