Come schermare le radiazioni ionizzanti: i “segreti”

Per lo scienziato dilettante, conoscere i metodi di schermatura dalle radiazioni ionizzanti (raggi gamma, raggi X, radiazioni alfa e beta, neutroni) è fondamentale per salvaguardare la propria salute e quella delle altre persone eventualmente vicine alla zona dei propri esperimenti. Non è l’unica misura che occorre adottare quando si effettuano esperimenti di fisica nucleare oppure LENR, ma di sicuro è la più importante. Poiché il tipo di schermatura dipende fortemente dal tipo di radiazione che vogliamo schermare e poiché non sappiamo quali radiazione produce un esperimento, occorre proteggersi da tutto.

Le radiazioni possono essere ionizzanti o non ionizzanti, a seconda di come influiscono sulla materia. Le radiazioni non ionizzanti includono luce visibile, calore, radar, microonde e onde radio. Questo tipo di radiazione deposita energia nei materiali attraverso i quali passa, ma non ha energia sufficiente per rompere i legami molecolari o rimuovere gli elettroni dagli atomi. Oggi sappiamo che le radiofrequenze e le microonde provocano comunque un danno biologico, ma tramite meccanismi multistep.

Invece, le radiazioni ionizzanti – come ad es. i raggi X e i raggi cosmici, ma anche i raggi alfa e beta ed i neutroni – provocano un (rilevante) danno biologico (che poi si traduce in danno sanitario, tipicamente cancro o tumori), in quanto il meccanismo che provoca il danno in questione è diretto, ed è legato alla notevole energia associata alle particelle o radiazioni ionizzanti. In linea generale, maggiore è l’energia associata alla radiazione ionizzante e più grande è il danno che può fare.

Un impressionante effetto delle mutazioni al DNA vegetale indotte dalla radioattività legata all’incidente alla centrale nucleare di Chernobyl.

Infatti, quando la radiazione ionizzante passa attraverso il materiale, deposita abbastanza energia per rompere i legami molecolari e spostare (o rimuovere) gli elettroni dagli atomi. Questo spostamento di elettroni crea due particelle elettricamente cariche (ioni), che possono causare cambiamenti nelle cellule viventi di piante, animali e persone. Pertanto, le radiazioni ionizzanti sono potenzialmente dannose se non utilizzate correttamente. Eccone i 5 principali tipi (che occorre quindi schermare):

  • Particelle alfa
  • Particelle beta
  • Raggi gamma (e raggi X)
  • Neutroni.

Come si vede, la radiazione ionizzante può essere costituita sia da onde elettromagnetiche (i raggi gamma ed i raggi X), cioè radiazioni propriamente dette, sia da particelle (alfa, beta e neutroni). Questo perché la materia emana energia (radiazione) in due forme fisiche di base: sotto forma di “raggi” (radiazioni elettromagnetiche, ovvero pura energia senza massa, come ad es. la luce solare) o di “particelle ad alta velocità” (radiazione di particelle, che ha sia energia sia massa).

Riassunto dei vari tipi di interazione radiazione-materia per i 4 principali tipi di radiazioni ionizzanti con cui uno scienziato dilettante può avere a che fare nei propri esperimenti.

La radiazione ionizzante ha così tanta energia da far espellere gli elettroni dagli atomi, processo noto come “ionizzazione”. Le radiazioni ionizzanti possono danneggiare il tessuto e il DNA nei geni degli esseri viventi, quindi rappresentano un rischio per la salute dell’uomo. Le radiazioni ionizzanti provengono da macchine a raggi X, acceleratori di particelle, reattori nucleari classici o reattori LENR, particelle cosmiche dallo spazio (raggi cosmici) ed elementi radioattivi naturali o prodotti artificialmente.

La schermatura è solo uno dei tre tipi di protezioni che devono essere necessariamente implementate in modo sinergico in eventuali esperimenti di fisica nucleare (o LENR) condotti da uno scienziato dilettante. Le altre due sono l’impiego di rivelatori di radiazione (ad es. Geiger) e l’esecuzione dell’esperimento sempre da remoto (circa 10 metri), in quanto in particolare un dilettante può avere difficoltà a schermare e/o rivelare in modo affidabile (ed economico) le particelle più elusive, ovvero i neutroni.

