MSOŚ

Radon w powietrzu

J₅ – J₈

RADON W POWIETRZU

CEL ZADANIA:

Pomiar stężenia ²²²Rn i produktów jego rozpadu w powietrzu (w zamkniętych pomie-szczeniach). Zapoznanie się z detektorem scyntylacyjnym cząstek .

1. WSTĘP

Człowiek w środowisku spotyka się z różnego rodzaju promieniowaniem jonizującym, którego źródła są następujące:

1) naturalne promieniowanie środowiska związane np. z obecnością uranu czy ⁴⁰Ca w skorupie ziemskiej

2) promieniowanie kosmiczne i wytwarzane przez nie w atmosferze lub na powierzchni Ziemi izotopy promieniotwórcze

3) źródła sztuczne np. związane z diagnostyką medyczną.

	radon	toron

Rys.1. Wkład do dawki od promieniowania jonizującego od różnych źródeł. Zwróćmy uwagę na duży udział radonu (40%) oraz diagnostyki medycznej (ok. 26%). "Wewnętrzne"- oznacza wkład od pierwiastków promieniotwórczych obecnych w naszym ciele np. od ⁴⁰K. "toron"- wkład od ²²⁰Rn i produktów jego rozpadu. "radon"- wkład od ²²²Rn i produktów jego rozpadu. "prom. gamma"- promieniowanie od gruntu i budynków (materiały budowlane). Dane dotyczą sytuacji w Polsce w 1998r [1].

Rys.1 pokazuje, że najbardziej istotnym źródłem promieniowania jonizującego jest radon i promieniotwórcze produkty jego rozpadu. Dalej zajmiemy się jedynie izotopem ²²²Rn i jego krótkożyciowymi produktami rozpadu (²¹⁸Po, ²¹⁴Pb, ²¹⁴Bi, i ²¹⁴Po - patrz rys.2), gdyż ich wkład do dawki pochodzącej od radonu jest największy. Wymienione powyżej nuklidy promieniotwórcze obecne są w powietrzu, którym oddychamy.

RADON

Radon-symbol Rn, Z=86, gaz szlachetny, bezbarwny, bezwonny. Wszystkie izotopy radonu są promieniotwórcze. Izotop ²²²Rn jest produktem rozpadu izotopu ²²⁶Ra (rad-226), który z kolei powstaje w "łańcuchu" rozpadów ²³⁸U (uran-238) zawartego w skorupie ziemskiej. Rozpad ²²²Rn pokazany jest na rys.2.

Radon w naszym srodowisku

W skorupie ziemskiej znajduje się m.in. promieniotwórczy uran-238 wytworzony w procesie nukleosyntezy wiele miliardów lat temu. Przetrwał on do dnia dzisiejszego dzięki długiemu czasowi połowicznego rozpadu (patrz rozdz. 3), który wynosi T_1/2= 4.5 10⁹ lat, co jest porów-nywalne z wiekiem Układu Słonecznego. Rozpad ²³⁸U (po 4 rozpadach i 2 rozpadach [2]) prowadzi do promieniotwórczego izotopu ²²²Rn, który będąc gazem dyfunduje poprzez glebę i miesza się z powietrzem. Dalsze rozpady ²²²Rn (patrz rys.2) prowadzą do powstania krótkożyciowych izotopów promieniotwórczych ²¹⁸Po, ²¹⁴Pb, ²¹⁴Bi i ²¹⁴Po. Te produkty rozpadu ²²²Rn "przylepiają się" do unoszących się w powietrzu aerozoli (patrz dalej - tekst w ramce). Radon i produkty jego rozpadu wdychamy z powietrzem do płuc. Rozpadające się jądra emitują cząstki i oraz kwanty . Wiemy, że promieniowanie , i przechodząc przez materię powoduje jonizację. W przypadku wdychania radonu i produktów jego rozpadu jonizacja może spowodować uszkodzenie komórek płuc, co może prowadzić do zmian w komórkach i zwiększenia prawdopodobieństwa choroby nowotworowej.

