Radioaktivitás alapismeretek

Átírás

1 Radioaktivitás alapismeretek Tartalom Az atommag szerkezete, modellek Radioaktivitás (α, β, γ, K befogás, hasadás, fúzió) A sugárzások kölcsönhatása anyaggal, dózis fogalmak A sugárzások biológiai hatásának mechanizmusa Orvosi és ipari balesetek Katonai célú létesítmény- és fegyver balesetek Ermvi balesetek

2 Az atommag alkotórészei, szerkezete Proton Neutron Tömeg 1, g 1, g Töltés +1, C 0 Stabilitás igen nem np+e - +ν a

3 Az atommagok táblázata

4 A magtáblázáttal kapcsolatos fogalmak Izotóp: azonos protonszám (rendszám) Izotón: azonos neutronszám Izobár: azonos tömegszám

5 Az atommagok csoportosítása Stabil magok Elsdleges természetes radionuklidok Kezdettl léteznek; nagyon hosszú felezési id. Pl. 238 U, T ½ =4, év, 40 K, T ½ =1, év, 87 Rb, T ½ =4, év (Σ 26) Másodlagos természetes radionuklidok (Σ 38) Indukált természetes radionuklidok Pl. 3 H, T ½ =12,3 év, 234 Th, T ½ =24,1 nap (Σ 10) Mesterséges radionuklidok

6 Bomlási sorozatok vagy családok Tórium család (4n): 232 Th Neptunium család (4n+1): 237 Np (Mesterséges elemek családja) Urán család (4n+2): 238 U Actinium család (4n+3): 235 Ac

7 Kötési energia: Kötési energia E(Z,N)=(M p P+M n N-M(Z,N)) c 2 Szeparációs energia: E b =(M b +M r -M(Z,N)) c 2 Empírikus kötési energia formula: E(Z,N)=-U v A+Z (Z-1) A -1/3 +U f A 2/3 +U t (N-Z) 2 /(4 A)+U p U v =14.0 MeV U c =0.61 MeV U f =15.0 MeV U t =84.2 MeV U p =34 MeV ps-ps vagy ptl-ptl magra, 0 ps-ptl ptl-ps magra

8 Egy nukleonra jutó kötési energia

9 Az atommag héjmodellje

10 Az alfa és a béta bomlás A Z M 4 4 A ( γ Z N He ) E α = ( A A 4 4 M M He) 931, MeV Z Z *Nivóséma α energia=3-9 MeV/bomlás n p p + β +ν + n + β +ν p + β n +ν A Z A Z A Z M M M β energia=0,2-0,4 E max A N Z β + ν + ( γ A + Z 1N + β + ν + ( γ ) A Z 1N + ν + X + ( γ ) )

11 Gamma sugárzás és spontán hasadás A Z M * A Z M + γ ν γ energia = 2 kev-=mev = E E h Bels konverzió: energia átadás atomi elektronnak. E e =E m -E k Cf Sr+ Nd 2n

12 A sugárzások kölcsönhatása anyaggal Ionizáció Kinetikai energia átadása Atomi vagy molekuláris gerjesztés Magreakciók Radiatív (kisugárzó) folyamatok: nagy sebesség részecskék energiája EM sugárzássá konvertálódik (fékezési röntgen vagy Cserenkov sugárzás)

13 Az alfa sugárzás kölcsönhatása anyaggal (3-8 MeV) Az α részecskék a gázmolekulákat jó hatásfokkal ionizálják. A kilökött elektronok gyakran további (szekunder) ionizációt idéznek el Az energia másik része gerjesztést okoz. Hatótávolság Rutherford szórás, magreakciók: Pl. 9 Be(α,n) 12 C, vagy 11 B(α,n) 14 N

14 A β sugárzás kölcsönhatása anyaggal (0,01-10 MeV) Az elsdleges folyamat itt is ionizáció vagy gerjesztés Abszorpció: I=I 0 e -µ x ; µ=µ /ρ Felezési rétegvastagság: x 1/2 =ln2/µ ; d 1/2 =ln2/µ Maximális hatótávolság: 13 x 1/2 Fékezési röntgen sugárzás Cserenkov sugárzás

15 Α γ sugárzás kölcsönhatása anyaggal Fotóeffektus. Legvalószínbb 0,2 MeV alatt. Következmények: szekunder ionizáció, karakterisztikus röntgen sugárzás

16 Α γ sugárzás kölcsönhatása anyaggal Compton szórás. 0,6-2 MeV közt.

17 Α γ sugárzás kölcsönhatása anyaggal Párkeltés MeV felett.