La schermatura delle particelle α, o radiazioni alfa

Le particelle alfa sono una forma di radiazione ionizzante particellare composta da due neutroni e due protoni: infatti, sono nuclei di elio, il secondo elemento chimico più leggero. Le particelle alfa sono dunque particelle cariche, che vengono emesse da materiali presenti in natura (come uranio, torio, radio, polonio) ed elementi artificiali (come il plutonio e l’americio). Questo ultimo tipo di emettitori alfa viene utilizzato principalmente (in quantità molto ridotte) in articoli come i rilevatori di fumo.

Il nucleo di un atomo di elio, che costituisce le particelle (o radiazioni) alfa emesse in alcuni decadimenti radioattivi.

In generale, le particelle alfa hanno una capacità molto limitata di penetrare in altri materiali. Tuttavia, i materiali che emettono particelle alfa sono potenzialmente pericolosi e possono rappresentare una grave minaccia per la salute se inalati o ingeriti, mentre l’esposizione esterna generalmente non costituisce un pericolo, se la distanza fra la sorgente e lo sperimentatore è adeguata (nel caso delle famose Radium Girls, che subirono un grave avvelenamento da radiazioni del radio, non lo era).

Se gli alfa-emettitori vengono inalati, ingeriti o penetrano nel corpo attraverso un taglio, le particelle alfa possono danneggiare i tessuti viventi sensibili. Il modo in cui queste particelle grandi e pesanti causano danni le rende più pericolose di altri tipi di radiazioni (basti pensare ad esempio agli effetti del polonio). Le ionizzazioni che causano con la loro carica, infatti, sono molto vicine tra loro: possono rilasciare tutta la loro energia in poche cellule. Ciò provoca danni più gravi alle cellule e al DNA.

Le radiazioni alfa emesse da una sorgente radioattiva, a differenza di altri tipi di radiazioni ionizzanti, producono un gran numero di ionizzazioni in uno spazio ristretto, perciò sono assai pericolose per gli organismi viventi.

Anche se le particelle alfa sono molto energetiche, sono così pesanti che consumano la loro energia su brevi distanze e non sono in grado di viaggiare molto lontano dall’atomo. Queste particelle di radiazioni ionizzanti possono essere bloccate da 1 mm di carta (e non, come si può verificare facilmente con una camera a nebbia, da un singolo foglio di carta da 1/10 di mm o meno, come sostenuto erroneamente in moltissimi siti Internet!), dalla pelle umana o anche da pochi cm di aria.

Gli alfa dell’Americio-241 hanno un’energia di 5,5 Mev (milioni di elettronvolt). Gli alfa più energici viaggiano solo poche decine di mm in aria. Lo strato esterno di pelle, che ha circa 0,07 mm di spessore, assorbirà particelle alfa di energia fino a 7,5 MeV. Dal momento che questo è uno strato morto di tessuto, nessun effetto dannoso viene prodotto sul corpo. Pertanto, le particelle alfa non presentano un problema di schermatura per sorgenti radioattive e/o esperimenti di fisica nucleare o LENR.

Distanza percorsa nell’aria dalle particelle alfa di 5,5 MeV emesse dall’isotopo Radon-222. Si noti come il loro numero crolli quasi all’improvviso dopo una certa distanza e non gradualmente.

La schermatura delle particelle β, o radiazioni beta

Le particelle beta, che sono semplicemente degli elettroni veloci, sono particelle piccole e in rapido movimento con una carica elettrica negativa che vengono emesse dal nucleo di un atomo durante il decadimento radioattivo. Vengono emesse da radionuclidi naturali (come ad es. lo stronzio-90, l’idrogeno-3 (trizio), il carbonio-14) o artificiali. Tali beta-emettitori sono utilizzati principalmente in applicazioni mediche, come per esempio il trattamento delle malattie degli occhi.

In generale, le particelle beta sono più leggere delle particelle alfa e generalmente hanno una maggiore capacità di penetrare in altri materiali. Di conseguenza, queste particelle possono spostarsi di qualche metro nell’aria e penetrare nella pelle umana causando danni come ustioni, ma sono meno dannose per i tessuti viventi e il DNA perché le ionizzazioni che producono sono più distanziate. Tuttavia, come per gli emettitori di alfa, i beta-emettitori sono più pericolosi se vengono inalati o ingeriti.

Le radiazioni beta non sono molto penetranti rispetto ad altre radiazioni ionizzanti.

Le particelle beta hanno una massa molto piccola e metà della carica elettrica delle particelle alfa. Quindi, per una data energia, le particelle beta hanno una velocità molto maggiore rispetto alle particelle alfa. Di conseguenza le particelle beta hanno una minore perdita di energia specifica, il che significa che la loro penetrazione in qualsiasi assorbitore sarà molto maggiore di quella delle particelle alfa. I processi mediante i quali le particelle alfa e beta perdono energia negli assorbitori sono simili.

