Radioaktiivse kiirguse registreerimine (0)

TALLINNA ÜLIKOOL
Peeter Tamm
Radioaktiivse kiirguse registreerimine
REFERAAT
Matemaatika -Loodusteaduskond Füüsika eriala
Tallinn 2010
SISUKORD
SISSEJUHATUS.................................................................................................................................31. AJALUGU.......................................................................................................................................4
2. IONISEERIV KIIRGUS..................................................................................................................4
3. KIIRGUSE LIIGID.......................................................................................................................4-6
4. DOSIMEETRIA ALUSED...........................................................................................................6-7
5. KIIRGUSMÕÕTMISE MEETODID...........................................................................................7-8
6. MOBIILMÕÕTMISED...................................................................................................................8
7. PORTATIIVSED MÕÕTMISED..................................................................................................8-9
8. LABORATOORSED SEADMED .................................................................................................10
9. RADOONI MÕÕTMINE...............................................................................................................10
10. KOKKUVÕTE.............................................................................................................................11
11. ALLIKAD.....................................................................................................................................12
SISSEJUHATUS
Radioaktiivse kiirguse moodustavad suure energiaga osakesed ja footonid, mis tekivad tuumareaktsioonides. Radioaktiivne kiirgus ehk radiatsioon tekib looduslikes tingimustes radioaktiivsete elementide ebastabiilsete tuumade lagunemisel, kusjuures teatud tuumade lagunemisel võib eralduda ka suuremaid osakesi. Samuti tekib radiatsioon kergete tuumade ühinemisel vesinikupommi plahvatusel ja tähtede termotuumareaktsioonides. Radiatsioon on ioniseeriv kiirgus ja seetõttu inimesele ohtlik, kuna ta ioniseerib aatomeid ning lõhub seetõttu keemilisi sidemeid molekulide vahel . [1]
Radioaktiivsed kiirgused jaguneva otseselt ja kaudselt ioniseerivateks kiirgusteks. Otsesed ioniseerivad kiirgused on alfa-, beeta- ja gammakiirgused. Neutronkiirgus on kaudselt ioniseeriv, sest tema ioniseeriv toime tuleneb võimest tuuma ergastada ning lagunema sundida .
Gammakiirgus on inimesele kõige ohtlikum kiirgus, kuna tema läbimisvõime on suur ning ta on tugeva ioniseeriva toimega. Gammakiirgus lõhub inimese kehas orgaanilisi molekule põhjustades kiiritustõbe. Lõhkudes DNA molekuli võib gammakiirgus põhjustada geneetilist mutatsioone ja vähki, võõrad pole ka kasvajad ning põletusele sarnanevad kahjustused nahal. Eriti ohtlik on gammakiirgus arenevatele organismidele, kuna kasvava organismi aktiivsus rakupooldumise tulemusena levib gammakiirguse tekitatud geneetiline defekt kiiresti . [2]
Radioaktiivse kiirguse mõjul võib teatud aine muutuda radioaktiivseks, ja seega üsna tõenäoliselt võib see saada radioaktiivse mürgisuse põhjustajaks. Lisaks võivad kahjustada saada ka aine aatomituumad , mille tulemusel muutuvad nii aine füüsikalised kui ka keemilised omadused. Purunevad keemilised sidemed aines, mille tulemusel see muutub nõrgemaks, soodustades seega selle aine korrosiooni. Peale selle võivad muutuda ka aine mehaanilised, optilised kui ka elektroonilised omadused. Nii inimese kui ka konstruktsioonide ioniseeriva kiirguse poolt tekitatud kahjustuste ulatus sõltub saadud radiatsiooni doosist. Kiirgusdoosi hindamiseks võeti kasutusse dosimeetrid. [1]