Koncentracja radonu w zamkniętych pomieszczeniach jest na ogół większa od koncentracji na otwartej przestrzeni (patrz tabela poniżej).

Aktywność radonu (w jedn. Bq/m^3) w naszym otoczeniu - dane orientacyjne [3].
Miejsce pomiaru	Aktywność [Bq/m^3]
powietrze przy gruncie	10
wietrzony pokój	40
zamknięty pokój	80
piwnica	400

Aktywność źródeł promieniotwórczych = liczba rozpadów jąder w jednostce czasu.

W układzie SI mierzona jest w bekerelach (Bq). 1 Bq = 1 rozpad/s

aerozole atmosferyczne - ciała stałe lub ciecze rozproszone w powietrzu. Średnica cząstek aerozoli jest rzędu 10^-9 – 10^-5 m. Przykłady aerozoli - dymy, mgły. Więcej informacji - patrz Encyklopedia Fizyki PWN.

jonizacja - powstawanie jonów dodatnich w wyniku oderwania elektronu od obojętnego atomu lub cząsteczki pod wpływem promieniowania, wysokiej temperatury, bombardowania elektronami itp.

Do pomieszczeń radon przenika z gleby poprzez nieszczelności w fundamentach. Stąd szczególnie duże stężenie Rn możemy spotkać w piwnicach. Drugim źródłem Rn w pomieszczeniach mogą być materiały budowlane, z których dyfunduje radon. Występuje to, jeśli użyte materiały budowlane zawierają rad, uran lub tor. 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 stoi budynek, jego konstrukcji i szczelności, użytych materiałów budowlanych oraz od intensywności z jaką pomieszczenia są wentylowane.

Stężenie radonu w polskich mieszkaniach wynosi średnio ok. 50 Bq/m³. Największe stężenia w Polsce zarejestrowano w budynkach w okolicy Jeleniej Góry. Według polskich norm nie powinno ono przekraczać 200 Bq/m³ w budynkach oddawanych do użytku po 01.01.1998 r. Wietrzenie pomieszczeń redukuje stężenie radonu (patrz tabela powyżej)

Sprawa szkodliwości niewielkich stężeń radonu w powietrzu jest wciąż przedmiotem dyskusji - patrz [4].

Rys. 2. Uproszczony schemat rozpadu ²²²Rn. Pokazany jest jedynie fragment istotny w naszym zadaniu. W kwadratach podany jest okres połowicznego rozpadu. Strzałki poziome oznaczają rozpad b^-, zaś ukośne rozpad a.

2. POMIARY

W zadaniu rejestrować będziemy liczbę cząstek a pochodzących z rozpadów produktów rozpadu ²²²Rn. Pozwoli to określić natężenie promieniowania a produktów rozpadu radonu. Skomplikowany rozpad ²²²Rn (rys. 2) zastąpimy następującym szeregiem, uzupełniając podaną informację o typ rozpadu oraz T_1/2:

Wyjaśnienia:

1) Rozpad ²¹⁴Bi do ²¹⁴Po, patrz rys. 2, zachodzi z T_1/2= 19,9 min. ²¹⁴Po rozpada się do ²¹⁰Pb z bardzo krótkim T_1/2= 164 ms. Widzimy, że rozpad ten zachodzi "natychmiast" po rozpadzie ²¹⁴Bi --> ²¹⁴Po. Możemy więc złożony rozpad ²¹⁴Bi --> ²¹⁴Po --> ²¹⁰Pb potraktować jako jeden proces zachodzący z efektywnym półokresem rozpadu T_1/2= 19,9 min.

2) Możemy zaniedbać dalsze rozpady. Długi okres półrozpadu ²¹⁰Pb (T_1/2= 22 lata) powoduje, że izotop ten oraz produkty jego rozpadu nie występują praktycznie w pomieszczeniach. Przyczyną tego jest naturalna wymiana powietrza w pomieszczeniach, która nie dopuszcza do gromadzenia się izotopów o długich okresach połowicznego zaniku.