Le particelle beta possono essere fermate da uno strato di abbigliamento o da uno strato sottile di una sostanza come l’alluminio. Più in generale, un sottile foglio di metallo o di  plastica oppure un blocco di legno può sostanzialmente bloccare le particelle beta. Tuttavia, rispetto alle particelle alfa c’è un ulteriore problema quando ci si protegge dalle radiazioni beta, ed è il processo mediante il quale vengono prodotte radiazioni elettromagnetiche (raggi X secondari), chiamate bremsstrahlung.

Il fenomeno fisico del bremsstrahlung, o radiazione di frenamento (nel riquadro), e il tipico spettro associato, che di solito ricade nei gamma di bassa energia, cioè nei raggi X.

La frazione di energia beta che riappare come bremsstrahlung è circa ZE / 3000, dove Z è il numero atomico dell’assorbitore ed E è l’energia beta in MeV. Ciò significa che la schermatura costruita per le radiazioni beta dovrebbe essere costituita da materiali di basso numero atomico per ridurre la quantità di bremsstrahlung emessa. Si noti che una fonte di particelle beta emette raggi beta con energie che coprono lo spettro completo da zero a un’energia massima caratteristica, Emax.

L’energia media delle beta è, nella maggior parte dei casi, circa 1/3 di Emax. Il potere penetrante delle particelle beta dipende dalla loro energia. Ad esempio, una particella beta da 1 MeV potrà viaggiare per circa 3,5 m in aria. Pertanto lo spessore e la scelta del materiale per la protezione dalle radiazioni beta dipende dal: (1) fermare i beta di massima energia (ad es. lo Stronzio-90 emette un beta di 0.546 MeV mentre l’Ittrio-90 uno da 2,27 MeV); (2) proteggere qualsiasi bremsstrahlung.

La distanza massima percorsa dalle particelle beta dipende dalla loro energia massima (in Mev) e dalla densità dell’assorbitore: è di circa 2 mm per MeV nei materiali a bassa densità e di circa 1 mm per MeV negli assorbitori di media densità. Per la citata sorgente Sr/Y-90 (energia beta massima = 2,27 MeV, energia media = 1,13 MeV), di seguito sono riportate le distanze massime più precise. Il Carbonio-14, invece, ha energia beta massima = 0,156 MeV, energia media = 0,049 MeV.

Materiali assorbenti e profondità di penetrazione massime delle particelle beta.

La schermatura dei raggi gamma (e dei raggi X)

I raggi gamma (ϒ) sono una forma di radiazione ionizzante costituita da pacchetti di energia senza peso chiamati fotoni. In pratica, sono costituiti da onde elettromagnetiche ad alta energia che possono percorrere grandi distanze alla velocità della luce e generalmente hanno una grande capacità di penetrare in altri materiali. Per questo motivo, i raggi gamma (come ad es. quelli del cobalto-60) sono spesso utilizzati in applicazioni mediche per curare il cancro e sterilizzare gli strumenti medici.

I raggi X – che sono raggi gamma di bassa energia (da circa 100 eV a circa 100 keV, contro le centinaia di keV o qualche MeV dei gamma) – sono anch’essi fotoni di pura energia. I raggi X ed i raggi gamma hanno le stesse proprietà di base, ma provengono da diverse parti dell’atomo: i raggi X vengono emessi da processi esterni al nucleo, mentre i raggi gamma hanno origine all’interno del nucleo. Inoltre i raggi X hanno generalmente una minore energia e, quindi, sono meno penetranti dei raggi gamma.

I raggi X possono essere prodotti naturalmente oppure mediante macchine che utilizzano l’elettricità. Migliaia di macchine a raggi X vengono utilizzate quotidianamente in medicina e pure la tomografia computerizzata, comunemente nota come TAC, usa i raggi X per realizzare immagini dettagliate di ossa e tessuti molli nel corpo. I raggi X vengono impiegati anche nell’industria per ispezioni (ad esempio per trovare difetti nelle saldature) e per controlli di processo.

Un tubo di Roentgen usato per la produzione di raggi X.

I raggi gamma (e quindi anche i raggi X di alta energia, o “duri” e quelli a più bassa energia, o “molli”) sono un pericolo per tutto il corpo: infatti, possono passare completamente attraverso il corpo umano; mentre passano, possono causare danni ai tessuti e al DNA. Inoltre, possono facilmente penetrare le barriere che possono bloccare le particelle alfa e beta, come pelle e indumenti. Ciò è verificabile facilmente (ma non lo fate!) con una piccola sorgente gamma e un contatore Geiger economico.