1. AJALUGU
Rohkem kui sada aastat tagasi, 1985. Aastal avastas Würtzburgi Ülikooli professor Wilhem Conrad Röntgen kiired, mida ta hakkas nimetama x-kiirteks (hiljem hakati nimetama röntgenkiirteks). [3]
Hiljem avastas prantsuse füüsik Henry Becquerel uraanisoola uurides loodusliku radioaktiivsuse mõju. [3]
Edasises kiirguste uurimisel olid olulise tähtsusega Marie ja Pierre Curie tööd ning Ernst Rutherfordi avastus, mis näitas, et magnetväli jaotab raadiumist lähtuva kiirguse kolmeks komponendiks: alfa- (α), beeta- (β) ja gammakiirguseks (γ). Gammakiirgus on oma olemuselt lähedane x-kiirtele, alfa- ja beetakiirgus kujutavad endast laetud osakeste voolu. [3]
2. IONISEERIV KIIRGUS
Kõik aineline koosneb aatomitest. Aatomid on kõik sarnase ehitusega: koosnevad tuumast, mille ümber tiirlevad elektronid. Aatomituumad koosnevad prootonitest ja neutronitest ning üldjuhul on väga püsivad. Kuid mõnedel aatomituumadel on omane iseeneslikult laguneda. Selle lagunemise käigus tekivad uued tuumad ning vabanevad suure energiaga osakesed ja elektromagnetkiline kiirgus–gammakvandid. Aatomituumade võimet iseeneslikult laguneda nimetatakse radioaktiivsuseks ja selliseid tuumi radionukliidideks.
Vabanenud osakesed ja gammakvandid on võimelised ioniseerima ümbritsevat ainet. Seepärast nimetatakse vabanenud osakeste ja gammakvantide voogu ioniseerivaks kiirguseks. [3]
3. KIIRGUSE LIIGID
3.1 Alfakiirgus (α)
Moodustavad positiivse laenguga heeliumi tuumad, mis eralduvad suuremast ebastabiilsest tuumast. Alfa-osake on suhteliselt massiivne osake, kuid tema levikaugus õhus on väike (1-2 cm) ja paber või nahk neelab selle täielikult. Alfakiirgus võib siiski olla ohtlik: sattudes kehasse sissehingamise või neelamise käigus, sest lähikoed nagu kops või kõhu sisekoed võivad saada suure kiirgusdoosi. [3]
3.2 Beetakiirgus (β)
Moodustavad elektronid, mis eralduvad ebastabiilsest tuumast. Beetaosakesed on alfaosakestest tunduvalt väiksemad ja võivad tungida sügavamale materjalidesse või kudedesse. Beetakiirgus neeldub plastikus, klassis või metallikihis täielikult. Üldjuhul ei tungi see ka naha pealispinnast sügavamale, kuid ulatuslikuma kokkupuutega suure energiaga beetakiirgajatega võib põhjustada nahal põletusi. Samuti võivad sellised kiirgajad ohtlikuks osutuda, kui nad satuvad kehasse sissehingamise või neelamise käigus. [3]
3.3 Gammakiirgus (γ)
Moodustavad väga kõrge energiaga footonid (teatud elektromagnetiline kiirgus nagu valgu), mis eralduvad ebastabiilsest tuumast ja samal ajal võib kiirata ka beetaosakesi. Gammakiirgus põhjustab ainet läbides, eelkõige kokkupuutumisel elektronidega, aatomite ionisatsiooni. Kiirgus on suure läbimisvõimega ja ainult väga paks tihe aine kiht nagu näiteks teras või plii võib olla heaks varjestuseks. Gammakiirgus võib siseelundeid tugevalt mõjutada ka ilma seda sisse hingamata või neelamata. [3]
3.4 Röntgenkiirgus (x-kiired)
Moodustavad kõrge energiaga footonid (sarnased gammakiirgusele), mida kutsutakse esile kunstliku elektronkiire järsu pidurdamisega. Tegemist on samamoodi suure läbimisvõimega ja ilma tiheda materjali kaitsekihita võib see põhjustada siseelunditele suuri kiirgusdoose. Tekitatakse elektronkiirega metallist sihtmärki (tavaliselt volframi) tulistades. Metalli aatomite elektronid neelavad elektronkiire energia – teaduslikult öeldes metalli aatomid ergastuvad ning siis „lõõgastudes“ vabastavad energia röntgenkiirtena. Kiirus pärineb niisiis metalli aatomitest, kuid erinevalt radioaktiivsest kiirgusest ei vabane ta tuumast. Selline tekkimisviis tähendab ka, et röntgenkiirgusega ei kaasne poolestumise protsessi. Kui elektronkiir välja lülitatakse, siis kaovad ka röntgenkiired. [3]
