Sugárvédelem II. 1. Bevezetés (áttekintés - ismétlés): fizikai és biológiai dózisfogalmak; az ionizáló sugárzás károsító hatásai; sugárvédelmi elvek és szabályozás 2. A külső dózis- és dózisteljesítmény mérésének elve és kivitelezése 3. A belső sugárterhelés számítása. A belső sugárterhelés meghatározásához szükséges mérési eljárások 4. Környezeti és biológiai minták instrumentális analízise. Radon meghatározása. Igen kis aktivitások mérésének sajátosságai. 1
Ajánlott irodalom Fehér I., Deme S. (szerk.): Sugárvédelem (ELTE Eötvös Kiadó, Bp., 2010.) Kiss D., Horváth Á., Kiss Á.: Kísérleti atomfizika (ELTE Eötvös Kiadó, Bp., 1998) Előadásvázlat: http://www.reak.bme.hu/munkatarsak/dr_zagyvai_peter/letoeltes.html 2
Követelmények Laboratóriumi gyakorlatok A félév 2. felében 4 órás bemutatók és feladatok 1) Egésztestszámlálás (MTA EK KVSZ) 2) Radonmérés és környezeti monitorozás (MTA EK KVSZ) 3) 3 H és 14 C meghatározása (MTA EK KVSZ) 4) Dózisteljesítménymérő és TL dózismérő kalibrálása és kiértékelése (MTA EK SVL) 5) Árnyékolás - MICROSHIELD (NTI) 6) Neutrondozimetria (NTI) Vizsga: a félév végén, illetve (opcionálisan) 2 évközi dolgozatra osztva az anyagot. Dolgozatok: III. 29. és V. 17. 3
Bomlási módok E p (E m E kin ) E bs p: a bomlási folyamatban kibocsátott részecskék m: nyugalmi tömeg E i, kin : kinetikus (mozgási) energia E bs : a bomlás utáni nuklid visszaszórási energiája Bomlási módok: α, β ( közvetlen ),γ ( kísérő ), f (maghasadás, összetett ) Az alfa-bomlás során a gerjesztett atommag egy hélium atom pozitív elektromos töltésű atommagját bocsátja ki 3-9 MeV mozgási energiával. Az alfa-bomlás során az atommag tömegszáma 4-gyel, protonszáma 2-vel csökken, így az atommagon belül a protonok taszításából származó, a nukleonok kötését gyengítő elektrosztatikus energia is jelentősen csökken. Hajtóereje az erős kölcsönhatás. Diszkrét energiaváltozás: E kin jellemző az adott radioizotópra, de megoszlik a részecske mozgási energiájára és a visszalökött mag energiájára. Az alfa-bomlás hajtóereje a nukleonok közti erős kölcsönhatás. Az α-részecske nyugalmi tömege kb. 3,8 GeV-tal ekvivalens. 4
Bomlási módok Béta-bomlás: A részecskékre jutó kinetikus energia változó arányban megoszlik az elektron/pozitron és a neutrínó/antineutrínó között, ezért az elektron(pozitron) kinetikus energiája nem diszkrét. A bomlás hajtóereje a nukleonok közti gyenge kölcsönhatás. 1) β - : elektron és antineutrínó kibocsátása n p + + e - + ν: a rendszám eggyel nő 2a) β + : pozitron és neutrínó kibocsátása p + n + e + + ν: a rendszám eggyel csökken antianyag annihiláció: megsemmisülés e e 2 f 2b) elektronbefogás (EC electron capture) neutrínó kibocsátása p + + e - n + ν: a rendszám eggyel csökken Az elfogyott pályaelektron pótlódik egy külső pályáról kísérő karakterisztikus röntgensugárzás keletkezik A β-részecske nyugalmi tömege 0,51 MeV-tal ekvivalens. 5
Bomlási módok Gamma-átmenet: a magon belüli átrendeződés energiacsökkenéssel és ugyanakkor nyugalmi tömeggel és töltéssel nem rendelkező foton kibocsátásával jár. A γ-bomlás hajtóereje nem határozható meg közvetlenül, mint az α- és β-bomlásé, mert ez a bomlási mód csak más magátalakulások maradék energiájának leadása során következik be. A foton(ok) energiája diszkrét, azonos a megváltozott állapotú belső részecske által betöltött előző és következő energiaszint különbségével, ezért jellemző az adott radioizotópra. A mag belső energia-eloszlásának változása egyes esetekben (főként nagy tömegszámú magoknál és kisebb energiaváltozásoknál, Εγ<2-300 kev) nem foton kibocsátásával jár, hanem az energia egy, általában belső, szimmetrikus atompályán rezidens (azaz a magon belül is >0 valószínűséggel tartózkodó) elektron mozgási energiájává alakul. Ez a belső konverzió (internal conversion, IC), amit szintén karakterisztikus röntgenfoton kell, hogy kövessen. E E e E,kin e,köt A belső konverziós elektron energiája diszkrét! 6
A sugárzások és az anyagi közeg kölcsönhatása A közeg kölcsönhatásra képes alkotórészei: elektronok, az atom elektromágneses erőtere, atommag. A közeg és a sugárzás közötti kölcsönhatás szerint: - Determinisztikusan ionizáló sugárzások: α, β = közvetlen ionizáció - Sztochasztikusan ionizáló sugárzások: γ, röntgen az elektronoknak képesek azok ionizációjához elegendő energiát átadni, a kölcsönhatás valószínűsége erősen energiafüggő; neutron: atommagokkal való kölcsönhatás során ionizációra képes részecskéket kelt = közvetett ionizáció Az elektronokkal való sokszoros ütközés nem minden esetben vezet ionizációhoz. A sugárzás által több lépésben átadott energia egy jelentős része (>50 %-a) nem ionizációt, csak gerjesztést eredményez, azaz összességében a közeg termikus energiáját növeli meg. A gyorsan mozgó szabad töltéshordozók (α 2+, β - és β + -részecskék, ionizációra képes szekunder elektronok) az atomok elektromágneses terében fékeződve járulékos fotonsugárzást = folytonos röntgensugárzást kelthetnek. 7
Alfa- és bétasugárzás abszorpciója az anyagban R: hatótávolság (range) 8
