A levegõ radonkoncentrációjának meghatározása

Átírás

1 A leegõ radonkoncentrációjának meghatározása 1. Beezetés A mérési gyakorlat során a leegõ aeroszol részeihez kötõdött röid felezési idejû radon bomlástermékek alfasugárzásának mérése alapján a leányelemek koncentrációjának meghatározásából köetkeztethetünk a leegõ radonkoncentrációjára. 2. Elméleti összefoglalás A természetes radioaktiitás jelentõs részét képezõ 238 U és 232 Th bomlási sorának egyik tagja nemesgáz, a 222 Rn illete a 22 Rn. Miel elõbbi felezési ideje 3,8 nap, utóbbié pedig 54 s, a talajból és a talaj alatti kõzetbõl, alamint épületek esetében az építõanyagokból elsõsorban a 222 Rn kerülhet ki a légtérbe. A sugárzás Felezési idõ Bomlási állandó Izotóp Sugárzás energiája [ MeV] [perc] [1/perc] [1/s] 222 RnRn alfa 5, ,26e-4 2,1e PoRaA alfa 6, 3,5,2272 3,78e PbRaB béta 1,2 26,8,2586 4,31e BiRaC béta 3,27 19,7,3518 5,86e PoRaC alfa 7,69 2,73e-6 2,54e táblázat A 222 Rn és röid felezési idejû bomlástermékeinek jellemzõ adatai A radon bomlása során keletkezõ leányelemek adszorbeálódnak a leegõben léõ aeroszolrészecskék (por, füst) felszínén, és a belélegzést köetõen lerakódnak az emberi légutakban (torok, légcsõ, hörgõk, tüdõ). Röid felezési idejük miatt hamarább elbomlanak, mintsem a szerezet tisztító mechanizmusa eltáolítaná õket. Dozimetriai szempontból különösen eszélyes az alfasugárzáuk, amelynek sugárzási tényezõje w R 2, azaz ugyanakkora abszorbeálódott alfaenergia húszszorannyi sejtkárosodást okoz a gamma- agy bétasugárzás energiájához képest. ( A dozimetria eli alapjait a Dózisteljesítménymérõ kalibrálása c. gyakorlat leírásánál ismertetjük. ) 3. A mérés ele A mérés alapelét TSIVOGLOU és munkatársai közölték 1953-ban. Miel a radon egészségkárosító hatása elsõsorban a röid felezési idejû, alfasugárzó leányelemeknek tulajdonítható, a mérés során e leányelemek koncentrációját határozzuk meg. Mintát eszünk a leegõben léõ aeroszolból, az aeroszolhoz kötött radon-leányelemek 1

