☢️Caccia alla radioattività☢️ un progetto scolastico per BergamoScienza

Questo progetto documenta come un kit Geiger economico sia stato integrato con una scheda ESP32 per ottenere misure in µSv/h utili a confrontare ambienti diversi in modo oggettivo.

L’attività rientra nelle iniziative di esperimenti scientifici nelle scuole di BergamoScienza e si è svolta con il supporto del FabLab Bergamo per l’aspetto elettronico, la stampa 3D, il recupero di materiali comuni ma radioattivi.

Contesto e obiettivo

Il punto di partenza dell’esperimento è un kit Geiger assemblato due anni fa e rimasto inutilizzato in un cassetto. Perché inutilizzato ? Senza una lettura numerica stabile, diventa difficile fare confronti con i pochi tick casualmente prodotti dalla radioattività ambientale (1 ogni 2-3 secondi). L’obiettivo è stato aggiungere un contatore digitale di impulsi con un display, definire intervalli di misura per ottenere dati numerici in aula e sul campo.

Il kit e i primi test

È stato usato un CAJOE “RadiationD v1.1”, un kit con i componenti da saldare e circuito stampato, acquistabile su AliExpress a meno di 30 EUR, dotato di LED e buzzer integrati.

Viene però fornito con poca protezione dalla tensione (circa 450V) presente sul tubo Geiger, con un semplice coperchio di plexiglas trasparente. L’assenza di scatola rende difficile spostare l’oggetto fuori di casa.

Il funzionamento del Geiger‑Müller è il seguente: ogni particella ionizzante genera un impulso breve perché l’ione e l’elettrone prodotti dall’urto sono accelerati all’interno del tubo, urtando altri atomi, e provocando un’effetto valanga che rende il tubo momentaneamente conduttivo:

Una volta assemblato il kit, ha funzionato subito, emettendo il tipico suono “tick” ogni 2-3 secondi. E’ importante notare che il tick è casuale, possono passare secondi senza rilevamento, e piccole raffiche di impulsi. Le radiazioni sono emesse a caso, e bisogna fare un lungo conteggio per poter avere una media stabile, non influenzata dalla casualità.

Scatola per il circuito

Per poterlo trasportare in esterno, abbiamo stampato in FabLab su un BambuLab X1 Carbon questo modello riperibile su Printables.

Il modello ha una finestra laterale aperta sul tubo del contatore per limitare la schermatura delle radiazioni da parte della plastica PLA, ed è compatibile con il coperchio di plexiglas fornito con l’apparecchiatura.

Dai tic-tic-tic ai numeri: ESP32 + MicroPython

Ecco una foto del kit completo con l’aggiunta di un microcontrollore e battery pack:

Per ottenere una misura in dose è stata adottata una LilyGO T‑Display (ESP32) (9EUR) con firmware MicroPython e visualizzazione tramite il Plotter di Thonny, mantenendo il kit CAJOE come sorgente impulsi.

Ci sono state delle difficoltà iniziali nel programmare il sistema per far rilevare al computer le misurazione del contatore Geiger.

Infatti, fare un semplice loop (sotto) non funziona:

while True:

    if pin_impulso.value() == 0 and prev_value == 1:

        contatore += 1

        prev_value = 0

    ' Aggiornamento display

Perché ? Il ciclo while non legge abbastanza spesso lo stato del pin per rilevare l’impulso. Tramite un oscilloscopio, abbiamo osservato le caratteristiche dell’impulso generato dal contatore Geiger ed ecco una traccia:

Traccia con oscilloscopio disponibile in FabLab

Come si può osservare il passaggio da 3.2V a 0V dura circa 330 µs. Per poter contare tutti gli impulsi il programma MicroPython dovrebbe leggere il valore almeno 3000 volte al secondo! E’ fattibile contare così, ma diventa impossibile quando si deve anche aggiornare il display o fare altre operazioni.

Esiste per fortuna un metodo far reagire subito il microcontrollore: l’interrupt.

def impulso(pin):

    global contatore_imp

    global cont_imp_min

    contatore_imp += 1

    cont_imp_min += 1

imp = Pin(26, mode=Pin.IN, pull=None)

imp.irq(trigger=Pin.IRQ_FALLING, handler = impulso)

Con questa tecnica, ogni volta che si verifica un condizione (qui un fronte di discesa sul Pin26), il processore interrompe l’esecuzione del programm per eseguire immediatamente la funzione scelta (in questo caso impulso). In questo modo non si perdono impulsi e si riesce a fare una misurazione accurata. Bisogna però stare attenti che l’ISR (funzione chiamata ad ogni interrupt) sia molto breve.