Lineáris energiaátadási tényező (LET) alfa- és bétasugárzásra Bragg-csúcs LET = de/dx (stopping power = fékezőképesség) 9
Alfa- és bétasugárzás kölcsönhatása anyagi közeggel α-sugárzás LET-értéke vízben: ~100 kev/μm Energiaátvitel: - elektronnal: ionizáció/gerjesztés; - atommaggal: egyes célmagokkal (pl. Be) [α,n] magreakció lehetséges, ha E α >E küszöb ; neutronforrások: Pu(Be), Am(Be)) a magreakciókat általában prompt γ-sugárzás megjelenése is kíséri Hatótávolság (range) vízben 40 μm (5,3 MeV-re), levegőben néhány cm. β - -sugárzás LET-értéke vízben: <5 kev/μm (közepes energiákra <1 kev/μm) Energiaátvitel: - elektronokkal ütközés (collision) ionizáció/gerjesztés; - atomok elektromágneses erőterével: fékezési sugárzás (Bremsstrahlung, folytonos röntgensugárzás, intenzitása az elektron energiájával és az elnyelő közeg rendszámának négyzetgyökével arányos), Cserenkovsugárzás: az adott közegben érvényes fénysebességnél nagyobb sebességű elektron látható fényt is kibocsát. Hatótávolság (range) vízben mm - cm nagyságrendű, lényegesen kisebb, mint az energia-átvitelben részt vevő elektronok összes megtett úthossza. 10
Bétasugárzás kölcsönhatása az anyaggal fékezési sugárzás "Critical energy" is defined as the energy at which the collision loss rate equals the bremsstrahlung rate. Bremsstrahlung leads to transverse shower development. Z Element Critical energy (MeV) 3 Lithium 149 14 Silicon 40 29 Copper 19,4 47 Silver 12,4 82 Lead 7,4 11
Interactions of alpha-particles Nuclear reaction Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 12
Interactions of electrons Bremsstrahlung = X-rays Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 13
Interactions of positrons Annihilation photons Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 14
Közelítő összefüggések α-részecske hatótávolsága levegőben: R (cm) = 0,318.E 3/2 E: energia MeV-ben α-részecske hatótávolsága bármely anyagban: R m,α (g.cm -2 ) = 10-4 (A.E 3 ) 1/2 E: energia MeV-ben, A: az elnyelő anyag atomvagy molekulatömege. β-részecske hatótávolsága bármely anyagban: R m,β (g.cm -2 ) E max /2 E max : a maximális β-energia MeV-ben 15
Sztochasztikus (közvetett) ionizáció A neutronok az általuk mozgásba hozott töltött részecskék révén, illetve az általuk aktivált atommagok prompt- és bomlási sugárzása révén okoznak közvetett ionizációt. A neutronokkal való kölcsönhatás véletlenszerű. A fotonok elektronnal ütközve kis valószínűséggel ionizálnak, de az adott anyagban szabaddá váló töltések döntő részét a foton energiáját egészben vagy részben átvevő primer elektron energiája hozza létre. Ha a foton megmarad, valószínűleg egy távoli térfogatrészben lép újból kölcsönhatásba. 16
Interactions of neutrons Thermal neutron absorption Fast neutron spallation Inelastic scattering Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 17
Gamma-sugárzás kölcsönhatása anyagi közeggel Foton energiaátadása részben hullám- részben anyagi természetű rendszernek ütközés Elektronnal (ionizáció többféle kölcsönhatásban, lásd később) Atommaggal (abszorpció, [γ,n] magreakció, általában >5 MeV energiaküszöb felett) Atom elektromágneses erőterével (küszöbreakció, csak >>1,02 MeV energiánál)) Általános törvényszerűség: sztochasztikus (véletlenszerű, hullámtermészetű) kölcsönhatás: nem mechanikus az ütközés Az energiát átvett elektronok kinetikus energiája: - További ionizációt okozhat; - Ionizáció nélküli gerjesztést okozhat; - Fékeződéssel szekunder fotonsugárzás (folytonos röntgensugárzás) keletkezik; - A kiütött elektron helyére belépő külső pályaelektron energiatöbblete karakterisztikus röntgensugárzást hoz létre. 18
Gamma-sugárzás kölcsönhatásai teljes abszorpció A foton teljes kinetikus energiáját átadja a vele ütköző elektronnak. Mivel E f >> E ion, ezért az elektron nagy sebességgel távozik az atompályájáról. A foton megszűnik. A kölcsönhatás valószínűsége erősen függ a rendszámtól és az elektronpálya sajátosságaitól. Legvalószínűbb az abszorpció a K héjon, ha az átvehető energia elég nagy ehhez. (régebbi nevén: fotoeffektus) E f = E e,kin + E e,ion Ez és a következő két ábra Bódizs Dénes Magsugárzások méréstechnikája c. könyvéből való. 19
Gamma-sugárzás kölcsönhatásai Compton-szórás A foton kinetikus energiát ad át a vele ütköző elektronnak. Mivel ΔE f >> E ion, ezért az elektron nagy sebességgel távozik az atompályájáról. A szórt foton az eredetinél kisebb energiával továbbhalad. A kölcsönhatás kevéssé függ a rendszámtól és az elektronállapottól. E f = E f + E e,kin + E e,ion 20
Gamma-sugárzás kölcsönhatásai - párkeltés A foton az atom (az atommaghoz és az elektronokhoz egyaránt tartozó) elektromágneses erőterével lép kölcsönhatásba: átadja annak teljes energiáját és megszűnik. Az átvett energiából az atommag erőterében egy e - és e + (pár) keletkezik. A kölcsönhatás valószínűsége nő a rendszámmal. E f =E e-,m +E e-,kin +E e+,m +E e+,kin Csak akkor lehetséges, ha E f > 2 E e,m, azaz E f > 1022 kev 21
Interactions of photons Pair production Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 22
