Wyznaczanie promieniowania radonu

Transkrypt

1 Wyznaczanie promieniowania radonu Urszula Kaźmierczak 1. Cele ćwiczenia Zapoznanie się z prawem rozpadu promieniotwórczego, Pomiar aktywności radonu i produktów jego rozpadu w powietrzu.. Źródła promieniowania w środowisku człowieka Źródła promieniowania jonizującego występujące w otaczającym nas środowisku i ich wkład do średniej rocznej dawki efektywnej przedstawia rysunek 1. Rysunek 1. Udział różnych źródeł promieniowania w średniej rocznej dawce efektywnej otrzymanej przez mieszkańca Polski w 005 roku [1]..1. Dlaczego największy wkład do średniej rocznej dawki efektywnej promieniowania ma radon? W skorupie ziemskiej znajduje się m.in. promieniotwórczy 38 U wytworzony w procesie nukleosyntezy wiele miliardów lat temu. Przetrwał on do dnia dzisiejszego dzięki długiemu czasowi połowicznego rozpadu, który wynosi T 1 = 4, lat, co jest porównywalne z wiekiem Układu Słonecznego. W szeregu promieniotwórczym 38 U (rysunek ) powstaje radon - bezwonny i bezbarwny gaz szlachetny, którego wszystkie izotopy są promieniotwórcze. Radon dyfunduje przez glebę i miesza się z powietrzem. Do pomieszczeń przenika poprzez nieszczelności w fundamentach. Stąd szczególnie duże stężenie radonu możemy spotkać w piwnicach. Drugim jego źródłem w pomieszczeniach mogą być materiały budowlane (jeśli zawierają rad, uran lub tor), z których dyfunduje radon. Takim materiałem jest np. granit lub bloki produkowane w oparciu o żużle i popioły powstałe ze spalania węgla kamiennego. Stężenie radonu w pomieszczeniach zależy, więc od rodzaju gruntu, na którym 1

2 Rysunek. Szereg promieniotwórczy uranowo-radowy. stoi budynek, jego konstrukcji i szczelności, użytych materiałów budowlanych oraz od intensywności, z jaką pomieszczenia są wentylowane. Produkty rozpadów Rn przylepiają się do unoszących się w powietrzu aerozoli, co sprawia, że razem z powietrzem wdychamy je do płuc. Reakcje zachodzące w płucach, przy udziale tych pierwiastków promieniotwórczych, mogą doprowadzić do uszkodzeń komórek płuc, co w przyszłości może skutkować zwiększonym ryzykiem choroby nowotworowej. 3. Badanie zasięgu cząstek α w powietrzu Zasięgiem cząstek w powietrzu będziemy nazywać taką grubość powietrza pomiędzy źródłem cząstek a detektorem, dla której detektor cząstek przestanie je rejestrować. Do zbadania zasięgu cząstek α w powietrzu wykorzystamy: detektor scyntylacyjny z licznikiem cząstek, źródło cząstek α (żarnik lampy gazowej), przymiar zwijany, prostokątne bloczki wykonane z aluminium, stoper. Badania rozpoczniemy od pomiaru tła promieniowania (tzw. promieniowanie naturalne). W tym celu należy (bez umieszczania źródła cząstek w pobliżu detektora) jednocześnie uruchomić licznik cząstek oraz stoper. Pomiar powinien trwać np. 1 minutę. Oznacza to, iż dokładnie w pierwszej minucie trwania pomiaru, licznik cząstek oraz stoper powinny zostać jednocześnie zatrzymane. Zarejestrowaną liczbę cząstek zapisujemy w tabeli 1. Następnie źródło cząstek należy umieścić bezpośrednio na detektorze i ponownie jednocześnie uruchomić licznik cząstek oraz stoper. Czas trwania pomiaru powinien być identyczny jak dla pomiaru tła promieniowania. Po zapisaniu zarejestrowanej liczby zliczeń w tabeli 1, podnosimy źródło na pewną określoną odległość (w tym celu można użyć prostokątnych bloczków) i ponownie jednocześnie uruchamiamy stoper i licznik cząstek. Zarejestrowaną liczbę cząstek notujemy w tabeli i wykonujemy kolejny pomiar dla innej odległości źródła cząstek α od detektora. Pomiary powtarzamy tak długo, aż znajdziemy grubość warstwy powietrza dla której licznik w ciągu określonego czasu (np. 1 minuty) nie zarejestruje cząstek α, lub zarejestrowana liczba będzie, w granicach błędu pomiarowego, równa liczbie zliczeń dla pomiarów tła promieniowania.