2 mennyiségébõl köetkeztetünk a közöttük és az anyaelem között fennálló egyensúlyra (azaz a koncentrációk arányára), és ennek ismeretében számítjuk ki a 222 Rn koncentrációját. A röid felezési idejû 222 Rn -leányelemek közül a 218 Po (RaA) és a 214 Po (RaC ) alfasugárzó. A mérés során a leegõbõl szûréssel ett aeroszolminta alfasugárzását detektáljuk. A mérés körülményei között, a minta hosszabb idõt igénylõ radiokémiai feldolgozása nélkül nincs lehetõség a két eltérõ energiájú komponens egymás melletti, spektrometriás meghatározására, csak az alfasugárzás szelektí, azaz a szintén a radonleányelemektõl, alamint a mérõhely hátterébõl származó béta- és gammasugárzástól mentes mérése oldható meg. Erre a célra ZnS(Ag) szcintillációs detektort alkalmazunk. A radon-leányelemek radioaktiitása a szûrõn a mintaétel alatt nöekszik, majd annak leállítása után csökken. Valamennyi nuklidra igaz, hogy mennyiségük arányos a 222 Rn koncentrációjáal a leegõben, de a bomlás mellett a RaB, RaC és RaC nuklidjainak száma részben nöekszik is, a közetlen anyaelem bomlása köetkeztében. Aktiitásuk idõfüggése egy differenciálegyenlet-rendszerrel írható le. Ennek bemutatását mellõzzük, de a részletek ismerete nélkül is belátható, hogy ha a mintaétel befejezése után különbözõ idõpontokban megmérjük a mintából kilépõ alfasugárzás intenzitását, az mindig a leányelemek mennyiségének (aktiitásának) összegéel lesz arányos, és az egyes komponensek részesedése az összaktiitásból minden idõpontban különbözõ lesz. Miel három komponens mennyiségét kell meghatároznunk (a RaC aktiitása az igen röid felezési idõ miatt gyakorlatilag azonos lesz a RaC aktiitásáal), ehhez legalább három idõpontban kell mérési adattal rendelkeznünk, és ismerni kell az adott idõpontban érényes, egységnyi kiindulási koncentrációra onatkozó megoszlási arányt a komponensek között. Tsioglu és munkatársai meghatározták e megoszlási arányokat. 4. A mérési feladat A mintaétel kezdetének idõpontjában a leegõben a RaA, RaB és RaC koncentrációk különbözõ értékûek. A leegõminta ételének ideje alatt az aktí aeroszolok folyamatosan lerakódnak a szûrõre. A mintaétel befejezésének idõpontjában a szûrõn meghatározott számú RaA, RaB, RaC stb. atommag található. A RaA atommagok számát a szíás térfogati sebessége, a leegõ RaA tartalma és a mintaétel ideje alatti bomlások száma határozzák meg. A többi leányelem esetében figyelembe kell enni a bomlássor elõzõ tagjából származó aktí magok számát is. A szíás befejezése után az összegyûlt atommagok az 1. táblázatban megadott felezési idõkkel bomlanak. Az alfa-bomlásgörbe a RaA és RaC alfasugárzásának eredõjeként jön létre, de az idõbeli lefutást a többi leányelem is befolyásolja. A kiérteékelési módszer lényege: az alfa-bomlásgörbe 5., 15. és 3. percében meghatározott alfa-aktiitás értékeibõl köetkeztetünk a szíás befejezésének idõpontjában a szûrõn léõ RaA, RaB és RaC atommagok számára, majd ezek ismeretében kiszámítjuk az egyes izotópoknak a leegõben léõ koncentrációinak átlagértékeit a mintaétel idõtartamára onatkozóan. Végül a RaA, RaB és RaC aktiitásértékei alapján köetkeztetünk a radonkoncentrációra. 5. A méréshez szükséges eszközök és anyagok Aeroszolminták ételéhez jó hatásfokú leegõszûrõt kell használni, melynek felületén gyûlik össze a radioaktiitást is tartalmazó aeroszol. Mintaeõként olyan légsziattyút használunk, amely iszonylag nagy térfogatú leegõt képes mozgatni. A gyakorlat során FH-422 típusú elektrosztatikus szûrõel ellátott 2