Fotoneutron-reakciók kis küszöbenergiával 23
Gamma-sugárzás intenzitásának gyengülése anyagi közegben di = -I(x) n c dx I: részecskeáram [darab/s] σ: kölcsönhatási valószínűség egy partnerre [-] n c : ütközési partnerek száma egységnyi úthosszon [darab/m] μ = σ.n c = kölcsönhatási valószínűség [1/m] I I 0 e x Egyszerű modell: - Párhuzamos sugárnyaláb - Azonos részecskeenergia - A kölcsönhatás bármilyen típusú energiaátadást jelent Integrálás után: általános gyengülési egyenlet 24
Gamma-sugárzás kölcsönhatása anyagi közeggel I I0 exp( x) μ: összetett lineáris gyengülési együttható Az energia-átvitel több versengő (egymást kölcsönösen kizáró) forma közül egyszerre mindig csak egy formában történik. (Compton-szórás, teljes abszorpció, párkeltés) μ = μ 1 + μ 2 + μ 3 HVL : egységnyi tömegre vonatkozó gyengülési együttható [m 2 /kg vagy cm 2 /g] ln 2 HVL: half value layer felezési rétegvastagság 25
Neutronok Fotonok Átlagos szabad úthossz = 1/µ Átlagos szabad úthossz = mean free path (MFP) = a közvetetten ionizáló részecskék és az anyag közötti kölcsönhatás egyik mérőszáma. A modell azonos a fotonokra és a neutronokra. Víz Ólom Sugárzás Víz Ólom Gamma-fotonok 60 Co 16 cm 1,6 cm Hasadási neutronok 8,1 cm 14 cm Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation 26
Interactions of photons energy dependence Source: http://www.nuclear-power.net/nuclear-power/reactor-physics/interaction-radiation-matter/interactiongamma-radiation-matter/#prettyphoto/2/ 27
Gamma-sugárzás és az anyag kölcsönhatása rendszám- és energiafüggés Ez és a következő ábra Nagy L.Gy. - László K. Radiokémia és izotóptechnika c. tankönyvéből való 28
Gamma-sugárzás és az anyag kölcsönhatása a kölcsönhatások rendszám- és energiafüggése 29
Fotonsugárzás gyengítési és abszorpciós együtthatója Kétféle felosztás az összetett sugárgyengítési tényezőre: TA CS PP μ = μ e + μ f Az energiaátadási kölcsönhatás típusa szerint Az energiát átvevő részecskék típusa szerint µ e = elektronok mozgási energiájának növekedéséhez vezető folyamat valószínűsége (a szekunder részecskék már nem tesznek meg nagy távolságot); µ f = szekunder fotonok mozgási energiájának növekedéséhez vezető folyamat valószínűsége (a fotonok nagy távolságra is eljuthatnak) KERMA = kinetic energy released in material absorption = a másodlagos részecskék mozgási energiájává alakult sugárzási energia 30
Gamma-sugárzás kölcsönhatása anyagi közeggel Árnyékolás (shielding): a foton- vagy neutronsugárzás sugárzás intenzitásának csökkentése árnyékoló anyagokkal. Fotonsugárzásra az általános gyengülési egyenletből: I BI0 exp( x) B: Build-up tényező a szórt (szekunder) sugárzás azon része, amely a gyengítetlen nyalábbal egy irányban (a mérőeszköz vagy a dózist kapó személy felé) halad B nem konstans, függ a rendszámtól és (µx)-től mindkettővel monoton nő. Számítása pl.: http://www.radprocalculator.com/files/shieldingandbuildup.pdf Melyik µ-t használjuk az árnyékolás számításában? Az összetettet, mert a fotonok eltérítése is kedvező esemény. 31
Build-up tényezők Magyarázó ábra a RadPro Calculator freeware programmal működő internetes oldalról 32
Build-up tényező energiafüggése B Build-up tényező gammasugárzás gyengülése számításához vízben k MFP 33
Dózis = az ionizáló sugárzásból elnyelt energia D de dm E m J kg,gray, Gy Elnyelt dózis = Absorbed dose Fizikai dózis: az anyag tömegegységében elnyelt összes (ionizációra és gerjesztésre fordított) sugárzási energia, csak fizikai kölcsönhatásokat foglal magába. Bármelyik ionizáló sugárzásra értelmezhető. Csak ionizáló sugárzásra értelmezett, de a teljes átadott energiát jelenti. Nem tartalmazza az anyagból kilépett (szórt, szekunder) sugárzási energiát. Egyesíti a különböző forrásokból származó energia-beviteleket. 34
Dózis és sugárgyengítés összefüggése A A 2 m Z e atom N V A A M atom mól 3 m mól m A m 2 3 = lineáris energiaátadási tényező = térfogategységre jutó hatásos ütközési/gyengítési keresztmetszet / = tömegabszorpciós tényező = tömegegységre jutó hatáskeresztmetszet LET = de/dx = lineáris energiaátadási tényező σ e = elektron hatásos ütközési keresztmetszet (valószínűség-jellegű mennyiség) σ A = atomi hatásos ütközési keresztmetszet ütközés: abszorpció vagy rugalmatlan szórás ρ A = atomsűrűség [darab/m 3 ] / [m 2 /kg] 35
Külső foton-dózisteljesítmény dd dt E Af RE E 2 4r R Φ E : energiaáram-sűrűség (fluxus = fluencia idő szerinti deriváltja) [J/(m 2 s)] A = dn/dt: a sugárforrás aktivitása [bomlás/s = Bq] f R : részecske-(foton)gyakoriság [foton/bomlás] E R : fotonenergia [J/foton] Érvényesség: pontszerű γ- dd dt k A 2 r sugárforrásra, gyengítetlen (primer) fotonsugárzásra. Izodózis-felület = gömb Négyzetes gyengülési törvény a dózisszámítás alapja k γ : dózistényező, szokásos dimenziója: [(μgy/h)/(gbq/m 2 )] 36
