Introduction and characterization of an electrostatic collection radon monitor

This thesis work describes the complete radon and thoron characterization of a commercial electrostatic collection radon monitor, the only active radon monitor technology that can perform an accurate energy spectroscopy of the alpha emitting progenies of radon and thoron. The electrostatic collection radon monitor technology is fully described and compared to other common active radon detectors. The working principles, the alpha spectra obtained from radon and thoron measurements, and the activity concentration calculation procedure are fully explained. The ROIs for each alpha emitting daughter peak of the energy spectrum have been obtained, together with their energy resolutions. Two cross talk and one overlapping coefficient have been estimated to correct the raw counts detected in the 218Po and 216Po ROIs from other peak spillovers and overlap. These three counts corrections are critical to perform accurate activity estimations when measuring mixed radon and thoron atmospheres. The background signal of the monitor has been proved to be negligible. Two sensitivity factors have been estimated when measuring radon at low humidity: the 218Po signal only and the 218Po + 214Po Cpm sensitivity. The second sensitivity is more accurate but increases the response time of the detector at three hours, respect to the ten minutes of the first. When measuring radon at low humidity values after equipping a functional desiccant into the inlet sampling circuit of the detector, an instrument accuracy of 5 [%] has been proved. Since the sensitivity of an electrostatic collection radon monitor is critically influenced by the absolute humidity of the sample air, an algorithm has been developed to estimate the average mass of water present inside the collection chamber in each measurement. Based on these values, two linear humidity correction functions have been proposed, one for each radon sensitivity factor. When measuring radon without a desiccant, these two humidity corrections guarantee a verified accuracy of 15 [%]. An equilibrium defect correction model has been developed to correct rapid radon activity estimations where 218Po hasn’t reached the secular equilibrium. The correction accounts also for a delay of the 218Po counts grow curve caused by the filling time of the internal collection chamber. With this correction applied, a soil radon measuring routine has been developed and experimentally tested with a high activity radon source. Finally, the 216Po sensitivity factor has been estimated at low humidity values for the calculation of thoron concentrations. The 216Po sensitivity of the instrument is around one third of the 218Po sensitivity. Three loss sensitivity terms have been identified and verified to explain the previous experimental fact. When measuring thoron at low humidity, an accuracy of 10 [%] has been proven. The 218Po Cpm humidity correction seems to be also applicable to environmental humidity measurements of thoron.

Questo lavoro di tesi descrive la completa caratterizzazione radon e toron di un monitore commerciale radon a raccolta elettrostatica, l’unica tecnologia di monitori radon attivi e accurati, capace di effettuare spettroscopia energetica dei figli alfa di radon e toron. La tecnologia dei monitori radon a raccolta elettrostatica è descritta a pieno e comparata con gli altri comuni rilevatori di radon attivi. I principi di funzionamento, lo spettro alfa ottenibile da misure radon e toron, e i metodi di calcolo delle concentrazioni d’attività sono completamente illustrati. Le ROIs di ogni picco alfa nello spettro energetico sono state ottenute, insieme alle loro risoluzioni energetiche. Due coefficienti di “cross talk” e uno di sovrapposizione sono stati stimati per correggere i conteggi grezzi rilevati nelle ROIs del 218Po e del 216Po. Queste tre correzioni dei conteggi sono critiche per effettuare stime accurate di concentrazione d’attività quando si misurano atmosfere miste di radon e toron. Anche il segnale di fondo del monitore è stato stimato con una misura di bianco ed è risultato trascurabile. Due fattori di sensibilità sono stati stimati misurando radon a bassa umidità: la sensibilità al segnale del solo 218Po e quella ai Cpm dei 218Po + 214Po. La seconda sensibilità è più accurata ma aumenta il tempo di risposta del rilevatore a tre ore, rispetto ai dieci minuti della prima. Quando si misura radon a bassa umidità dopo aver inserito un essiccante funzionante nel circuito di campionamento d’ingresso del rivelatore, un’accuratezza del 5 [%] è stata dimostrata. Poiché la sensibilità di un monitore radon a raccolta elettrostatica è criticamente influenzata dall’umidità assoluta dell’aria campionata, è stato sviluppato un algoritmo che stima la massa media di acqua presente all’interno della camera di raccolta in ogni misura. Basate su questi valori, due funzioni lineari di correzione d’umidità sono state stimate, una per ogni fattore di sensibilità. Misurando radon senza essiccatore, le due correzioni garantiscono un’accuratezza verificata del 15 [%]. Un modello sul difetto d’equilibrio è stato sviluppato per correggere rapide stime di concentrazione d’attività di radon in cui il 218Po non ha raggiunto l’equilibrio secolare. La correzione considera anche un ritardo nella curva di crescita del 218Po dovuta al tempo di riempimento della camera di raccolta interna. Con l’applicazione di questa correzione, una routine di misura del radon nel terreno è stata sviluppata e sperimentalmente testata con una sorgente radon ad alta attività. Infine, un fattore di sensibilità al 216Po è stato stimato alle basse umidità per il calcolo delle concentrazioni toron. La sensibilità al 216Po dello strumento è all’incirca un terzo della sensibilità al 218Po. Tre fattori di perdita di sensibilità sono stati identificati e verificati per spiegare il precedente fatto sperimentale. Quando si misura toron a bassa umidità, un’accuratezza del 10 [%] è stata provata. La correzione d’umidità del 218Po sembra essere applicabile anche a misure toron ad umidità ambientali.