Projekt Radon zmierz to
Dariusz Aksamit Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej radon@kopernik.org.pl Jestem fizykiem medycznym, wykorzystuję wiedzę fizyczną (głównie o promieniowaniu jonizującym, jego wykrywaniu i oddziaływaniu z żywymi organizmami) w diagnostyce i terapii chorób, przede wszystkim onkologicznych. Ukończyłem Politechnikę Warszawską, jestem więc inżynierem lubię budować, konstruować, mierzyć, a nie tylko liczyć. Ważne jest dla mnie, aby praca, którą wykonuję, rozwiązywała konkretne i realne problemy. Działam w Stowarzyszeniu Rzecznicy Nauki, popularyzując wiedzę w mediach (prasa, radio, telewizja, filmy w internecie, występy na scenie ) oraz promując krytyczne myślenie i walcząc z pseudonauką. Radon zmierz to Projekt zalecany dla uczniów z klas VII i VIII / klas gimnazjalnych Projekt można zrealizować w ciągu 4 miesięcy, większość działań w budynku szkoły. Uczniowie w ramach tego projektu będą mierzyć stężenie radonu w różnych miejscach: w domu, w szkole, na zewnątrz.
Na zdjęciach powyżej widać proces przygotowywania bolusów, od wykonania tomografii komputerowej po gotowy wydruk 3D. Moje badania Zajmuję się zastosowaniem druku 3D (techniki drukowania przestrzennego, w którym z modelu komputerowego powstaje trójwymiarowy obiekt) w radioterapii, czyli leczeniu chorób nowotworowych za pomocą promieniowania jonizującego. Technologia ta umożliwia tworzenie obiektów przestrzennych odpowiadających anatomii pacjenta. Mogą to być fantomy, udające jego ciało w trakcie próbnych napromienień, gdy sprawdza się, czy plan leczenia jest odpowiedni (i czy nie zabijemy pacjenta przez błąd w obliczeniach ). Mogą to być też bolusy, czyli przygotowywane indywidualnie dla chorego obiekty umiejscawiane bezpośrednio na jego skórze, które mają za zadanie modyfikować rozkład dawki promieniowania jonizującego we wnętrzu ciała pacjenta. To dlatego, że dążymy do tego, aby określoną ilość promieniowania otrzymał guz, a możliwie mało prawidłowe tkanki naokoło. Zastosowań jest dużo, szczególnie, że sam druk 3D to bardzo szeroka dziedzina można drukować plastikiem lub żelem, można robić miękkie i elastyczne obiekty, a można laserowo spiekać metal Oprócz tego zajmuję się wszelkimi pomiarami związanymi Dotychczas bolusy przygotowywano z parafinowych plastrów układanych bezpośrednio na skórze pacjenta lub odlewie. Tak wykonane bolusy nie gwarantują właściwej jednorodności materiału oraz dobrego przylegania do ciała chorego. Kształt bolusa drukowanego 3D projektowany jest dzięki tomografii komputerowej. W systemach do planowania leczenia obliczany jest rozkład dawki promieniowania jonizującego wokół zmian nowotworowych. z promieniowaniem jonizującym, w tym pomiarami promieniotwórczego gazu, którym oddychamy radonu przy pomocy tzw. folii PADC (poliwęglanu diglikolu allilowego), badając na przykład stężenie radonu w dowolnym pomieszczeniu. Prowadzę także prace dyplomowe studentów, którzy mierzą stężenie radonu w wodzie, glebie, powietrzu oraz opracowują nowe metody pomiarowe. Radon jest bezbarwnym, bezwonnym radioaktywnym gazem szlachetnym. Występuje naturalnie, jako produkt rozpadu radu, który z kolei powstaje z obecnego w przyrodzie w sporych ilościach uranu. Jego najstabilniejszy izotop 222 Rn jest stosowany w radioterapii. Jest najcięższym znanym pierwiastkiem gazowym jest on 8 razy cięższy niż średnia gęstość gazów atmosferycznych. Dobrze rozpuszcza się w wodzie. Oziębiony poniżej temperatury krzepnięcia tworzy nieprzezroczyste kryształy i świeci brylantowo-niebieskim światłem.