Abbiamo utilizzato la stessa tecnica con dei Timer, per prendere i conteggi esattamente ogni 5 e 60 secondi.

def on5sec(timer):

    global radiazione, contatore_imp, cpm

    cpm = contatore_imp * 12

    contatore_imp = 0

    radiazione = cpm * 0.00332;

def on1min(timer):

    global radiazione_min, cont_imp_min

    radiazione_min = cont_imp_min * 0.00332

    cont_imp_min = 0

timer.init(mode=Timer.PERIODIC, period = 5000, callback = on5sec)

timer_min.init(mode=Timer.PERIODIC, period = 60000, callback = on1min)

Sono stati impostati due intervalli di integrazione: 5000 millisecondi per un riscontro rapido e 60000 millisecondi. La media ad un minuto è importante per avere misure stabili sopratutto quando il livello di radioattività è basso, per via della casualità già descritta prima.

Per il tubo economico di classe J305 è stato usato il fattore di conversione di riferimento µSv/h = Contaggi per Minuto x 0,00332, coerente con le note tecniche trovate online e impiegato nello script durante le misure. Per chi desidera approfondire l’impostazione pratica di un Geiger con ESP32 sono utili i materiali divulgativi di Andreas Spiess su Youtube:

Segnaliamo un’implementazione per Arduino a questo indirizzo: SensorsIot/Geiger-Counter-RadiationD-v1.1-CAJOE-: Do-it-Yourself Geiger Counter YouTube video.

Una volta completato il programma, disponiamo di una misura numerica che consente i confronti. Ma un problema rimane: come essere sicuri che funzioni veramente il contatore Geiger ? Servirebbe una fonte radioattiva!

Uscita a Novazza: misure sul campo

Per nostra fortuna, in provincia di Bergamo esistono giacimenti naturalmente radioattivi perché contengono concentrazioni di Uranio. L’uranio è un elemento naturalmente presente in tutta la crosta terrestre, ma raramente concentrato. L’area della miniera di Novazza in Valgoglio è un posto noto alla comunità mineralogica.

La giornata di Ottobre, un po’ coperta, è stata di aiuto, perché non faceva troppo freddo, e la luce UV del sole non influenzava le letture del tubo Geiger. Con giornate di sole intenso è possibile che il sole induca letture false (>10 uSv/h), ed è allora necessario tenere il contatore al buio.

Ci siamo avventurati alla ricerca dell’uranio nei pressi della miniera (ormai chiusa) di Novazza.

La foto di fianco mostra l’ingresso principale della miniera in una foto d’epoca, ma l’intera zona è chiusa al pubblico.

Esistono però sentieri pubblici nei pressi della miniera che sono molto interessanti.

Appena scesi dalla macchina, il valore del contatore Geiger saliva a 0,2/0,3 µs/h. Non sono valori alti, ma sono comunque decisamente maggiori rispetto ai valori registrati in Bergamo città (0,08 µs/h).

Grazie al consiglio di un passante, abbiamo iniziato a cercare nella zona in cui sono state scaricate le pietre provenienti dalla miniera. Lì abbiamo rilevato un fondo ambientale più alto rispetto all’urbanizzato (fino a 3 µS/h).

Non è immediato identificare buoni candidati per non-esperti: le prime pietre che sembravano interessanti, portate fuori dalla zona più radioattiva, si sono rivelate prive di emissioni particolari.

Dopo un paio d’ore di esplorazione su sentieri e pietraie, abbiamo individuato improvvisamente una roccia che provocava un forte ticchettio : avvicinando il contatore alla sua superficie abbiamo stabilito il record finora : circa 7 µS/h. Avevamo trovato l’uranio !

Non tutte le parti della pietra sono ugualmente emissivi. Abbiamo isolato con un martello le parti più radioattive, poi imbustate in bustine di plastica. Essendo piuttosto novizi in materia di radioprotezione, abbiamo preso alcune precauzioni per evitare polveri e per il trasporto : abbiamo messo i campioni imbustati in un contenitore poi riempito con l’acqua delle boracce. Si sottolinea che il rischio dipende da dose e tempo di esposizione.

Per fare un paragone si può utilizzare il “Radiation Dose Chart” di XKCD per contestualizzare ordini di grandezza senza allarmismi. Tornati a casa con i campioni, abbiamo misurato con più cura la radioattività emessa ad 1 m di distanza e etichettato le buste, chiuse ermeticamente. Questo si è rivelato utile in contesto di presentazione scolastica.

E’ importante verificare i livelli dei campioni raccolti, seguendo le indicazioni per la sicurezza in base al loro livello di radioattività: la guida “Here be Dragons Or The Care and Feeding of Radioactive Mineral Species” è un utile riferimento per i non-esperti.