3.5 Neutronkiirgus (η)
Moodustavad neutronid , mis eralduvad ebastabiilsetest tuumadest, eriti aatomi lagunemise ja tuumade liitumise ajal. Ehkki neutroneid esineb kosmilistes kiires, kutsutakse neid tavaliselt esile tehislikult. Neutronid on elektriliselt neutraalsed ja seetõttu väga suure läbimisvõimega. Kokkupuutes aine või kudedega kutsuvad nad esile beeta- ja gammakiirgust. Neutronkiirguse mõju
vähendamiseks on vajalik väga tugev varjestus. [3]
3.6 Kosmiline kiirgus
Tuleb avakosmosest. See on segu mitmetest erinevatest kiirguse liikidest – sisaldab prootoneid, alfa-osakesi, elektrone ja teisi erineva suure energiaga osakesi. Kõik need osakesed on tugevas vastastikmõjus atmosfääriosakestega ning selle tulemusel moodustuvad kosmilise kiirguse peamise osa maapinnal müoonid, neutronid, elektronid positronid ja footonid. Valdav osa maapinnal saadavast doosist tuleb müoonidest ja elektronidest. [3]
4. DOSIMEETRIA ALUSED
Radiatsiooni dosimeetria on teadusharu , mis tegeleb kiirguse registreerimise ja kiiritusdoosi mõõtmisega materjalides ning kudedes, mis on ioniseeriva kiirguse mõju all. Inimese dosimeetria on üheks tervishoiufüüsika ja meditsiinifüüsika allharuks, mis on keskendunud sisemise ja välise doosi arvestustele, mis tulenevad ioniseerivast kiirgusest. Doosi ennast ehk annust defineeritakse kui neeldunud energia hulka keskkonna ühe massiühiku kohta. Doosi mõõtühikuks materjalides on grey (Gy), kuid bioloogilistes kudedes on selleks siivert (Sv), kus siis 1 Gy ja 1 Sv on võrdsed 1J (džauliga) kilogrammi kohta [4].
On mitmeid meetodeid kuidas mõõta ioniseeriva kiirguse mõjul neeldunud doosi. Tavaliselt kasutatakse selleks dosimeetreid sisaldavaid dielektrilisi materjale, mis on võimelised salvestama neeldunud energia doosi. Hiljem saab neeldunud doosi maha lugeda, mõõtes termiliselt stimuleeritud luminestsentsi (TSL) või optiliselt stimuleeritud luminestsentsi (OSL) intensiivsust. Üldjuhul arvatakse, et kiiratud valguse hulk sõltub lineaarselt kiiritusdoosist. Protsessi aluseks on järgmine mehhanism . Kiirguse vastasmõju kristalliga põhjustab selle elektronide siirdumist kõrgema energia seisunditesse, juhtivustsooni, kus peale energeetilist relaksatsiooni nad võivad lõksustuda enamasti spetsiaalselt sisse viidud lisandiioonidel. Alumistes elektronidega täidetud seisundites, ehk valentstsoonis, jääb sellega ühest elektronist puudu ja tekib kvasiosake, mida nimetatakse auguks. Auk võib lõksustuda lisandioonidel nagu elektrongi. Kristalli kuumutamine (TSL puhul) või nähtava valgusega valgustamine (OSL puhul) vabastab laengukandjad , põhjustades nende rekombineerumist ja sellega rekombinatsiooniluminestsentsi tekkimist.
Rekombinatsiooniluminestsentsi hulk ongi kiiritusdoosi mõõduks. Kiirgunud footonite registreerimiseks kasutatakse fotokordistit. Signaali abil, mis saadakse tänu fotokordistile, arvutatakse doos mille materjal on neelanud. Oluliseks faktoriks peetakse lõksustunud laengukandjate stabiilsust toatemperatuuril, et salvestatud doos püsiks vajalikult kaua kuni mõõtmiseni. [5]
5. KIIRGUSMÕÕTMISE MEETODID
5.1 Kiirgus hädolukorra mõõtmised
Teostatakse ambientse doosikiirguse ja dooside mõõtmisi (tavaliselt gammakiirgusest põhjustatud doosid), õhukandeliste radionukliidide aktiivsuskontsentratsiooni mõõtmisi, maapinnale sadenenud heidiste mõõtmisis, isikudooside mõõtmisi, ehitus ja muude objektide pindade saastumise mõõtmisi, toiduainete, vee ja keskkonna (taimede) saastumise mõõtmisi. [6]
5.2 Ambientse doosikiiruse ja dooside mõõtmine
Tehakse pidevalt või perioodiliselt ja andmeid kasutatakse kaitsemeetmete vajalikkuse üle otsustamisel . Selleks kasutatakse portatiivseid või statsionaarseid seadmeid. [6]