Egynél több fotont kibocsátó γ- sugárforrás dózistényezője j = összegzés az egyes energiákra k = közeg k j f j E j 4 k, j Dózisteljesítmény számítása nem pontszerű (kiterjedt) sugárforrásra: - a felület explicit függvényeként; - pontszerű elemekre bontással; - önabszorpció és build-up figyelembe vételével; MICROSHIELD program a laboratóriumi gyakorlaton A személyi dózis számításához nem a teljes µ -t, hanem csak az elektronokkal történő ütközések hányadát ( particle KERMA ) kell felhasználni! P A j f j E j Forráserősség (Source Power) [kev/s] = energiaáram a tér minden irányába 37
Point kernel: Source behind a shield HVL: half value layer (felezési rétegvastagság) = ln(2)/µ IAEA ERP Course Module L-ER-10. Characterization of External Emergency Exposure 38
Elementary source-target geometries Module L-ER-10. Characterization of External Emergency Exposure 39
Adjustment of point kernel Module L-ER-10. Characterization of External Emergency Exposure 40
Dose vs. distance from a source Module L-ER-10. Characterization of External Emergency Exposure 41
Mérhető és valódi dózis KERMA: kinetic energy released in material absorption/attenuation http://physics.nist.gov/physrefdata/xraymasscoef/chap3.html 42
E f KERMA E E el. m el. mm E * f E f az m tömegbe belépő foton energiája; E f * a kilépő szórt fotonok maradék energiája; Szummák: az m tömegben maradt elektronok által felvett összes mozgási energia, ill. a tömeg határain kívülre jutott elektronok összes mozgási energiája. A két szumma jelenti az úgynevezett részecske kermát, a szórt fotonok kinetikus energiája pedig a sugárzási kermát. 43
Elnyelt dózis és KERMA Szekunder részecske egyensúly (SzRE): E. m (mm) E el el. (mm) m Ekkor az elnyelt dózis kb. azonos lesz az adott tömegrészben felszabaduló teljes részecske KERMÁ-val. Az emberi szervezetbe irányuló foton- és elektronsugárzásra az SzRE 70 μm mélységben beáll. KERMA = a mérőberendezés dózisa (a detektor térfogata homogén: bárhol éri ionizáló sugárzás, ugyanolyan válaszjel keletkezik benne) 44
Elnyelt dózis és KERMA A KERMA (azaz dózis vagy dózisteljesítmény) mérésére szolgáló berendezéseknél megadják, hogy milyen névleges mélységű inaktív réteg borítja a detektort. H P (10)=személyi dózisegyenérték 10 mm mélyen a testszövetben H*(0.07)=környezeti dózisegyenérték 70 μm mélyen a testszövet-ekvivalens ICRUgömbfantomban D 45
Külső sugárterhelés mérése Dózismérés: utólagos kiértékelés személyi dozimetria filmdózismérő - kémiai változás TLD: szilárdtest-dózismérő (termolumineszcencia) elektronikus dózismérők: elektroszkóp, impulzusüzemű gáztöltésű és félvezető detektorok Dózisteljesítmény-mérés: azonnali kiértékelés területi dozimetria impulzusüzemű gáztöltésű detektorok szerves szcintillációs detektor korrigált félvezető és szervetlen szcint. detektorok 46
Külső sugárterhelés pontos mérésének feltétele szövetekvivalencia A detektort és a mérendő személyt azonos távolságba helyezve a sugárforrástól mindkettőt azonos energiafluxus éri ekkor a két céltárgy dózisa csak a két abszorpciós együttható miatt különbözhet. D D x m E,x E,m x m f m Az abszorpciós együttható energiafüggése legyen azonos a detektorra és a testszövetre = szövetekvivalens detektor; energiafüggetlenség = azonos energiafüggés a két közegre 47
Külső dózis mérési pontossága 1.4 1.2 Dmért/Dszám A szövetekvivalencia feltétel teljesülése ± 20 %-on belül elvárható. 1 0.8 0.6 Dmért/Dszám 0.4 0.2 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 E γ [kev] 48
Külső dózis mérése Azonnali vagy összegzett válaszjel-kiértékelés = Dózisteljesítmény- vagy dózismérés. I D D D ε D : dózisteljesítmény-mérési hatásfok (arányossági tényező) cps nsv / h D 1 D E I( E) 1 D E I0( E) exp B ( E) x B D: detektor B: gyengítő közeg (pl. detektor ablaka, fala) 49
Külső dózis mérése Ha a detektorhatásfok energiafüggetlensége nem teljesíthető, spektrális felbontás alkalmazása is szóba jöhet: D g I D, g D, g g: energiacsoportok jele, amelyekre nézve ε D konstansnak tekinthető. 50
Dózisteljesítmény mérése az energiafüggés figyelembe vételével Dózisteljesítmény-mérés energiaspektrumok alkalmazásával: az egyes energiatartományokhoz azonos intenzitás/dózisteljesítményátszámítási tényezőt (hatásfokot) rendelhetünk. 51
Az ionizáló sugárzások biológiai hatásai A biológiai hatások osztályozása: Szomatikus: egy biológiai egyeden jelentkezik Genetikai: egy populáción jelentkezik Determinisztikus: A károsodás súlyossága függ a dózistól, a hatás egy bizonyos küszöbdózis fölött következik be. Sztochasztikus: A károsodás valószínűsége függ a dózistól, küszöbdózis nincs, a károsodás mértéke nem függ a dózistól. 52
Az ionizáló sugárzás determinisztikus hatása Determinisztikus hatás: - küszöbdózishoz kötött (legérzékenyebb szövetek: 0,3 0,4 Gy, embrió: 0,1 Gy) - szövetpusztulást (nekrózis) okoz a sugárzás, ennek mértéke a küszöbérték felett arányos a dózissal - akut/azonnali hatás - életveszélyes károsodások: központi idegrendszer, emésztőrendszer, vérképző rendszer Hatás 100% 0% Küs zöb Dózis 53
Determinisztikus dózisfogalom ND = D. RBE(R) ND: necrotic dose = szövetpusztulást okozó elnyelt dózis RBE: relative biological effectiveness = relatív biológiai károkozó képesség besugárzási helyzetenként eltérő!! R: sugárzásfajta 54