2.1. APARATURA POMIAROWA

Układ pomiarowy przedstawiony na rys. 3 składa się z:

1) detektora scyntylacyjnego DS

2) zasilacza wysokiego napięcia ZWN zasilającego dzielnik napięcia fotopowielacza

3) wzmacniacza WZ sygnałów z fotopowielacza

4) dyskryminatora progowego DP, który generuje impuls gdy na jego wejściu pojawi się sygnał, którego amplituda przekracza poziom zadany przez eksperymentatora

5) przelicznika

6) oscyloskop OS

Próbkę aerozoli pobieramy za pomocą odkurzacza i odpowiedniej nasadki z filtrem.

+ ZWN

OS

Rys.3. Schemat blokowy aparatury współpracującej z detektorem scyntylacyjnym.

Zasadniczym elementem układu jest detektor scyntylacyjny, który składa się ze scyntylatora i fotopowielacza (rys.4).

	scyntylator

Rys.4. Scyntylator wraz z fotopowielaczem.

Zasada rejestracji cząstek naładowanych.

Cząstki naładowane (np. cząstki a) wpadając do scyntylatora (rys. 4) jonizują i wzbudzają atomy lub cząsteczki scyntylatora. Wzbudzone atomy lub cząsteczki emitują następnie fotony, które rejestrowane są za pomocą fotopowielacza.

Rys.5. Budowa scyntylatora ZnS

Scyntylatory

Znamy obecnie bardzo wiele różnych scyntylatorów. Do detekcji promieniowania g używamy jednego z najbardziej popularnych scyntylatorów, a mianowicie kryształu jodku sodu (NaI). Do detekcji cząstek a wykorzystujemy siarczek cynku (ZnS) w postaci cienkiej polikrystalicznej warstwy osadzonej na płytce szklanej przez którą błyski światła ze scyntylatora przechodzą do fotopowielacza (rys. 5). Warstwa scyntylatora przykryta jest bardzo cienką folią Al (ok. 4 mm), która osłania fotopowielacz od światła zewnętrznego oraz odbija wytworzone w scyntylatorze fotony w kierunku fotopowielacza. Grubość folii Al jest tak dobrana aby badane cząstki a mogły przez nią przejść i dotrzeć do scyntylatora.

Fotopowielacze

Fotopowielacz (patrz rys. 4) jest lampą elektronową składającą się z fotokatody, dynod i anody. Fotony ze scyntylatora padając na fotokatodę mogą z niej wybić w wyniku zjawiska fotoelektrycznego elektrony. Wybite elektrony przyśpieszane są w polu elektrycznym wytworzonym przez napięcie (z zasilacza wysokonapięciowego) przyłożone między fotokatodą a 1-szą dynodą. Padając na powierzchnię dynody, w wyniku emisji wtórnej, wyrzucają z niej kilka elektronów. Z kolei te elektrony przyśpieszane w polu elektrycznym wytworzonym pomiędzy 1-szą a 2-gą dynodą padając na powierzchnię dynody wybijają następne elektrony. Proces ten powtarza się na kolejnych dynodach. Mamy do czynienia z procesem lawinowego narastania (postęp geometryczny) liczby elektronów. Jeden elektron wybity z fotokatody może w drodze do anody zostać powielony o czynnik 10⁵ - 10⁹. Pojawiający się na anodzie ładunek powoduje powstanie impulsu napięciowego. Impuls napięciowy po wzmocnieniu może być zarejestrowany przelicznikiem.

2.2. PROPOZYCJE POMIARÓW WRAZ Z OPISEM METODY

W oparciu o poniższe tematy należy w porozumieniu z asystentem ustalić zakres badań:

1) Kontrola działania detektora cząstek a. Wykorzystać źródło a promieniotwórcze. Impulsy wyjściowe ze wzmacniacza można obserwować używając oscyloskopu OS rys. 3.

2) Pomiar aktywności ²¹⁸Po z