5.3 Maapinnale sadestunud heidiste mõõtmine

Andmed maapinnale sadestunud radionukliidide kohta on vajalikud otsustajatele kaitsemeetmete valikul. Tihti on seotud pinnase proovide võtmisega. Täpsed andmed saadakse teisaldatavatest gamma -spektromeetriga, ülevaade suurte alade saastumise tasemest saadakse juba mobiilsete mõõteseadmetega. Tulemused on radionukliidi spetsiifilised . [6]

5.4 Radionukliidide kontsentratsiooni mõõtmine

Mõõdetakse õhuosakeste ja gaaside radioaktiivsust koos nukliidide määramisega. Andmeid kasutatakse varase hoiatamise eesmärgil ja hajusate saastepilvede iseloomustamiseks ( tundlikum doosikiirguse mõõtmisest). Mõõtmiseks kasutatakse statsionaarseid ja teisaldatavaid filterseadmeid. Tulemuseks saadakse radionukliidide aktiivsuskonsentratsioon. [6]

5.5 Isikudoosi hindamine

Isikudoos võib olla põhjustatud gammakiirgusest (väliskiiritus) või radionukliidide sissehingamisest ja –neelamisest (sisekiiritus). Piisavalt täpselt saab mõõta väliskiirituse
komponenti, sisekiiritust saab hinnata kogukeha mõõteseadmega või proovide analüüsitulemuste alusel. Väliskiirituse mõõtmisel hinnatakse efektiivdoosi (madalatel doosikiirustel) või neeldunud doosi (suurtel doosikiirustel). [6]

5.6 Objektide pinnasaastumise mõõtmine

Kasutatakse, et selgitada välja objekte, mida peab desaktiveerima või saatma jäätmehoidlasse. Otseseks eesmärgiks on mõõta pinnale sadestunud radionukliidide kontsentratsiooni, esialgse hinnangu saamiseks piisab pinnalt lähtuva gammakiirguse mõõtmisest. [6]

5.7 Toiduainete, vee ja keskkonna (taimed) saastumise mõõtmine

Mõõdetakse indikaatorisotoopide aktiivsuskontsentratsioone. Praktiliselt alati seotud proovide võtmisega ja laboratoorse analüüsiga. Andmeid kasutavad kaitsemeetmete üle otsustajad. [6]

6. MOBIILMÕÕTMISED

Mõõtmised autodelt

Autod on varustatud keerulise aparatuuriga ning GPS-ga. Antud mõõtmise eelisteks on võimalus sujuvalt liikumiskiirust muuta, pikemalt mõõta ühes punktis ja sujuvalt lähenenud võimalikule saastunud alale. Mõõta on võimalik gamma -, neutron - ja beetakiirgust. Seda laadi mõõtmised on palju odavamad ja paindlikumad õhust mõõtmisega võrreldes. [6]