3 mintaeõt használunk. Az elektrosztatikus szûrõ szûrési hatásfoka 3% körüli, a mintaeõ térfogatsebessége 25 m 3 /óra (417 dm 3 /perc). A szûrõ alfa-aktiitásának mérére szcintillációs alfa- detektort használunk. A detektort sornyomtatós számlálóhoz kötjük. A háttér leonása után az adatokat korrigáljuk az alfa-számlálás detektálási hatásfokáal és a szûrési hatásfokkal. Az alfa-aktiitás értékeit ábrázoljuk a szíás befejezése után eltelt idõ függényében. Ezzel megkapjuk a bomlásgörbét. A kiértékeléshez szükséges matematikai formulát egy bonyolult, lineáris inhomogén differenciálegyenlet-rendszer eredményeként kapjuk meg. 6. A mérés menete A izsgált leegõbõl 5 percen át leegõszûrõel aeroszolmintát eszünk. A mintaétel befejezése után 35-4 percen át egy-egy perces mérésekkel folyamatosan mérjük a leegõminta alfa-intenzitását. A mérési eredményeket ábrázoljuk a mintaétel befejezése után eltelt idõ függényében, majd az így nyert bomlási görbe alapján számítással meghatározzuk a radon három röid felezési idejû leányelemének (RaA, RaB, RaC) koncentrációját. A bomlástermékek koncentrációinak ismeretében meghatározzuk a radonkoncentrációt. 7 Kiértékelés Megrajzoljuk az alfa-bomlásgörbét: a szíás befejezésének idõpontjától számíta ábrázoljuk a szûrési hatásfokkal és az alfa-detektálás hatásfokáal korrigált értékeket.(szûrési hatásfok: 3%; detektálási hatásfok 15% ) Ne feledkezzünk meg a mérés elõtt meghatározott háttér korrekciójáról! A bomlásgörbérõl leolassuk az 5., 15. és 3. perchez tartozó értékeket. Kis radonkoncentráció esetén szükséges lehet a nukleáris számlálás statisztikus szórásának csökkentése, megfelelõ grafikus agy számítási eljárással, amelynek részleteit a gyakorlat alkalmáal határozzuk meg. Jelöljük a leolasott értékeket A(5), A(15) és A(3) szimbólumokkal. (Dimenziójuk [bomlás/perc]) Az A(5), A(15) és A(3) ismeretében kiszámítjuk a szûrõn a mintaétel befejezésének idõpontjában felhalmozódott RaA, RaB és RaC atommagok számát. Jelöljük ezeket rendre N o RaA, N o RaB és N o RaC szimbólumokkal. A számítás egyenletei: N o RaA 17,3*A(5)-39,3*A(15)+24,8*A(3) [1] N o RaB -6,9*A(5)-84,9*A(15)+16,6*A(3) [2] N o RaC -9,1*A(5)+11,5*A(15)-83,8*A(3) [3] Az N o RaA, N o RaB és N o RaC ismeretében, alamint a szíási sebesség ( 417 dm 3 /perc) felhasználásáal kiszámítjuk a leegõ RaA, RaB és RaC koncentrációértékeit atom/liter egységben. Jelöljük ezeket rendre Q RaA, Q RaB és Q RaC -el, ekkor: Q RaA. 335 N RaA [4] 3

4 Q Q RaB RaC. 213 NRaB. 47 QRaA ( ). 218 NRaC. 24 QRaA QRaB [5] [6] A Q RaA,Q RaB és Q RaC koncentrációértékeket a λ bomlási állandók segítségéel aktiitáskoncentrációkká számítjuk át ( ugyanis A λ * Q ), ekkor Bq/m 3 -ben kapjuk az eredményeket. A f RaA3,78*Q RaA [7] A f RaB,431*Q RaB [8] A f RaC,586*Q RaC [9] Az eddigi eredményekbõl köetkeztetünk a radonkoncentrációra az 1. ábra segítségéel. Itt a két hosszabb felezési idejû leányelem, a RaB és a RaC koncentrációja aránya, a Q RaC /Q RaB hányados függényében ábrázoltuk a ZA f Rn/A f RaB hányados értékeit. Miel az elõzõekben a Q RaB, Q RaC és A f RaB értékeit már kiszámoltuk, így az ábra alapján meghatározott korrekciós tényezõel megkapjuk a 222 Rn koncentrációját: A f RnZ*A f RaB [1] A koncentráció szórásának pontos meghatározásához a felhasznált számítási eljárás egyes mûeleteinek hibaanalízise is szükséges lenne. Közelítésképpen a bomlásgörbérõl leolasott legkisebb intenzitás relatí hibáját alkalmazzuk a koncentráció hibájának becslésére. 4

5 1. ábra Korrekciós tényezõ a radonkoncentráció számításához a RaB és RaC komponens koncentrációhányadosának függényében 8. Ellenõrzõ kérdések Miért nem elegendõ egyetlen mérést égezni a radon koncentrációjának meghatározására az alfasugárzás ZnS(Ag) detektorral aló mérése során? Mennyire befolyásolja a meghatározást az, hogy a izsgált légtérben mennyi az aeroszol (por, füst) mennyisége? Milyen köetkeztetést lehet leonni abból, ha a RaB és RaC komponensek koncentrációjának arányából a mérés során 1-nél kisebb egyensúlyi korrekciós tényezõ adódik? 9. Ajánlott irodalom Virágh Elemér : Sugárédelmi ismeretek ( Mérnöki Toábbképzõ Intézet jegyzete, 199.) 5