18 A neutron sugárzás kölcsönhatása anyaggal Csak az atomaggal lép kölcsönhatásba Az alapvet kölcsönhatási formák Rugalmas ütközés (szórás) Rugalmatlan ütközés (szórás) Magreakciók létrehozása

19 A sugárzások által kiváltott magreakciók Jelölés: a+mn+b; vagy M(a,b)N A reakció energiája: E=(M M +M a -M N -M b ) 931,5 MeV Megmaradási tételek magreakciókban Klasszikus megmaradási tételek Impulzus Impulzusmomentum Energia Elektromos töltés Izotópspin Paritás

20 A magreakciók speciális esetei Neutron indukálta hasadás Magfúziók: D+H 3 He+γ+5,49 Me D+D 3 He+n+3,27 MeV D+T 4 He+n+17,57 MeV

21 A sugárzások hatása él szervezetre A sugárzás atomokat és molekulákat ionizál vagy gerjeszt Direkt hatás: az energia elnyelése és a kiváltott folyamat ugyanazon a molekulán következik be Indirekt hatás: az energia abszorpció és a kiváltott hatás különböz molekulákon következik be

22 A sugárzás hatásának idbeli lefolyása Idtartam Esemény Fizikai fázis s Gerj. atomok, H 2 O +, H 2 O, e - keletkezése Biol. fázis s s 10-3 s s/min órák napok Hetek Hónapok Évek További szabad gyökök keletkezése Diffúzió révén kölcsönhatás a biol. aktív mol-al Befejezdnek és fixálódnak a mol. változások Biomolekulafizikai, anyagcsere változások Sejtosztódás károsodás Idegrendszeri, és gyomor- bélelváltozások, Vérképz rendszer károsodás Tüdfibrózis Daganatok, genetikai károsodás

23 Inaktiváció Az inaktiváció mindig valamilyen funkcióra vonatkozik DNS szintézis gátlás Enzimszintézis gátlás, Sejtosztódás gátlás Egytalálatos inaktiváció: N=N 0 e -σ D vagy lnn/n 0 =-σ D Többtalálatos inaktiváció: N=N 0 (1-(1-e -σ D ) p ) vagy lnn/n 0

24 A DNS sérülései

25 A DNS sérülései A sérült szakasz javítása az ép szál kódja alapján A javító mechanizmus létezésének következménye: kis dózisoknál a reaktiváció az inaktivácót túlkompenzálja

26 A sugárhatást befolyásoló tényezk A sugárzás milyensége Oxigén Vegyi anyagok: protektívek vagy szenzitizálók Biológiai tényezk Hmérséklet

27 Szövetek és szervek sugárérzékenysége csökken sorrendben Nyirokszövetek Fehérvérsejtek, éretlen vörösvérsejtek Gyomor-bél nyálkahártya Ivarsejtek Br Erek Mirígyszövetek, máj Kötszövet Izomszövet Idegszövet

28 A dózis fogalmak áttekintése Elnyelt dózis: D egysége: G(ray)=1J/kg Egyenérték dózis: H T,R =W R D T,R (sievert; Sv) H T =ΣW R D T,R Effektív dózis: E=ΣW T H T, ahol W T a szöveti súly Kollektív dózis: S=ΣE i N i sugárzás x, γ, elektron Neutron Proton Alfa, nehéz magok W R Szövet, szerv Ivarszervek Csontvel, bél, tüd, gyomor Hólyag, mell, máj, nyelcs Br, csont Összes többi W T 0,20 0,12 0,05 0,01 0,05

29 Félhalálos dózis egész test γ sugárzás esetén Éllény Tengerimalac, juh Kutya, sertés ember Egér, patkány Nyúl, baromfi tekns denevér csiga amba LD 50/30 (Gy)

30 Éves sugárterhelés Komponens Évi effektív dózis (msv) Természetes forrás Kozmikus sugárzás 0,38 Kozmogén radioizotóp 0,02 Terresztikus sugárzás 2,00 Küls 0,46 Bels 1,54 Rn és leányelemei 1,30 Összes természetes 2,4 Mesterséges forrás Orvosi alkalmazás 0,43 Egyéb (pl. TV) 0,10 Nukleáris energia <0,01 Kutatási, oktatási alkalmazás <0,01 Nukleáris fegyver kísérletek <0,01 Nukleáris balesetek <0,02 Összes mesterséges 0,60 Összesen 3,00

31 Dózis korlátok Dózis féleség Effektív dózis Évi dózisegyenérték szemlencsére brre Kézre, lábra Foglalkozási korlát 20 msv/év (5 évente egyszer max 50 msv) 150 msv/év 500 msv/év 500 msv/év Lakossági korlát 1 msv/év (5 évente egyszer max 5 msv) 15 msv/év 50 msv/év

32 Radioaktív sugárzások mérése A sugárzások detektálása kölcsönhatásuk alapján lehetséges Meg kell tudni határozni a(z) sugárzás fajtáját (α, β, γ, stb.) sugárzás intenzitását (idegység alatt kibocsátott részecskék számát) sugárzás fluxusát (a felületegységre es intenzitást) energiáját Intenzitás idbeli csökkenését (felezési id)