Determinisztikus dózis: a sugárzás minőségének hatása Module L-ER-5. Evaluating a Health Risk of High Dose Exposure 55
Determinisztikus dózis: sugárzás minőségének hatása áthatoló sugárzás esetén Szerv: Hatás Bármely szerv: pusztulás Bőrszövet: pusztulás Besugárzás RBE Fotonok 1 Neutronok 3 Külső bétasugárzás 1 Module L-ER-5. Evaluating a Health Risk of High Dose Exposure 56
Determinisztikus dózis: sugárzás minőségének hatása kevéssé áthatoló sugárzás esetén Hatás: Szerv Sugárzás RBE R,T Gyulladás: Béta 1 Légzési rendszer részei Alfa 7 Gyomor-bél szindróma: Belek Hipotireózis: Pajzsmirigy Csontvelő szindróma: Vörös csontvelő Béta 1 Alfa 0 Kisenergiájú ( * ) 1/5 Egyéb 1 Béta 1 Alfa 2 ( * ) 129 I, 125 I, 124 I, 123 I Module L-ER-5. Evaluating a Health Risk of High Dose Exposure 57
Vérképzés = vörös csontvelő károsodása A determinisztikus károsodás = nekrózis függése a dózisteljesítménytől (állatkísérletek!) Module L-ER-5. Evaluating a Health Risk of High Dose Exposure 58
Az ionizáló sugárzás sztochasztikus hatása A fő célpont a sejtmag DNS-állománya DNS: cukor- és foszfátcsoportokból felépülő kettős spirál, amelyekhez szerves bázisok kapcsolódnak. Láncelem: nukleotid. A láncot a bázisok között hidrogénhidak tartják össze. DNS-ből felépülő örökítő elemek: kromoszómák. A DNS a sejtet felépítő fehérjék összetételét kódolja. Gén: a DNS egy fehérjét kódoló, vagy egy sejti tulajdonságot meghatározó darabja. A gének együtt alkotják az egyed genetikai információit tartalmazó genomot. 59
Az emberi sejt modellje 60
Az emberi sejtmag modellje Membrán - burkolat - félig áteresztő - elválasztja a sejtmagfolyadékot a citoplazmától Nucleolus RNS-t tartalmaz - fehérje és DNS szintézis DNS a genetikus kódot tartalmazó makromolekula 61
Az ionizáló sugárzás determinisztikus és sztochasztikus hatása Sejti életciklus: mitózis interfázis mitózis vagy apoptózis Sejti rendszerek sérülése: - Azonnali pusztulás: nekrózis - Életképtelenség: apoptózis - DNS-lánchibák: fennmaradás mutáció DNS lánchibák javítása repair enzimekkel 62
Sztochasztikus sugárhatás Találat Dysplasia Jóindulatú daganat Rákos daganat Évek a besugárzás után IAEA Course: Basics of Radiation Protection Dosimetry of Ionizing Radiation 63
ABSC Life Span Study mortality (1950-2002) Diseases Deaths observed expected excess Attributable fraction Solid cancer 6 718 6 205 513 8.3% Leukemia 317 219 98 44.7% 86 611 people with evaluated dose 38 509 with Colon dose < 5 msv (mean = 0.2 msv) 37 401 with Red marrow dose < 5 msv 64
A sztochasztikus hatáshoz vezető biológiai dózis fogalma Egyenértékdózis a sejti szintű maradandó, mutációt okozni képes kártétel mértéke arányos a sugárzás LET értékével H = D.w R [Sievert, Sv] w R sugárzási tényező (Q minőségi tényezőből képezve) - a LET függvénye, független az expozíciós körülményektől! w R,α = 20 w R,γ = 1 w R,β = 1 w R,n = 2.5 20 a neutron-energia függvényében Antropomorf dózisfogalom és mértékegység: az emberi szövetek, sejtek viselkedése befolyásolja a dózisértéket. 65
Az ionizáló sugárzás egészségkárosító hatásai - Sztochasztikus hatás: - nincs küszöbdózis (kis dózisok hatása nem igazolt) - sejtmutációt okoz a sugárzás (javító mechanizmus) - kockázat-dózis-függvény lineáris (?) - a károsodás mértéke nem függ a dózistól Kockázat m=5*10-2 /S v Az egyénre vonatkozó kockázati függvény a szövetek kockázati függvényének összege Dózis A függvényt a Hiroshima és Nagasaki japán nagyvárosok elleni 1945-ös atombomba-támadás túlélőinek epidemiológiai statisztikájából (Atomic Bomb Survivors Cohort = ABSC) vezették le. 66
Thyroid cancer stochastic effect of 131 I incorporation Consequences of Chernobyl release An increase in thyroid cancers was easily observed due to low background BUT the dose/risk dependence could NOT be established No increase in others cancers seen in public statistics Latency period 67
Thyroid cancer cases versus distance from damaged reactor Excess thyroid cancers by 1998 does not show inverse dependence with distance from NPP Explanation: iodine uptake was due to milk consumption, not inhalation it should have been avoided 68
A dózist okozó sugárforrás és a dózist elszenvedő személy kölcsönös pozíciója szerint külső és belső sugárterhelés jöhet létre. E T T w H T T wt[sv] 1 Effektív dózis (gyakran jelölik H E -vel is) w T szöveti súlyozó tényező Szöveti súlyozó tényezők az ICRP#103 (2007) szerint: ivarszervek w T =0.08 (genetikus hatás) szomatikus hatások legérzékenyebbek w T =0.12 tüdő, gyomor, belek, vörös csontvelő, emlő érzékenyek w T =0.04 máj, vese, pajzsmirigy stb. kissé érzékeny w T =0.01 bőr, csontfelszín Az adatok az általános daganatos statisztikából származnak! A kockázat-dózis függvény meredeksége NEM AZONOS az ABSC-statisztikából levezetettel! 69
Az ionizáló sugárzás hatásai IAEA Course: Basics of Radiation Protection Dosimetry of Ionizing Radiation 70
Az ionizáló sugárzás hatásai IAEA Course: Basics of Radiation Protection Dosimetry of Ionizing Radiation 71