3 Tabela 1. Badanie zasięgu cząstek α w powietrzu. Odległość źródła Czas [s] Liczba zliczeń od detektora [cm] Dodatkowo: Sprawdź, czy promieniowanie α przechodzi przez kartkę papieru. 4. Pomiar aktywności produktów rozpadu radonu w powietrzu W celu wyznaczenia aktywności produktów rozpadu radonu w 1 m 3 powietrza wykorzystamy metodę Markova, stosowaną również w praktyce dozymetrycznej (ze względu na jej prostotę i łatwość uzyskiwania informacji) Pomiar aktywności produktów rozpadu radonu wg metody Markova Cykl pomiarowy wygląda następująco: Przy pomocy odkurzacza pompujemy przez 5 min powietrze przez specjalną tkaninę będącą filtrem, na którym osadzają się aerozole z przylepionymi do nich promieniotwórczymi produktami rozpadu radonu, W ciągu 1 minuty przenosimy filtr na detektor i wykonujemy pomiary liczby cząstek α. Liczbę zliczeń zapisujemy co 1 min w tabeli 3. Rysunek 3. Cykl pomiarowy w metodzie Markova. Aktywność produktów rozpadu radonu w powietrzu wynosi: C = 7, (N A N B ) ε η v [ ] Bq N A - suma liczby zliczeń w 7, 8 i 9 minucie, N B - suma liczby zliczeń w 13, 14 i 15 minucie, ε - wydajność rejestracji cząstek α. Można przyjść ε = 0.4, η - efektywność zatrzymywania produktów [ ] rozpadu radonu na filtrze. Można przyjąć η = 0.9, v - prędkość pompowania powietrza m 3 s. m 3 (1) 3

4 Na podstawie wyników pomiarów zebranych w tabeli 3 wyznacz: N A =... N B = Wyznaczanie prędkości pompowania powietrza W celu wyznaczenia prędkości pompowania powietrza przez filtr posłużymy się dużym workiem foliowy. Worek należy napompować powietrzem z odkurzacza (w tym czasie na odkurzaczu powinien być założony filtr) mierząc jednocześnie stoperem czas pompowania. Prędkość pompowania powietrza wyznaczymy na podstawie wzoru: v = V t [ ] m 3 t - czas pompowania worka odkurzaczem, V - objętość napompowanego worka = objętość przepompowanego powietrza: V = πr l = π d π l = d l (3) π l - długosć powstałego walca, r - promień powstałego walca - w praktyce trudny do zmierzenia, d - szerokosć worka, z którego w wyniku napompowania powstanie walec. Zachodzi tu zależność: s πr = d W celu wyznaczenia prędkości pompowania powietrza musimy: zmierzyć szerokość worka, który będziemy pompować, d=... zmierzyć czas pompowania walca, t =... zmierzyć długość powstałego walca, l =... Objętość przepompowanego powietrza (patrz wzór 3) wynosi: V =... Wyznaczona prędkość pompowania powietrza (patrz wzór ) wynosi: v =... Ostatecznie wyznaczona aktywność produktów rozpadu radonu (patrz wzór 1) wynosi: C =... Porównaj swój wynik z danymi zawartymi w tabeli. Tabela. Aktywność produktów rozpadu radonu w naszym otoczeniu. [ ] Miejsce pomiaru Czy takiego wyniku się spodziewałeś? Aktywność Powietrze przy gruncie 10 Wietrzony pokój 40 Pokój zamknięty 80 Piwnica 400 Pieczara Bq m 3 () 4

5 Dodatkowo - jeśli wystarczy czasu Prawo rozpadu promieniotwórczego ma następującą postać: N(t) - liczba atomów (jąder atomowych) radionuklidu w chwili t, N 0 - początkowa liczba atomów (t = 0), λ - tzw. stała rozpadu, charakterystyczna dla danego radionuklidu, e, 7 - podstawa logarytmu naturalnego. N(t) = N 0 e λt (4) Ważną wielkością fizyczną, którą można wyprowadzić z prawa rozpadu promieniotwórczego jest okres połowicznego rozpadu - T 1. Jest to czas, po którym z początkowej liczby jąder promieniotwórczych danego izotopu, w jakiejś próbce, pozostaje ich połowa. Podstawiając więc do wzoru 4: otrzymujemy: t = T 1 oraz N(T 1 ) = N 0 N 0 = N 0e λt 1 1 = e λt 1 ln 1 = λt 1 ln = λt 1 ostatecznie: λ = ln (5) T 1 Wykres przykładowego rozpadu promieniotwórczego przedstawiono na rysunku 4. Część A rysunku 4 przedstawia znany nam już zapis zależności liczby atomów od czasu (wzór 4). W części B ten sam wykres przedstawiono w skali półlogarytmicznej. Kolejne przekształcenia prowadzące do uzyskania równania prostej z części B przedstawiono poniżej. ln[n(t)] = ln[n 0 e λt ] ln[n(t)] = ln[n 0 ] λt ln[n(t)] = λt + ln[n 0 ] (6) y = ax + b (7) Na podstawie porównania wzorów 6 i 7 możemy stwierdzić, że współczynnik kierunkowy prostej dopasowanej do punktów pomiarowych to stała rozpadu (- λ). Rysunek 4. Rozpad promieniotwórczy w skali liniowej (A) i logarytmicznej (B). 5

6 Tabela 3. Wyniki pomiarów. Czas Zarejestrowana liczba Liczba zliczeń [min] zliczeń w 1 minucie 1 3 Pompowanie powietrza Przenoszenie próbki Literatura [1] M.Biernacka, Radiologiczny atlas Polski 005, Główny Inspektorat Ochrony Środowiska,