Environmental microdosimetry in very low dose rate radiation field

Natural Background Radiation (NBR) has always been present throughout the whole evolution of life on Earth. Its role and effect on biological systems is still unknown and, differently from the effects of high doses of ionizing radiation, the impacts of low-doses is still debated. The DISCOVER22 project funded by 5th commission of the Italian National Institute for Nuclear Physics (INFN) aims to study the impact of the NBR exploiting the possibility of studying the development of biological systems kept below-background radiation (BBR) condition available at the underground facility of the Gran Sasso National Laboratories (LNGS) when compared to other systems grown with NBR condition. To better understand the biological effect in the two systems, all the parameters of both the NBR and BBR conditions must be controlled. With the aim of monitoring the radiation quality of the NBR at the sub-cellular level, the microdosimetry group of the Legnaro National Laboratories (LNL) of Italian National Institute of Nuclear Physics (INFN) will set up a microdosimetry measurement station at LNGS. Starting from a thorough literature review, the composition of the environmental radiation field at sea level is assessed to know what to expect from the microdosimetric spectrum. Two main components are present in the NBR: the Earth Natural Radiation and the Cosmic Rays at sea level. In this thesis, a Tissue Equivalent Proportional Counter (TEPC) previously designed and constructed at LNL is employed. Its response is characterized to set the operative parameters using a reference 137-Cs gamma source. Measurements were then performed in different neutron fields to observe its response function to more complex radiation fields that are characterizes by different components as it is for the NBR. The obtained spectra are also successfully compared to those of a commercial detector. Lastly, a measurement of the NBR at LNL was performed throughout one week. The reliability of this measurement is investigated through a comparison with microdosimetric spectra found in literature. This measurement highlighted the need of a bigger detector for the BBR condition and this will pave the way to the realization of a new TEPC to be installed as area monitor at LNGS.

La radiazione di fondo naturale è sempre stata presente durante l'evoluzione della vita sulla Terra. Il suo ruolo ed effetto sui sistemi biologici sono ancora sconosciuti e, a differenza degli effetti delle alte dosi di radiazioni ionizzanti, gli impatti delle basse dosi sono ancora oggetto di dibattito. Il progetto DISCOVER22, finanziato dalla commissione 5 dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), studia l'impatto della radiazione di fondo osservando lo sviluppo di sistemi biologici mantenuti in condizioni di radiazione ambientale ridotta presso l'installazione sotterranea dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), confrontati con altri sistemi cresciuti in condizioni di fondo normale. Per comprendere meglio l'effetto biologico nei due sistemi, tutti i parametri fisici dei campi di radiazioni devono essere misurati. Al fine di monitorare la qualità della radiazione di fondo naturale a livello sub-cellulare, il gruppo di microdosimetria dei Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) dell'INFN installerà una stazione di monitoraggio microdosimetrico presso LNGS. Partendo da una approfondita revisione della letteratura, viene valutata la composizione del campo di radiazione ambientali al livello del mare per sapere cosa aspettarsi dallo spettro microdosimetrico. Due componenti principali sono presenti nella radiazione ambientale: la Radiazione Naturale Terrestre e i Raggi Cosmici. In questa tesi, viene impiegato un Contatore Proporzionale Tessuto-Equivalente (TEPC) precedentemente progettato e costruito presso LNL. La sua risposta viene caratterizzata per impostare i parametri operativi utilizzando una sorgente gamma di 137-Cs di riferimento. Successivamente, si sono effettuate misure in diversi campi di neutroni per osservare la sua funzione di risposta a campi di radiazione più complessi caratterizzati da diverse componenti, come avviene per il fondo naturale. Gli spettri ottenuti sono confrontati con successo con quelli di un rivelatore commerciale. Infine, si è effettuata una misurazione della radiazione di fondo presso LNL per un'intera settimana. L'affidabilità di questo spettro viene investigata attraverso un confronto con spettri microdosimetrici presenti in letteratura. Questa misura, che evidenzia la necessità di un rivelatore più grande per studiare la condizione a fondo ambientale ridotto, aprirà la strada alla realizzazione di un nuovo TEPC da installare come monitor ambientale di radiazione presso LNGS.