A kockázat effektív dózis függvény problémái Elfogadott forma: LNT (linear no threshold) Kérdőjelek: A függvény megállapításához tiszta adatok (pontos mérések, minta és kontroll csoport szükségesek) Hormézis: a kis dózisok immunitást okoznak? Szupralinearitás: a kis dózisoknál nincs nekrózis: javul a mutáns sejtek túlélési hányada? A függvény összes kockázatra vonatkozik, de a tumor szervekben manifesztálódik. Primer tumor vagy metasztázis? Mennyi időn át adhatók össze a dózisok? 72
Effektív dózis szöveti súlyozó tényezők A súlytényezők változása az ICRP #60 (1991) és az ICRP #103 (2007) között utóbbiak már a magyar szabályozásban is érvényesek (487/2015. kormányrendelet) 73
További dózisfogalmak Lekötött dózis (Committed dose, H C ) = az egyszerre inkorporált radioaktivitás által annak teljes kiürüléséig, illetve az emberi élet végéig okozható egyenérték vagy effektív dózis. τ = 50 (felnőttek) vagy 70 év (gyerekek) H c 0 H(t)dt Kollektív dózis (C) = egy P tagú embercsoportnak ugyanattól a sugárforrástól kapott effektív/lekötött dózisa P 2019. III. 8. Idáig tart az 1. dolgozat anyaga C i1 H i 74
Dózis és dózisteljesítmény mérése és számítása Külső dózis Dózismérővel, dózisteljesítmény-mérővel mérhető Számítási egyenlet (foton-dózisteljesítményre) k γ dózistényezők: adott sugárforrás-geometriákra és elnyelő anyagokra határozhatók meg, adattáblázatokban megtalálhatók Belső dózis közvetlenül nem mérhető Meghatározás módjai: egésztest-számlálás, vér- és exkrétum-analízis, bejutó anyagok (levegő, víz, ételek) analízise DCF [Sv/Bq] dóziskonverziós tényezők egységnyi radioaktivitás adott beviteli módon történő inkorporációjához tartozó lekötött effektív dózis A dózist főként a radioaktivitást hordozó anyag tartózkodási ideje határozza meg Akut (pillanatszerű) vagy krónikus (folyamatos) bevitel eltérő effektív dózist eredményeznek 75
Külső sugárterhelés számítása Külső sugárterhelés: a sugárforrás aktivitásának és a detektor-forrás távolságnak ismeretében számítható. Kiterjedt forrásnál a pontszerű alapmodell módosul. A forrás és a személy közötti közegek sugárzásgyengítő hatását az abszorpció és a másodlagos sugárzás intenzitáshányadának növekedését kifejező build-up tényező (B) határozza meg. D D 0 k A 2 r D0 c A f ( r,,, V ) c A : aktivitás-koncentráció; f: távolságtól, abszorpciótól, sűrűségtől és térfogattól függő tényező) D 0 B exp x j j= gyengítő közegek j j j x j : a j-edik árnyékoló közeg vastagsága 76
Külső sugárterhelés számítása Részlet egy sugárvédelmi adattáblázatból (The Health Physics and Radiological Health Handbook, B. Shleien, 1992.) Γ = dózistényező; µ = átlagos lineáris gyengülési együttható ólomban 77
Belső sugárterhelés számítása Belső sugárterhelés: a forrásés célpontszövetekre meghatározott számítási egyenlet elemeit modellezzük, és a modellből meghatározzuk a dóziskonverziós tényezőt: DCF [Sv/Bq] egységnyi aktivitás inkorporációjából származó effektív dózis (H E /A) H DCF A E be DCF radionuklidonként különböző, valamint: - Beviteli útvonal szerint (belégzés, lenyelés, bőrön át) - Életkor szerint (5 korcsoport) - A radionuklidot hordozó anyag kémiai jellege szerint is. 78
Általános biokinetikai modell Methods of Internal Dosimetry for Emergency Response 79
Belső sugárterhelés A dózist az egyes szövetek eltérő egyenértékdózisainak összegzéséből kapjuk, a dózist a radioaktív anyagot tartalmazó szövetekből kiinduló sugárzás (radiation R) okozza: célpont- (target T) és forrás- (source S) szöveteket különböztetünk meg. (S=T is lehetséges) A [Bq] T [nap] Retenció: a radioaktivitást hordozó anyag tartózkodása egy szövetben 80
Belső sugárterhelés dózisa Az egyes szövetek egyenérték dózisát a radioaktív anyagot tartalmazó szövetekből kiinduló sugárzás (radiation R) okozza: a számításokban célpont- (target T) és forrás- (source S) szöveteket különböztetünk meg. (S=T is lehetséges) H T S u S R w R E R f R Q R S T 1 m T A H T szöveti egyenértékdózist minden radioizotópra külön határozzuk meg. u S : az egyes forrás-szövetekben bekövetkező bomlások száma [darab] w R: sugárzási tényező [Sv/Gy] E R : sugárzási energia [kev/részecske] f R : részecske-gyakoriság [részecske/bomlás] m T : a célpont-szövet tömege [kg] Q az R sugárzásfajtának az S szövetből kiinduló és a T szövetben energiát leadó hányada (elnyelési hányad) 81
Belső sugárterhelés dózisa u s : A radioaktív anyagot tartalmazó forrás -szövetekben végbemenő bomlások száma az inkorporáció óta eltelt t idő alatt (a retenció során) Q u s R,ST t 0 A s (t) dt p( ) p(abs.) Q: elnyelési hányad; az S és T szövetek közti térszögtől és az R sugárzásnak a szövetek anyagában történő abszorpciójától függ. p( ) 4 p (abs.) f (xs,xt,r/ p(abs.),x / 1 exp( T x T ) ) E E 82
Belső sugárterhelés számítása A dózisszámításhoz a minta (= személy, testrész, testből vett anyag vagy inkorporálható anyag) mennyiségi analízise szükséges. Az analízis akkor lehetséges, ha Ismertek a minta minőségi összetevői, vagy azok az analízis eredményeiből meghatározhatók, A mennyiségi összetétel számításához hatásfokkalibráció áll rendelkezésre. I m megszámolt Hatásfok: részecske A f összes 83