33 Alapvet kölcsönhatások összefoglalása Ionizáció (fotoeffektus γ sugárzásnál) Kinetikus energia átadás (Compton szórás, neutronok rugalmas és rugalmatlan ütközései) Molekuláris és atomi szint gerjesztés Magreakciók Radiatív (kisugárzási) folyamat (pl. Cserenkov és Röntgen sugárzás)

34 A mérberendezés blokksémája

35 A mérés hatásfoka A mérrendszer által idegység alatt észlelt jelek száma (I): I = Ψ Ψ Ψ Ψ Ψ η forr geom absz der msze A Ψ forr : önabszorpció Ψ geom : a detektor látómezeje a 4π-hez képest Ψ abs : a közeg sugárgyengítése Ψ der : a detektor hatásfoka Ψ mszer : a mérrendszer csökkentési együthatója η. A sugárzás hozama A: a forrás aktivitása

36 A hatásfokot befolyásoló tényezk Ψ forr ~1: normál körülmények közt <1: nagy srség (2-3) vagy nagy kiterjedés minták (pl. talaj) 0,1 0,15: α- β- sugárzás Ψ geom A detektor felület/4 r 2 π; rendszerint kicsi, kis aktivitású mintáknál speciális elrendezéssel jelentsen javítható.

37 Mérési geometriák

38 A hatásfokot befolyásoló tényezk Ψ absz : Néhány cm-es leveg a γ sugárzást nem nyeli el, de kis energiájú β sugárzást jelentsen, az α sugárzást nagymértékben elnyeli. Ψ der : A detektor anyagot úgy kell megválasztani, hogy értéke közel 1 legyen Ψ msze : A feldolgozó elektronika holtidejébl származó veszteség 5%-nál kisebb legyen η : a mérés tervezésekor figyelembe kell venni, hogy egy bomlás során hány részecske keletkezik

39 Detektorok Gázionizációs detektorok Szcintillációs detektorok Félvezet detektorok Egyéb Nyomdetektorok (pl. ködkamra) Fotográfiai hatáson alapuló detektorok Termolumineszcens detektorok

40 Gázionizációs detektorok Ionizációs kamra Proporcionális számláló Geiger-Müller (GM) számlálók

41 Gázionizációs detektor

42 Karakterisztika

43 Ionizációs kamra Minden sugárzás detektálására alkalmasak Egyszerek, különböz geometriák alakíthatók ki, stabilan mködnek, viszonylag olcsók Integrális (átlagos ionizációs áram mérése) és impulzus üzemben is mködhetnek (az egyes impulzusokat külön-külön mérjük), az impulzus amplitúdója alapján az energiára is következtethetünk Töltgáz lehet akár leveg is.

44 Ionizációs kamra (folytatás) α kamrák: töltgáz nitrogén vagy nemesgáz küls forrás esetén belépablak biztosítása nyitott kamrák pl. gázátáramlásos kamrák aktivitás koncentráció mérésere β kamrák: lágy komponensek a gázban, keményebbek a kamra falában nyeldnek el γ kamrák: a kamra falában nyeldik el, az onnan kilép szekunder elektronokat detektáljuk

45 Gázersítés Proporcionális számláló Végablakos kiképzés A minta a mértérben van pl. folyamatos gázátáramlás mellett A keletkez negatív ionok torzíthatják a jelet, ezért a töltgáz nagy tisztaságú nemesgáz

46 Geiger-Müller (GM) számlálók Az impulzus nagyságát a sugárzás fajtája, energiája nem befolyásolja A több folyamat lejátszódása miatt kioltó gázra is szükség van (szerves molekulák vagy halogének) Csak impulzus számlálásra használható γ-sugárzásra a hatásfok csak 1-5%

47 GM-cs és a jelfeldolgozás

48 Szcintillációs detektorok Kristályos szilárd testek (szilárdtestek) sávszerkezete a: vezetk; b: szigetelk (W 2-10 ev); c: saját (intrinsic) félvezetk (W 1 ev)

49 A detektoranyag mködése A detektoranyagba jutó sugárzás gerjeszti az elektronokat Ezek a vegyérték sávba visszajutva energiájukat fény formájában adják le. Tiszta anyag esetén a fény az UV tartományba esik. Megfelel szennyezanyag adagolásával a tiltott sávban is keletkeznek energianívók. Az innen történ visszatéréskor kisugárzott fény a látható tartományba esik. A szcintillátorban keletkez fotonok száma arányos a sugárzás energiájával.