Mõõteseadmed lennumasinatel

Võimaldab teostada gammakiirguse kaugmõõtmisi NaI või HPGe detektorite abiga. Saab teostada mõõtmisi eelvalitud trajektooridel (ootamatute takistuse ettesattumise risk on väiksem kui autodel teostavate mõõtmiste ajal). Peale gammakiirguse saab mõõta ka neutronkiirgust. Antud mõõtemeetodi miinused: rakendamine on kallis ja ei ole võimalik detekteerida alfa- ning beetakiirgust. [6]

7. PORTATIIVSED MÕÕTESEADMED

Laias laastus jagunevad kaheks: gaaslahendusdetektoriga seadmed (ionisatsioonikambriga, proportsionaaldetektoriga, Geiger-Müller tüüpi detektoriga ja neutronite loendurid) ning tahke detektoriga seadmed (stsintillatsioondetektoriga ja pooljuhtdetektoriga (Si- diood , CdZnTe kristall )).
[7]

7.1 Ionisatsioonkamber

Eelised: mõõtetulemused on rangelt võrdeline neeldunud energiaga, näit ei sõltu osakeste energiast ning tegemist on parima seadmega neeldunud doosi täpseks mõõtmiseks. Puudused: väljundsignaal on väga madal ja raske on kasutada madalatel doosikiirustel (alla 1µGy/h). [7]

7.2 Proportsionaaldetektor

Eelised: tundlikumad kui ionisatsioonkambrid – gaaslahendusel ioonide hulk suureneb, signaal on proportsionaalne kvandi või osakeste energiaga ja võimaldab eristada alfa-, beeta- ja gammakiirgust. Puudused: vajab ionisatsioonikambrist kõrgemat pinget, pole töös nii stabiilsed, loenduri gaasikeskkonda on vaja uuendada – läbivooludetektorid. [7]

7.3 Geiger-Müller (GM) detektor

Eelised: odav, lihtne, kerge käsitleda ja piisavalt tundlik. Tehnilised puudused: näit sõltub kvandi energiast, ei anna otsest teavet neeldunud energiast (mõõtetulemus on ligikaudne), detektori täitegaasil piiratud kasutusaeg ja on ebalineaarne tugevates kiirgusväljades (pikk impulsi aeg). [7]

7.3 Neutronite loendurid

Tööpõhimõte: neutronid aeglustatakse kergetest aatomitest materjaliga (plastikud). Aeglustatud neutronid tekitavad BF3 või He tuumareaktsioone, kus eraldub alafaosake või gammakvant ja neid osakesi registreeritakse traditsiooniliste detektoritega Neid kasutatakse piiripunktides, et avastada illegaalset tuumamaterjali. [7]

7.4 Stintillatsioondetektoriga seadmed

Gaaslahendusdetektoritest on tundlikumad ja nende seadmete kuju ning suurus võivad olla väga erinevad. NaI (T1) detektor: kõrge gammakiirguse detekteerimise efektiivsus, võimaldab teha gamma-spektromeetriat, energeetiline lahutusvõime on 5-7%, seda ei saa kasutada tugevates kiirgusväljades Plastik : väiksem gammakiirguse registreerimise efektiivsus, ei saa teha gamma-spektrimeetriat ja seda kasutatakse kiirguskaitses dooside mõõtmisel. [7]

7.5 Pooljuhtdetektoriga seadmed

Si-diooddetektor võimaldab teha miniatuurseid ja ökonoomseid dosimeetreid, CdZnTe detektor on hea energeetilise lahutusvõimega (2-3%) ning suudab töötada kõrgel temperatuuril. Kuid nad on väga kallid ja seni on detektorid väikese mahuga (madal kiirguse registreerimise efektiivsus). [7]
8. LABORATOORSED SEADMED
Nende abil toimub proovides sisalduvate radioisotoopide identifitseerimine ja raadioisotoopide aktiivsuskontsentratsiooni määramine. Praegu kasutatakse valdavalt alfa-, beeta- ja gamma-spektromeetriat. [7]