A belső sugárterhelés számítása Cél: az inkorporált radioaktivitás meghatározása Egésztestszámlálás Résztestszámlálás (pajzsmirigy, tüdő) Testi minták aktivitásának meghatározása (vér, hajszál, exkrétumok: vizelet, széklet, izzadság) Élelmiszerek és víz vizsgálata Levegő aktivitásának meghatározása (aeroszol) 84
Belégzéssel bejutó radioaktivitás számítása F BR : légzési sebesség [m 3 /h] C(t): az idő függvényében változó aktivitáskoncentráció [Bq/m 3.h] 85
Belső sugárterhelés meghatározása - Egésztestszámlálás Az ember szervezetében jelenlévő radioaktivitás meghatározása = kiterjedt sugárforrásból származó gamma-intenzitás mérése NaI(Tl), CsI(Tl), LaBr 3 (Ce) szcintillációs detektorok, HP Ge félvezető detektor gamma spektrometria Hatásfokkalibráció: etalon -sugárforrás = fantom Problémák: egyenetlen eloszlás a szervezetben, sűrűségkülönbségek, háttér (blank) mérése Egyszeri felvételnél a méréssel meghatározott aktivitás (A m ) biztosan kisebb, mint az inkorporált aktivitás (A be )!!! kiürülés az inkorporációtól kezdve folyik már. 86
Sugárvédelmi szabályozás Alapfeltételek: Determinisztikus hatáshoz vezető dózis legyen lehetetlen Csak az alkalmazásokhoz kapcsolható dózis korlátozható, a természetes eredetű nem a korlátozás a többletdózisra vonatkozik A sugárvédelem alapelvei: Indokoltság: a sugárforrás alkalmazásának több előnye legyen, mint kára Optimálás: az alkalmazás a lehető legnagyobb előnnyel kell, hogy járjon optimális dózisszint tervezési alap ALARA (As Low As Reasonably Achievable) Egyéni korlátozás immissziós és emissziós korlátok át nem léphetők, ha a tervezési alap helyes volt. 87
Sugárvédelmi szabályozás Nemzetközi ajánlások, irányelvek: ICRP #60 (1991) IAEA Safety Series #115 (1996) International Basic Safety Standards, 96/29 EU Directive Új ajánláscsomag: ICRP #103(2007) IAEA GSR Part3 (2014) = új IBSS, EU BSS 59/2013/EURATOM direktíva Magyar jogszabályok: 1996. évi CXVI. tv. (atomtörvény) módosítva: 2011. évi LXXXVII. tv., 487/2015. 491/2015. kormányrendeletek átfogó sugárvédelmi szabályozás; jelentős módosítása: 27/2018. kr. - Személyi sugárvédelem, nukleáris biztonság, sugárforrások és radioaktív hulladék nyilvántartása : Országos Atomenergia Hivatal (OAH) - További szervezetek: megyei kormányhivatalok (volt környezetvédelmi felügyelőségek), élelmiszerbiztonsági hivatal - Baleset-elhárítás: Országos Katasztrófavédelmi Főigazgatóság (OKF) 88
Sugárvédelmi szabályozás alá tartozó sugárzási helyzetek ICRP 103 (2007) és EU BSS (Basic Safety Standards 2013) alapján: tervezett, veszélyhelyzeti és fennálló sugárzási helyzeteket kell szabályozni. Szabályozás módjai: tervezett helyzetben dóziskorlátok és dózismegszorítások; veszélyhelyzetben és fennálló sugárzási helyzetben vonatkoztatási szintek az egyének védelmére és meghatározott társadalmi kritériumok figyelembe vételére 89
Sugárvédelmi szabályozás Új sugárzási tényezők (w R ) ICRP-103 90
Sugárvédelmi korlátok Elhanyagolható dózis 10 μsv/év közvetlenül nem deklarált szabályozó MENTESSÉG, FELSZABADÍTÁS DL dóziskorlát - immisszió korlátozása tervezett sugárzási helyzetekre: effektív (lekötött) dózis; a külső és belső sugárterhelés összege foglalkozási korlát 20 msv/év (5 év átlagában) lakossági korlát 1 msv/év szemlencsére és bőrfelületre további korlátok, tervezett és baleseti helyzetre külön szabályozás a foglalkozási sugárterhelésekre DC - dózismegszorítás - emisszió korlátozása tervezett sugárzási helyzetekre: egy, a kritikus (lakossági vagy foglalkozási) csoporthoz tartozó (reprezentatív) személynek az adott sugárforrástól származó effektív dózisa kiemelt létesítményekre DC = 0,1 0,03 msv/év kibocsátási szintek egyes radionuklidokra Egy adott személy által elszenvedett dózisok összegzendők, DE a DC-k NEM ADHATÓK ÖSSZE, mert különböző helyekre és személyekre érvényesek! 91
Emergency workers An emergency worker is any person having a specified role as a worker in an emergency and who might be exposed while taking actions in response to the emergency. Emergency workers may include those employed by registrants and licensees as well as personnel from response organizations, such as police officers, firefighters, medical personnel, and drivers and crews of evacuation vehicles. Module L-ER-7. Radiation Protection and Safety in Emergency Exposure Situation 92
Guidance values for limiting exposure of emergency workers Action H P (10) Life saving < 500 msv ( * ) To prevent severe deterministic health effects To prevent development of catastrophic conditions To avert a large collective dose < 500 msv < 100 msv ( * ) This value may be exceeded under the circumstances where the benefit to others clearly outweighs the emergency worker s own risk and the emergency worker volunteers to take the action, and understands and accepts this risk Module L-ER-7. Radiation Protection and Safety in Emergency Exposure Situation 93