La mancanza di carica elimina le interazioni di Coulomb tipiche delle particelle alfa e beta, e consente ai raggi gamma (e raggi X) di essere molto più penetranti rispetto a queste. Le interazioni che si verificano sono tramite l’effetto fotoelettrico, lo scattering Compton e la produzione di coppie. La probabilità che si verifichi uno di questi eventi è specificata da una sezione trasversale e i coefficienti di attenuazione lineare per i raggi gamma sono definiti da queste sezioni trasversali.

I tipi di interazione radiazione-materia dominanti alle varie energie dei raggi gamma.

Nonostante la loro elevata capacità di penetrare in altri materiali, in generale né i raggi gamma né i raggi X hanno la capacità di rendere nulla radioattivo. I raggi gamma, al contrario, vengono spesso emessi insieme alle particelle alfa o beta durante il cosiddetto “decadimento radioattivo”, fenomeno che si verifica in atomi instabili chiamati radionuclidi, che possono essere naturali o artificiali. Pertanto, in generale i campioni di materiali radioattivi sono ottime sorgenti gamma, da cui occorre guardarsi.

I raggi gamma, però, non perdono energia continuamente, come avviene invece con le particelle alfa e la beta, quando passano attraverso un assorbitore. Di conseguenza i raggi gamma sono molto più penetranti delle particelle alfa o beta. La radiazione gamma viene attenuata esponenzialmente quando passa attraverso un materiale di schermatura. Diversi decine di centimetri di cemento o qualche centimetro di materiale denso (come il piombo) sono in grado di bloccare questi tipi di radiazioni.

Una notevole schermatura usata per fermare i raggi gamma.

Perciò, teoricamente, i raggi gamma non vengono mai completamente assorbiti, non importa quanto spessa sia la schermatura. Tuttavia, possiamo scegliere uno spessore della schermatura che riduca il tasso di dose ad un livello accettabile. Infatti, il tasso di dose dovuto alla radiazione gamma che emerge da una schermatura può essere scritto semplicemente come la seguente equazione, dove Do è il tasso di dose senza schermatura, Dt è il tasso di dose dopo il passaggio attraverso uno schermo di spessore t, e i è il coefficiente di assorbimento lineare del materiale di schermatura:

Il coefficiente di assorbimento lineare i è dunque una funzione del tipo di materiale utilizzato per la schermatura e dell’energia della radiazione gamma, ed ha le dimensioni dell’inverso di una lunghezza. Puoi verificare ciò (ma non farlo!) sperimentalmente ponendo una sorgente gamma (di cui avrai selezionato un fascio stretto) a pochi cm da un contatore Geiger. interponendo fra sorgente e contatore un materiale di un certo spessore e cambiando poi materiale e spessore usato, etc.

L’equazione precedente è utile per calcolare il rateo di dose per una sorgente con la geometria di un fascio stretto. Tuttavia, questa equazione sottovaluta lo spessore di schermatura richiesto per la geometria della sorgente a fascio largo o per gli schermi spessi perché essa presuppone che ogni raggio gamma che interagisce con la schermatura venga rimosso, e quindi non contribuisca al tasso di dose.

Attenuazione di vari materiali in funzione dell’energia dei raggi gamma.

Per una geometria della sorgente a fascio largo o per uno schermo spesso il tasso di dose è una funzione dei raggi gamma che attraversano la schermatura senza alcuna interazione e dei raggi gamma “scatterati” dal materiale assorbitore e dei raggi gamma generati attraverso le interazioni dei raggi gamma incidenti. Pertanto, il tasso di dose totale può essere scritto come:

dove Du è il tasso di dose dai raggi gamma non scatterati e Ds è il tasso di dose dai raggi gamma scatterati e dai raggi gamma generati. Invece di calcolare Ds, di solito aggiungiamo alla prima equazione un termine chiamato fattore di accumulo della dose, B, così da ottenere la seguente formula, dove Du è il rateo di dose senza schermatura, Dt è il rateo di dose dopo il passaggio attraverso uno schermo di spessore t, i è il coefficiente di assorbimento lineare del relativo materiale e B è il fattore di accumulo della dose:

Il valore di B è una funzione dell’energia dei raggi gamma incidenti, del materiale dello schermo, della geometria della sorgente e dello spessore dello schermo. I valori per B sono di solito reperibili in apposite tabelle e non viene ogni volta calcolato. Ad esempio, il Radiological Health Handbook fornisce una tabella dei fattori di aumento della dose per varie energie di raggi gamma e materiali.

