Development of a new lung dosimeter for radon progeny

Radon gas is the most important source of ionizing radiation among those of natural origin. Radon is chemically and electrically inert, therefore, after inhaling, it is immediately exhaled. Radon is weakly harmful in itself. However the radon daughter products attach to ambient aerosol particles, which may be inhaled and stick to the lung surface. The polonium isotopes are alpha emitters and can damage cells thus leading to lung cancer. The major health concern comes from the deposition of radon progeny on the epithelial cells of the bronchial airways. A novel on-line radon dose monitor (RaDoM) has been developed. It directly measures the effective dose delivered to the lung. The lung dosimeter is made from a Timepix sensor, a system of filters and a pump. The pump draws the air and radon decay products through the system of filters. The silicon sensor counts the alpha particles coming from the radon daughters which are attached to the filter. In order to directly measure the effective dose to the lung, the system of filters has the same absorption characteristics as the lung. RaDoM has a good response to changes in environmental conditions and a high accuracy both in long and short term measurements. It is not affected by the natural background radiation thanks to the Timepix pattern recognition capability and the excellent cluster analysis algorithm developed in this present thesis. Furthermore RaDoM solves the $^{210}$Po contamination problem, which is a major issue with most active radon monitors. $^{210}$Po is a long-lived radon decay product with a half-life of 22 years. In RaDoM the decay products attach to the filter, which can be easily replaced, rather than to the detector surface, as happens in existing radon monitors. Three different software solutions, RADON MONITOR, PyPix and WALKABOUT were also developed. They make RaDoM a user-friendly and affordable detector even for non-experts

Il Radon e' un gas nobile, incolore, inodore e insapore, come gli altri elementi del XVIII gruppo della tavola periodica (nuova IUPAC). Tutti gli isotopi del radon sono radioattivi. Gli isotopi naturali sono il 219Rn (actinion), il 220Rn (thoron) e il $ ^ 222Rn (Radon), rispettivamente parte della serie dell'attinio, del torio e dell'uranio. Essendo un gas nobile, il radon e' chimicamente ed elettricamente inerte, quindi, dopo essere stato inalato, viene immediatamente esalato. Per questo motivo e' debolmente pericoloso. Tuttavia i suoi prodotti di decadimento possono depositarsi sul tessuto polmonare e, soprattutto gli isotopi del polonio, che sono emettitori alfa, possono danneggiare le cellule epiteliali. La principale fonte di questo gas risulta essere il terreno, dal quale fuoriesce e si disperde nell'ambiente, accumulandosi in locali chiusi, come nelle miniere sotterranee o all'interno delle abitazioni. E' la piu' importante fonte di radiazioni ionizzanti tra quelle di origine naturale ed e' la seconda causa di cancro ai polmoni dopo il fumo di sigaretta. Le misure di radon sono quindi essenziali per valutare la sua concentrazione all'interno delle abitazioni o dei luoghi lavorativi. Uno degli obiettivi di questa tesi e' lo sviluppo di un dosimetro polmonare per il radon (RaDoM). A differenza dei rivelatori di radon fino ad ora commercializzati, i quali misurano la concentrazione di radon, il RaDoM misura direttamente la dose efficace al polmone. Il dosimetro e' costituito da un Timepix detector, da un sistema di filtri e da una pompa. La pompa aspira l'aria, contenente il radon e i suoi prodotti di decadimento, attraverso un sistema di filtri e il Timepix conta le particelle alfa provenienti dai prodotti di decadimento del radon che si sono depositati sul sitema di filtri. Per misurare direttamente la dose efficace al polmone, il sistema di filtri ha le stesse caratteristiche di assorbimento del polmone. Il RaDoM ha mostrato di avere una buona risposta alle variazioni delle condizioni ambientali e un'elevata precisione sia per brevi misure che per misure a lungo termine. Inoltre, grazie all'algoritmo di analisi sviluppato in questa tesi, esso e' poco sensibile al background ambientale. Risolve infine il problema della contaminazione dovuto al 210Po che affligge la maggior parte dei rilevatori di radon attivi attualmente commercializati. Il 210Po e' un prodotto di decadimento del radon a vita media lunga con un tempo di dimezzamento di 22 anni. Secondo obiettivo di questa tesi e' lo sviluppo di tre diversi software, RADON MONITOR, PyPix e WALKABOUT, per l'analisi online, offline e per lo streaming dei dati rispettivamente. Questi software fanno del RaDoM uno strumento facile da utilizzare anche per i non esperti. In questa tesi sono state analizzate anche le problematiche che affliggono due rivelatori di radon, RADONPIX e RADONLITE, sviluppati recentemente al CERN e basati anche essi sul Timepix. I tre software sviluppati sono stati pensati e programmati in modo da funzionare sia con il RaDoM, sia con il RADONPIX ed il RADONLITE.