9. RADOONI MÕÕTMINE

Radooni aktiivsuskontsentratsioonide mõõtmiseks on mitmeid erinevaid meetodeid. Kuna radoon ja ta radioaktiivsel lagunemisel tekkivad laguproduktid emiteerivad peamiselt alfa-kiirgust, põhineb enamik mõõtmismeetodeid mingile pinnale sattunud alfa-osakeste loendamisel teatud aja vältel. Kasutatakse ka ionisatsioonikambriga mõõteriistu. [8]

9.1 Lühiajaline mõõtmine

Radoonimonitor on mõõteobjektil 2-4 päeva ning selle aja sees toimub pidev mõõtmine ( aparaat registreerib 10minuti keskmise tulemuse). Saadud tulemused iseloomustavad vaid hetkeolukorda ja ei ole võrreldavad aasta keskmisega. [9]

9.2 Pikaajaline mõõtmine

Meetod on välja töötatud Suurbritannias ja Eesti kasutab Rootsi RKI poolt kohandatud metoodikat, mis põhineb alfa-tundliku filmi detektoritele. Detektorite eksponeerimisaeg mõõdetaval objektil on 2-3 kuud kütteperioodil. Tavaliselt pannakse samale objektile eri ruumidesse 2 mõõdikut – korteris näiteks elu- ja magamistuppa ning I korruse elu- ja tööruumidesse või ka keldrikorruste omadesse. Radooni radioaktiivsel lagunemisel jätavad alfa-osakesed plastikule (CR-39) jäljed. Pärast 2,5h-st söövitamist NaOH lahuses temperatuuril 90 oC, loetakse need jäljed mikroskoobi all. Jälgede arvuga detektori pinnaühikule määratakse ära alfa-osakeste hulk ruumiühikus õhus. [9], [8]
10. KOKKUVÕTE
Enamus levinud kiirguste liigid on pärit radioaktiivsetest materjalidest, kuid teatud liiki kiirgused tekitatakse ka muul viisil – kõige tuntumaks on näiteks röntgenkiired. Ioniseeriva kiirguse liigid on alfa-, beeta-, gamma-, röntgen-, neutron- ja kosmiline kiirgus. Allikad jagunevad looduslikeks ja tehislikeks. Kiirguse mõõtmiseks on mitmed meetodid: kiirgushädaolukorra mõõtmised, mobiilmõõtmised, portatiivsete mõõteseadmetega mõõtmised ning mõõtmised laboris.
11. ALLIKAD

Wikipedia, „Ioniseeriv kiirgus,“ http://et.wikipedia.org/wiki/Ioniseeriv_kiirgus (vaadatud 25.05.2010)

Wikipedia, „ Radiation damage,“ http://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_damage (vaadatud 25.05.2010)

1.J. Kalam „Eesti Kiirguskeskus. Seeria : kiirgused meis ja meie ümber. Sissejuhatus kiirguste valda.“ 1996, Printall

A Simisker. Füüsika ja dosimeetria alused ioniseeriva kiirguse puhul. TÜ Radioloogia ja
Onkoloogia kliinik 2008.

A. C. Fernandes, M. Osvay, J. P. Santos, V. Holovey, M. Ignatovych, B. I. 2008. TL
properties of newly developed lithium tetraborate singke crystals. ScienceDiredt, Radiation Measurements 43, 476 – 479.

http://www.envir.ee/kiirgus/image/nelijarve/8.pdf (vaadatud 25.05.2010)

http://www.envir.ee/kiirgus/image/nelijarve/5.pdf (vaadatud 25.05.2010)

http://www.envir.ee/kiirgus/image/avalik/radoon_majades_www.pdf (vaadatud 25.05.2010)

http://www.envir.ee/kiirgus/image/Radooni_m66tmine.pdf (vaadatud 25.05.2010)