50 Fotoelektronsokszorozó (multiplier)

51 Transzformációs hatásfok (η): energia átalakítása fénnyé Szcintillációs detektorok I. Fénykibocsátás idtartama ns (lecsengési id) Karakterisztika a GM cs karakterisztikájához hasonló Szervetlen kristályok ZnS(Ag): η % Csak por alakban NaI(Tl): η 8-10 % 1 foton ev Nedvszívó, légmentesen le kell zárni. A burkolat az α és β sugárzást elnyeli. CsI(Tl): η 4-5 % Levegn is tartható

52 Szcintillációs detektorok II. Szerves szcintillátorok Antracén (C 14 H 10 ): η = 4 % Stilbén (C 14 H 12 ): η = 2 % Folyadék szintillátorok Toluolban vagy xilolban oldott terfenil, vagy difeniloxazol: η = 2-4 %. Lecsengési id 1 ns. A mérend anyagot a folyadékban oldják. Plasztik szcintillátorok Szintillátoranyag oldása polimerizációra hajlamos oldószerekben (pl. sztirol): η = 2 3% Lecsengési id: 1 ns

53 Szcintillációs detektorok használata I. α sugárzás: ZnS(Ag): energiamérésre nem alkalmas. ScI(Tl): energiamérésre. β sugárzás: Szerves, plasztik és folyadék szintillátorok γ sugárzás: Legelterjedtebb a NaI(Tl), de a CsI(Tl) is használatos

54 Szcintillációs detektorok használata II. Fényvéd burkolat α, β sugárzás: 0,8-1,2 mg/cm 2 Al fólia kis energiájú γ: 0,15-0,3 mm Be lemez Nagy energiájú γ: 0,5-1 mm Al lemez A FES fotokatódja Cs A dinódák száma A sokszorozás milliószoros is lehet

55 Szennyezéses félvezetk

56 Félvezet detektor típusok Felületi záróréteges detektorok kb. 0,01 nm vastag kiürítési tartomány; potenciálkülönbség alakul ki nagy ionizációs képesség, kis áthatoló sugárzás, pl. α mérésére Sajátvezetés (intrinsic) detektorok Si, Ge

57

58 Nyomdetektorok Egyéb detektor típusok Egyes szigetel anyagokban nehéz ionizáló részecskék nyomot hagynak, amely megfelel kezelés (maratás) után mikroszkóp alatt kiértékelhet

59 Dózismér eszközök Nem azonnal szolgáltatnak információt, hosszabb idtartam (expozíciós id) alatti integrális mérést tesznek lehetvé. A detektor anyagban hosszú ideig megmaradó változás jön létre, amely megfelel eljárással kiértékelhet.

60 Típusok Tolldoziméterek: tartomány: néhány msv Filmdoziméterek: megfelel szrt alkalmazva különböz sugárzásból elnyelt dózisok mérésére alkalmas. Tartomány 50 µsv-1 Sv Termolumineszcens doziméterek Gerjesztés hatására az elektronok a tiltott sáv energia csapdáiba kerülnek. Kiftés hatására a vezetési sávba kerülnek, majd fénykibocsátás mellett az alapsávba A fény szcintillációs detektorral mérhet

61 Nukleáris mérmszerek Impulzus detektorok: minden részecske detektálása során áramimpulzust adnak A leggyakoribb feladatok: Idpont meghatározás, Amplitudó mérés, Jelalakok egymástól való megkülönböztetése Jellegzetes áramimpulzus alakok Négyszög Exponenciális lecsengés Két alaptípus: Információ a beérkezésrl (GM cs) Energiára következtethetünk (prop. száml. szcint. det....)

62 Nukleáris mérmszerek

63 Nukleáris ersítk A detektorhoz illeszked zajszegény elersít A fersít a jelek ersítésének zömét és a jelformálást végzi Az ún. ablakersít a jelek bizonyos tartományának további ersítését végzi

64 Az ersítés mértéke Detektor típus Detektor kapacitás [pf] Töltésmennyiség [C] Imp. Id [µs] Imp Amplitudó [A] U ki = Q/C [V] U ki = I R [v] Ionizációs kamra , Prop. számláló , GM cs , , Szcint. számláló (NaJ(Tl) , , Felvezet detektor ,

65 Követelmények A kimenjel 1-10 V kell, hogy legyen Jelformálás Elkerülhetetlen Tudatos A jel/zaj viszonyt maximálni kell

66 Ersítk

67 Ersítk

68 Karakterisztika

69 Munkapont beállítás

70 Jelfeldolgozás

71 Jelfeldolgozó áramkörök: koincidencia, antikoincidencia áramkörök

72 Antikoincidencia áramkörök

73 Koincidencia- antikoincidencia tranzisztorokkal

74 Jelfeldolgozó áramkörök: integrális diszkriminátor

75 Differenciál diszkriminátorok

76 Id diszkrimináció Két jel egyidejségének megállapítása Két jel beérkezése közti id megmérése