Nasz wspólny projekt Radon to promieniotwórczy gaz naturalnie obecny w powietrzu, który jest głównym czynnikiem naszego naturalnego narażenia na promieniowanie. Jest też ważnym punktem odniesienia w dyskusji o poziomach promieniowania (np. z elektrowni jądrowej) ponieważ pozwala zinterpretować podawane w mediach informacje. Na przykład wiadomość promieniowanie wynosiło 3 msv/h to dużo czy mało? Jeśli spojrzymy na poniższy wykres pokazujący ile dostajemy promieniowania z różnych źródeł, naturalnych i sztucznych, dopiero możemy zrozumieć, co wynika z takiej informacji. Rysunek 1. Udział różnych składowych promieniowania w średniej rocznej dawce otrzymywanej dla przykładowego mieszkańca Polski. Jednostka msv (czyt.: milisiwert) oznacza dawkę promieniowania, wyrażoną jako ilość energii pochłoniętej przez materię podzieloną przez masę tej materii, 1 Sv = 1 J/1 kg. 1 siwert to jeden dżul przez jeden kilogram, mili to przedrostek oznaczający jedną tysięczną. Źródło: Raport Prezesa Państwowej Agencji Atomistyki (http:www.paa.gov.pl) Więcej osób słyszało o Czarnobylu niż o radonie, tymczasem wykres pokazuje, że gaz, którym oddychamy, jest głównym czynnikiem narażenia na promieniowanie jonizujące! Co ciekawe, stężenie radonu w powietrzu zmienia się w zależności od wielu czynników. Zależy m.in. od budowy geologicznej podłoża (w jakim miejscu Polski mieszkasz?), rodzaju materiałów budowlanych, z których zbudowano dom (mieszkasz w drewnianym domku czy w bloku z wielkiej płyty?), wysokości, na której wykonuje się pomiar (mieszkasz na parterze czy na ostatnim piętrze?), zwyczajów domowników, które wpływają na intensywność i częstość wietrzenia pomieszczeń (wychodzisz z psem na spacer? śpisz przy otwartym oknie?) Jednak uśredniając wyniki pomiarów, okazuje się, że w Polsce radon stanowi 36% łącznej dawki ze wszystkich źródeł promieniowania, chociaż w poszczególnych przypadkach może się to mocno zmieniać. A jak jest w Twoim przypadku? Odpowiemy na to pytanie w ramach realizacji projektu edukacyjno-badawczego. Uczniowie pod okiem nauczycieli wykonają pomiary radonu w domu, szkole, okolicy. Sprawdzą, jakie jest jego stężenie w miejscach, gdzie dużo przebywają i razem spróbujemy zrozumieć, czemu w jednych miejscach jest go więcej, a w innych mniej. Jak radon przedostaje się do mieszkań? Głównym źródłem jest ziemia, z której wydostaje się na powierzchnię. Ponieważ jest cięższy od powietrza, gromadzi się w zagłębieniach terenu i piwnicach. Później, dzięki różnicy ciśnień oraz przeciągów, potrafi rozchodzić się po mieszkaniach. Wdychamy go z powietrzem, a w płucach radon napromieniowuje okoliczną tkankę, doprowadzając do jej uszkodzenia. Aby zmniejszyć stężenie radonu w domu wystarczy częste wietrzenie lub dobra wentylacja. Piwnice również warto wietrzyć oraz uszczelniać w nich nawet niewielkie pęknięcia w betonowej podłodze, ścianach, a także szpary wokół instalacji. Rodzaje promieniowania wymienione na rysunku: kosmiczne promieniowanie naturalne, dociera do Ziemi z przestrzeni kosmicznej; wewnętrzne promieniowanie naturalne, od pożywienia; gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząstek subatomowych; toron naturalny izotop radonu; źródła sztuczne dawne wybuchy jądrowe, przedmioty powszechnego użytku, awaria czarnobylska, zastosowanie
