Sensori per IOT e Sviluppo Sostenibile
Referente: Coppedè Nicola
Sicurezza - Detector di raggi X e gamma

Al giorno d'oggi le tecniche per rilevare agenti radiologici e nucleari (RN) sono fortemente richieste nel campo della sicurezza nazionale (sicurezza delle frontiere e dei porti) e ambientale, per la rapida scansione di aree sensibili (ristoranti, aeroporti, stazioni della metropolitana, centri commerciali, ecc..) in quanto possibili bersagli per minacce terroristiche come “bombe sporche” o sorgenti radioattive silenti. Pertanto, lo sviluppo di rilevatori di radiazioni ionizzanti in grado di rivelare, misurare, identificare e analizzare le sorgenti radioattive è un'esigenza primaria.

xray detector security

IMEM ha un'esperienza decennale nel campo dei rivelatori di radiazione ionizzante, in particolare nei sistemi basati su CdZnTe (CZT). Rispetto ad altri materiali sensibili alle radiazioni, il CZT consente di conteggiare singolarmente i fotoni (rilevazione spettroscopica) e permette il funzionamento dei rivelatori a temperatura ambiente. Inoltre, grazie al suo elevato potere frenante, è in grado di essere sensibile alle radiazioni ad alta energia fino a pochi MeV (cioè nella regione dei raggi gamma e della radiazione cosmica). Per questi motivi, il CZT è il miglior candidato per la realizzazione di rivelatori leggeri, robusti e sensibili ai raggi gamma. I dispositivi di radiazione basati su CZT possono essere installati, per usi civili e militari, direttamente sui veicoli aerei senza equipaggio (UAV) o su satelliti per le indagini sullo spazio profondo.
Inoltre, la possibilità di effettuare il rilevamento spettroscopico dei fotoni rende questo materiale affidabile per test non distruttivi come scanner in linea o sistemi per imaging. 

 


Monitoraggio della radiazione nell'ambiente

Il monitoraggio ambientale si divide principalmente in due branche:

  • controllo delle radiazioni di fondo (monitoraggio della radiazione cosmica e degli isotopi radioattivi naturali presenti nel suolo)
  • sorveglianza in tempo reale dell'assenza di elementi radioattivi pericolosi e indesiderati nell'atmosfera, potenzialmente originati da perdite nelle strutture nucleari anche molto distanti e monitoraggio diretto delle aree circostanti ad impianti nucleari.

I sistemi di monitoraggio ambientale standard si basano generalmente sui contatori Geiger Mueller. Queste apparecchiature sono in grado di misurare il numero di fotoni che interagiscono con essi ma non consentono di raccogliere informazioni sulla natura della contaminazione e sulla posizione della sorgente di raggi gamma.
I sistemi di rilevamento di raggi x e gamma di nuova generazione, dovrebbero invece soddisfare i seguenti requisiti:

  • spettroscopico a temperatura ambiente
  • leggero e compatto
  • robusto
  • basso consumo energetico

Infatti, una stazione di monitoraggio non può essere dotata di un sistema a raffreddamento criogenico: il rivelatore deve funzionare a temperatura ambiente e deve essere in grado di misurare l'energia dei fotoni in arrivo. Inoltre, le stazioni remote sono comunemente alimentate mediante energia solare, quindi il consumo di energia dell'intero sistema deve essere il più possibile limitato.

Il materiale che possiede tutte queste caratteristiche è il CZT. IMEM, grazie ad un progetto finanziato da Fondazione Cariparma, ha in passato realizzato una stazione ambientale basata su un rivelatore in CZT. Un'elettronica di lettura analogica a bassa potenza è stata realizzata in collaborazione con il dipartimento di fisica dell'UNIPR e collegata a un grande rivelatore complanare in CZT. La geometria complanare si basa su un contatto catodico full-area e su due griglie interdigitate di strisce: una è l'elettrodo di raccolta e l'altra è l'elettrodo di drift (i portatori vengono deviati per mezzo di una piccola differenza di polarizzazione). Questa geometria consente di aumentare la risoluzione energetica riproducendo il cosiddetto "effetto small-pixel".

centralina di monitoraggio radiazione ambientale
Centralina di monitoraggio radiazione ambientale e schema del detector a base di CZT

 


Controlli ambientali mirati e in emergenza

Nel caso di un incidente nucleare o di un attacco terroristico che coinvolga materiale nucleare, l'esame della zona contaminata da parte di operatori potrebbe non essere possibile a causa della possibile presenza di materiale pericoloso. Inoltre, la presenza di sostanze radiogene è stata talvolta segnalata nell’ambito dello smaltimento illegale di rifiuti, in aree industriali dismesse o in impianti di stoccaggio di legno o ferro.

In tutti questi casi, l'uso di un veicolo controllato a distanza per il rilevamento e l'identificazione di materiale nucleare o radiologico sarebbe altamente raccomandato al fine di preservare la sicurezza degli operatori umani, nonché per ridurre il rischio di contaminazione della scena.

IMEM, in collaborazione con RimLab (gruppo di ingegneria dell'Università di Parma), ha sviluppato un nuovo strumento basato sull'interconnessione tra un drone aereo (UAV) e un rivelatore gamma in CZT. Il prototipo è dotato di quattro rilevatori a strisce focalizzanti 5x5x20mm3 e può essere controllato a distanza grazie a un sistema di feedback attivo in grado di guidare l'operatore verso la sorgente di radiazioni (per maggiori informazioni cliccare qui). La più recente versione del rivelatore si basa su un rilevatore quasi-emisferico in CZT (mostrato nella figura seguente) che consente di ridurre l’elettronica di lettura ad un singolo canale senza inficiare la risoluzione energetica. Il campo elettrico focalizzante del rilevatore quasi-emisferico garantisce alta sensibilità e ottime prestazioni spettroscopiche.

xdrone imem detector
Schema del detector emisferico utilizzato nella mini-centralina a bordo del drone
Prototipo IMEM X-drone versione 2
Prototipo X-drone versione 2

Alcuni video dimostrativi del drone in azione possono essere visualizzati nella pagina dedicata al progetto X-drone.

Le prestazioni tipiche di un rivelatore CZT in condizioni operative di rilevatore quasi-emisferico sono mostrate nelle figure successive. Le misure sono state eseguite in collaborazione con la società Due2Lab srl.

xdrone spettro 1
Spettro tipico di 57Co ottenuto con il rivelatore quasi-emisferico
xdrone spettro 2
Spettro tipico di 137Cs ottenuto con il rivelatore quasi-emisferico

Come detto in precedentza, il CZT combinnato con sistemi elettronici allo stato dell'arte possono permette di realizzare dispositivi molto leggeri e compatti. L'attuale tecnologia permette di produrre sistemi di rivelazione di poche decine di grammi e più piccoli di uno smartphone, col quale tra l'altro possono essere facilmente collegati, ed in grado di rivelare anche deboli sorgenti radioattive.

IMEM radioactive source detection

I corpi di primo soccorso (vigili del fuoco, servizio di salvataggio, polizia, ecc.) possono utilizzate questa strumentazione in caso di attacco terroristico radiologico o incidente nucleare.
La localizzazione della fonte nucleare di solito non è sufficiente: l'identificazione dell’isotopo radioattivo è fondamentale per garantire la sicurezza dei lavoratori e pianificare azioni specifiche di protezione dell’area pericolosa, in funzione del radio-isotopo rivelato.

IMEM lavora non solo nell'ambito della realizzazione dei detector ma anche nell'ambito del software di rivelazione.