I minerali che abbiamo raccolti sono in classe I : bisogna lavarsi le mani dopo averli toccati, tenerli lontani da cibi e bevande, se tenuti al chiuso il locale deve essere ventilato ogni tanto ma non è necessaria schermatura per quantità < 50kg. Per evitare l’uso di guanti, si adottano bustine chiudibili e si lasciano i campioni dentro.

Identificazione del minerale

Siamo confidenti che sia uranio, perché il minerale raccolto risponde alle descrizioni di uraninite di Novazza e per le radiazioni che possono raggiungere 20 µS/h alla superficie.

La prova decisiva si è ottenuta grazie ad una piccola lampadina UV per leggere l’inchiostro invisibile : un paio di campioni, esposti a questa luce, presentano piccoli cristalli fluorescenti verdi.

(la foto di fianco è illustrativa, il minerale raccolto presenta pocchissimi cristalli verdi).

Osservati al microscopio, sotto luce bianca, sono invece di colore giallo-verde: pensiamo che sia una specie secondaria dell’uranio : l’autunite.

Esperimenti in classe

Diamo di seguito una traccia per l’esperimento in classe, che verrà presentato al pubblico durante BergamoScienza 2025 presso l’istituto Camozzi.

Funzionamento del contatore

Accendere il rilevatore e fare sentire i suoni ai partecipanti: cosa sono ? Spiegare così il concetto di radioattività ambientale, e notare la misura ottenuta.

Spiegare l’unità di misura (dose assorbita) e come interpretarla con gli esempi seguenti:

• mangiare una banana (0.1 µS)
• passare 5 ore in aereo (circa 10 µS)
• dose assorbita quotidianamente (circa 10 µS)

Il funzionamento del tubo contatore può essere illustrato, così come la connessione al microcontrollore con il suo display.

Per fare vedere a tutto il pubblico le misure raccolte, è utile aprire Thonny e usare la sua funzione di Plotter integrata, ad esempio su una LIM.

La traccia blu è la misura aggiornata ogni 5s, mentre la traccia arancione è la media dell’ultimo minuto.

Provare schermature semplifici

Per illustrare le radiazioni, dopo avere spiegato il funzionamento del contatore Geiger, si chiede al pubblico di fermare le radiazioni con vari materiali a disposizione come ad esempio: bicchiere di plastica, alluminio, foglio di carta, scalpello di ferro.

Le prove in classe mostrano differenze nette tra materiali: plastica, alluminio, fogli sottili non riducono affatto le radiazioni, mentre metalli più pesanti, o l’acqua, producono cali più evidenti della lettura.

La conclusione che possiamo trarre è che le radiazioni rilevate dal contatore (raggi beta e gamma) possono essere fermate solo con materiali densi.

Misure e legge di andamento

Inoltre, appoggiando un metro laser sul rilevatore, è possibile misurare la distanza precisa fra la fonte radioattiva e il tubo Geiger. Aspettando due minuti ad ogni distanza di prova (per assicurare di leggere la media corretta), è possibile fare un grafico che rappresenta l’andamento della radioattività con la distanza.

Grafico radioattività in funzione della distanza della sorgente : si nota un andamento inversamente proporzionale.

Facendo invece il grafico di radiazione in funzione a 1/distanza^2, abbiamo una retta e un andamento direttamente proporzionale.

Il grafico allegato è il riferimento più utile da presentare in classe, perché collega direttamente procedura di misura e risultato fisico atteso con un dataset raccolto dagli studenti.

La conclusione dell’esperimento è che il modo più semplice per proteggersi di una sorgente concentrata di radiazione è semplicemente di allontanarsi: ogni volta che raddoppiamo la distanza, la quantità di radiazione ricevuta diminuisce quattro volte.

Per chi vuole replicare il progetto

La combinazione kit CAJOE + T‑Display + MicroPython consente di ottenere misure stabili con un budget contenuto e una curva di apprendimento compatibile con progetti scolastici di breve durata.

Il FabLab Bergamo pubblica questo articolo di riepilogo, l’elenco materiali, progetto GitHub con tutti i sorgenti e dettagli di connessione, in continuità con le attività divulgative aperte alla comunità locale e alle scuole.

Interessato ? Vieni a trovarci !

L’esperimento verrà aperto al pubblico presso l’IC Camozzi (prenotazioni sul sito di Bergamo Scienza : evento OLTRE LA SCIENZA). In ogni caso, se sei interessato, puoi venirci a trovare nel FabLab negli orari di apertura o sul nostro gruppo Telegram.

Articolo scritto da Alex.