Rozpad uranu 92 92 Uran 238 234 Protaktyn Radon to naturalny alfa-promieniotwórczy pierwiastek. Stanowi on aż 70% efektywnej dawki promieniowania naturalnego jaką otrzymuje statystyczny Polak. Jest uznany przez Światową Organizację Zdrowia (WHO) za drugi po paleniu tytoniu najistotniejszy czynnik mający wpływ na powstawanie nowotworów narządów układu oddechowego jeśli występuje w wysokim stężeniu. 91 234 Tor Promieniowanie W czasie rozpadu emituje promieniowanie alfa (i w mniejszym stopniu beta) o małej przenikliwości, ale o dużej zdolności jonizującej (wysoka energia, duża masa cząstki). W geologii Wykrywanie radonu odgrywa dużą rolę w geologii przy poszukiwaniu rud uranu radon często towarzyszy jego złożom. Występuje także w niektórych źródłach mineralnych w bardzo niewielkich ilościach. 90 234 90 230 Aktyn Rozpuszczalność Radon jest rozpuszczalny w zimnej wodzie, a jego rozpuszczalność spada wraz ze wzrostem temperatury. Ta właściwość powoduje, że jest on uwalniany do powietrza podczas czynności domowych wymagających użycia wody np. mycia naczyń, prania, kąpieli, spłukiwania toalety, sprzątania. W medycynie Naturalnie występujące wody radonowe stosuje się do kąpieli w rehabilitacji chorób narządów ruchu, do leczenia cukrzycy, chorób stawów, chorób tarczycy oraz schorzeń ginekologicznych i andrologicznych. Radon stosuje się także do leczenia zachorowań związanych z przemianą materii oraz chorób obwodowego układu nerwowego. 88 226 86 222 Rad Frans Radon
Jak dokonamy pomiaru? Głównym zadaniem w projekcie jest zaprojektowanie i zbudowanie układu do odczytu detektorów radonu oraz wykorzystanie go do pomiaru stężenia radonu w swoim otoczeniu. Jedna z popularnych metod pomiaru stężenia radonu wykorzystuje plastikowe płytki, tak zwane PADC lub CR39, na których można uwidocznić ślady uszkodzeń wywołanych przez cząstki alfa emitowane przez radon. Takie płytki należy zostawić na dość długo (co najmniej miesiąc, a najlepiej kwartał) w miejscu pomiaru, czyli dokonać ekspozycji, a po tym czasie zebrać je i policzyć. I teraz pytanie szczegółowe: jak uwidocznić uszkodzenia i jak je policzyć? (czyli takie, które Wam dostarczę dzięki współpracy z Centralnym Laboratorium Ochrony Radiologicznej; które będą wystawione na znane stężenie radonu), wytrawicie je i odczytacie. Wtedy porównamy wyniki i będziemy wiedzieć, że na Waszym sprzęcie można polegać. Pozostanie już tylko rozstawić płytki PADC w wybranych przez Was miejscach i po kilku miesiącach zebrać je, odczytać i dokonać analizy otrzymanych wyników. Innymi słowy, na schemacie możemy przedstawić kolejne etapy następująco: Etap prac Do uwidocznienia uszkodzeń potrzebujemy zasady sodowej i termostatu. Po włożeniu płytek na kilka godzin do stężonego roztworu podgrzanej zasady sodowej w miejscach, w których przeszła cząstka alfa, pojawią się otwory. To etap trawienia detektorów. Budowa takiej wytrawiarki, czyli pojemnika, w którym umieścimy płytki i w którym utrzymamy stałą temperaturę, będzie pierwszym zadaniem. Po drugie potrzebujemy mikroskopu, żeby policzyć, ile mamy otworów na danej płytce. To etap odczytu detektorów. Może to być mikroskop ze szkolnej pracowni, można zbudować mikroskop ze smartfona Opcji jest wiele to wy zdecydujecie, jaką chcecie wdrożyć u siebie. Jeśli będziecie mieć zdjęcia spod mikroskopu, łatwo będzie można analizować je później na komputerze (w prostym, darmowym programie do analizy obrazu jak ImageJ, korzystając również