Per le stime di schermatura rapida, il concetto di “strato di metà valore” (HVL), cioè dello spessore di schermatura necessario per la riduzione della radiazione incidente a metà del valore, è molto utile. Un HVL riduce l’intensità alla metà, due HVL riducono l’intensità a un quarto, tre HVL a un ottavo, e così via. Per determinare il numero n di HVL da usare, puoi adoperare la formula Ds = Do x (?)^n, dove Ds è la dose schermata desiderata, mentre Do è la dose non schermata.

Materiali assorbenti e spessori di penetrazione per un paio di noti emettitori gamma. Lo spessore di metà valore (HVL) e lo spessore a 1/10 (1/10 VL) sono mostrati in cm per il Co-60 e il Cs-137.

La schermatura dei neutroni 

I neutroni sono particelle nucleari ad alta velocità che hanno un’eccezionale capacità di penetrare in altri materiali. Dei vari tipi di radiazioni ionizzanti qui illustrati (che sono tutti quelli da cui uno scienziato dilettante potrebbe avere necessità di difendersi), i neutroni sono gli unici, oltre agli alfa, in grado di rendere radioattivi gli oggetti. Questo processo, chiamato “attivazione” dei neutroni, produce molte delle sorgenti radioattive usate in applicazioni mediche, accademiche e industriali.

I neutroni, come i raggi gamma, sono forme di radiazione altamente penetranti. I neutroni non hanno alcuna carica e, pertanto, non sono influenzati dal campo elettrico degli atomi del materiale assorbitore. L’attenuazione dell’energia del neutrone si ottiene principalmente attraverso urti e conseguente dispersione (scattering) elastico e anelastico, che riduce l’energia del neutrone fino a che essi vengono assorbiti (tramite “cattura neutronica”) nel materiale di schermatura.

Libero cammino medio dei neutroni nell’acqua in funzione della loro energia.

Lo scattering elastico si ha quando il neutrone si scontra con il nucleo bersaglio e rimbalza in modo simile alla collisione di due palle da biliardo. Durante la collisione, il neutrone perde parte della sua energia iniziale e questa energia viene trasferito al nucleo bersaglio. Gli elementi leggeri della tavola periodica sono i migliori per rallentare i neutroni con lo scattering elastico, e quindi sono i materiali con un alto contenuto di idrogeno, come acqua, cemento e plastica (ad es. il polietilene).

Lo scattering anelastico si ha quando i neutroni in arrivo impartiscono parte della loro energia al materiale di dispersione ed eccitano i nuclei bersaglio. I nuclei bersaglio eccitati, allora, emettono raggi gamma nel ritornare al loro stato fondamentale. La cosiddetta “cattura neutronica” (neutron capture) è invece il processo in cui i neutroni vengono catturati dai nuclei bersaglio del materiale assorbitore, che poi si diseccitano emettendo un’altra particella o un raggio gamma.

Il polietilene borato, usato per la schermatura dei neutroni. Un risultato simile o migliore si può ottenere aggiungendo del boro (sotto opportuna forma) all’acqua.

Passando attraverso un composto ricco di idrogeno, i neutroni cedono in media metà della loro energia ad ogni collisione; nell’urto con nuclei pesanti, invece, collidono elasticamente, cioè rimbalzano cambiando direzione ma non velocità e quindi non perdono energia. In un composto ricco di idrogeno (paraffina, acqua, sostanze organiche) un fascio di neutroni veloci viene quindi rapidamente frenato, e l’energia dei singoli neutroni diviene quella propria dell’agitazione termica dell’idrogeno.

I neutroni sono schermati in modo più efficace da materiali contenenti assorbitori a basso numero atomico. In questo modo, i neutroni vengono rallentati alle normali energie termiche (o, come si dice in gergo, vengono “termalizzati”) dallo scattering elastico e in seguito vengono catturati dai nuclei del materiale di schermatura. I materiali comunemente usati per schermare i neutroni sono cemento, acqua e polietilene. Occorre però poi proteggersi dai raggi gamma prodotti nella cattura neutronica.

Il boro è un eccellente assorbitore di neutroni per cattura neutronica, una volta che questi sono stati rallentati dai materiali idrogenati. In figura, la sua sezione d’urto di assorbimento dei neutroni in funzione dell’energia di questi ultimi.