z arkusza kalkulacyjnego jak Excel czy Gnumeric). Przechodzimy do części z analizą uzyskanych obrazów. Po przejściu poprzednich kroków pozostanie wykazać, że Wasz układ prawidłowo działa bo to, że coś pokazuje, to dopiero początek drogi Dostaniecie wzorcowe płytki Program ImageJ jest bezpłatnym narzędziem do analizy obrazów w wielu dziedzinach nauki. Niewątpliwymi zaletami programu jest jego niezależność od systemu operacyjnego, możliwość korzystania z makr oraz możliwość tworzenia własnych rozszerzeń. Gnumeric to program do tworzenia arkuszy kalkulacyjnych. Pozwala na import i eksport arkuszy w popularnych formatach, tworzenie diagramów, wykresów, stosowanie filtrów, obiektów geometrycznych, zdjęć, odnośników, przycisków i wiele innych. 1. Ekspozycja detektorów PADC na promieniowanie Wykonanie 1. Komora radonowa w CLOR (wzorcowe) i wybrane przez Was miejsca (właściwe pomiary) Sprzęt 1. Płytki CR39 (płytki wzorcowe po stronie naukowca, płytki do badań po stronie samorządów szkoły) 2. Trawienie detektorów 2. Roztwór 6M NaOH Termostat Płukanie 2. NaOH Pojemnik na roztwór Termostat Uchwyty na płytki 3. Odczyt detektorów 3. Zdjęcia pod mikroskopem (x10) 3. Kamera cyfrowa na USB (lub mikroskop zrobiony ze smartfona) Przejściówka do obiektywu (jeśli potrzebne) 4. Analiza uzyskanych obrazów 4. Makro ImageJ i makra w Excelu histogramy liczby i rozkładu średnic otworów 4. Brak
Potrzebne materiały Pomieszczenie sala z oknem lub wyciągiem dostęp do pracowni komputerowej / komputerów Materiały płytki CR39 zestaw wzorcowych płytek do kalibracji i kilka do testów dostarczy naukowiec. Zakup dodatkowych płytek do badań po stronie samorządów. zasada sodowa, ew. kret do czyszczenia rur wytrawiarka czyli pojemnik na roztwór i płytki oraz uchwyty na płytki (np. klamerki, stojak własnego projektu) termostat / styropian do izolacji pojemnika grzałka i termometr / termostat do regulowania temperatury kamera cyfrowa / mikroskop z powiększeniem min. x 10 / mikroskop zrobiony ze smartfona link do instrukcji Inne program Makro ImageJ bezpłatny Excel lub Gnumeric Przy wytrawianiu w zasadzie sodowej obowiązkowo trzeba się zabezpieczyć najlepiej robić to pod wyciągiem lub na świeżym powietrzu. Wykorzystywana zasada będzie stężona i podgrzana, konieczne jest przestrzeganie zasad bezpieczeństwa przy tego typu oparach. Podsumowanie Zadanie ma charakter projektowy i jak każdy sensowny projekt jest interdyscyplinarne. Uczniowie nauczą się podejścia projektowego (muszą samodzielnie zbudować układ pomiarowy), wykonają praktyczne i manualne (inżynierskie!) zadania. Trzeba będzie pomajsterkować w drewnie, pobawić się chemią, zbierać dane, napisać program, przeprowadzić analizę danych. Uczniowie będą współpracowali z nauczycielami różnych przedmiotów: przy wytrawianiu w zasadzie sodowej, (z nauczycielem chemii) w czasie analizy obrazu, (z nauczycielem informatyki) podczas pomiarów, kalibracji i interpretacji wyników (z nauczycielem fizyki i/lub matematyki) Poznają przede wszystkim metodę badawczą w praktyce: od planowania eksperymentu, przez jego przeprowadzenie i analizę danych po wyciąganie wniosków oraz korzystanie ze źródeł naukowych. Projekt polecamy uczniom z klas VII i VIII (z klas gimnazjalnych) ze względu na stopień trudności, potrzebny zasób wiedzy oraz okres zaangażowania (projekt można zrealizować do marca/ kwietnia 2019 roku.)