DC (A i Emissziós korlátozás Az egy személybe bejutó aktivitás sokkal kisebb, mint a kibocsátható max, i DCF ) A max : Az adott dózismegszorításnál (DC) bevihető aktivitás az egyes radionuklidokból i A i,max << KH i A normális üzemelés során kibocsátott aktivitás (maximuma a kibocsátási határérték [Bq/év]) nem koncentrálódhat egyetlen személyben. Az emissziós korlátozás közvetlen tárgya a létesítmény környezetében élő lakosságra vonatkozó dózismegszorítás. Közte és a létesítményből * levegőbe és * vízi úton kibocsátott aktivitás közötti kapcsolatot a TERJEDÉSI MODELLEK (mobilitási tényezők) teremtik meg. A terjedés során a szennyezés hígul, de vannak dúsulást okozó részfolyamatok is. A modell és egy valóságos terjedési folyamat összevetése a validálás. 94
Emissziós korlátozás - kibocsátási határértékek Kibocsátási határérték-kritérium: KHK A i : az i-edik radionuklidból kibocsátott aktivitás [Bq/év] Kibocsátási határérték: KH [Bq/év] izotóponként mf i,rp : mobilitási tényező [-] az i-edik radioizotóp hígulása a kibocsátás helyétől a reprezentatív személyig (rp) KH i KHK DC DCF i, rp 1 A i 1 KH i i mf i, rp 95
Sugárvédelmi szabályozás Mentesség: Nem tartozik a sugárvédelmi rendelkezések hatálya alá az a radioaktív anyag, a) amelyben a radionuklid teljes aktivitása, vagy b) amellyel kapcsolatos tevékenység során az anyagban előforduló radionuklid egységnyi tömegre vonatkoztatott aktivitás koncentrációja nem haladja meg az általános (>1t-nál) vagy specifikus mentességi szintet. Specifikus mentességi szint: [Bq] és [Bq/g] a legkedvezőtlenebb forgatókönyv mellett sem okozhat az elhanyagolhatónál (10 μsv/év) nagyobb dózist. Már az alkalmazásnál sem kell védelmi intézkedéseket alkalmazni, mert kicsi a károsítás kockázata. 96
Sugárvédelmi szabályozás Felszabadítási szint (Clearance level) = Általános mentességi szint A hatóság által meghatározott, aktivitás-koncentráció [Bq/g vagy egyes országokban emellett Bq/m 2 ] egységekben kifejezett értékek, amelyeknél, ill. amelyek alatt a sugárzó anyagok és az ezeket korábban alkalmazó létesítmények kivonhatók a hatósági felügyelet alól. Feltételes és feltétlen felszabadítás: a forgatókönyvtől függően vagy függetlenül szabadítható fel az anyag. Korábban, az alkalmazásuk folyamán sugárvédelmi ellenőrzés alá tartozó (védelmi intézkedésekkel korlátozott) anyagok, amelyek mivel az alkalmazás befejezése, valamint kezelés után lecsökkent a kockázatuk már nem okozhatnak az elhanyagolhatónál (10 μsv/év) nagyobb dózist. (Konvencionális hulladék vagy újrahasznosítható anyag lehet belőle.) <1 t anyagmennyiségre a specifikus mentességi szintek 97 használandók.
Kis aktivitások meghatározása környezeti és biológiai mintákban a sugárzásdetektorok egyes sajátosságai Kis aktivitások mérésére alkalmas nukleáris analitikai mérési eljárások: Részecske-szelektív alfa-számlálás (ZnS(Ag) szcintillációs detektor, gáztöltésű detektorok) Alfa-spektrometria (PIPS detektor) Nyomdetektoros alfa-analízis (radonmérés) (CR-39 NTD + maratás) Részecske-szelektív béta-számlálás (plasztik szcintillációs detektor, folyadékszcintilláció LSC) Korlátozott körben energiaszelektív béta-spektrometria (PIPS, LSC) Gamma-spektrometria szcintillációs vagy félvezető detektorokkal (NaI(Tl), CsI(Tl), LaBr 3 (Ce), BGO, HP Ge) 98
BGO bizmut-germanát szcintillációs detektor 99
A szcintilláció mechanizmusa A d csapda szintről alapállapotba kerülő elektron által emittált fényfotonra a kristály teljesen átlátszó = elnyelődés nélkül eljuthat a fotoelektronsokszorozóba. 100
Szcintillációs detektor és fotoelektronsokszorozó A detektorból érkező fényfotonok a fotokatódra beesve elektronokat váltanak ki, azok a cső vákuumterében a dinódákra adott egyenfeszültség hatására felgyorsulnak. 101
CR-39 nyomdetektorral láthatóvá tett alfa-nyomok 102
Kis aktivitások meghatározása környezeti és biológiai mintákban detektorok sajátosságai Analitikai detektorok mérési paramétereinek meghatározása - Kalibrációk Energiaszelektivitás, egy sugárzási komponensre adott válaszjelek szélessége, mérési (számlálási) hatásfok A/ Sugárzás- és energiaszelektivitás minőségi analízis Sugárzás-szelektivitás: jelalak és/vagy jelnagyság alapján Energia-szelektivitás: jelnagyság alapján Detektorrendszer: detektor + analóg eszközök + analizátor (MCA) Detektor analóg kimenőjele: impulzusok nagyság és gyakoriság jellemzi. Analóg/digitális konverzió (ADC) az impulzusnagyságot (feszültség, töltés) csatornaszámmá konvertálja Detektorok válaszjeleinek gyakoriság-eloszlása a jelek (impulzusok) nagyságának (=az elnyelt részecske által leadott és egy válaszjelet eredményező energia mennyiségének) függvényében: SPEKTRUM. 103
Kis aktivitások meghatározása környezeti és biológiai mintákban detektorok sajátosságai Regresszió a csatornaszám / energia függvény meghatározására: 2 r 1 n m n i1 (c i f (E 2 i i )) 2 Az elméletileg várható összefüggés lineáris. n: mérési pontok száma, m: az f(e) függvény együtthatóinak száma, c: az adott gammaenergiából kialakult csúcs centruma [csatornaszám], E: gammaenergia [kev] az izotóptáblázatból, i az i-edik csúcs centrumának varianciája, azaz leolvasásnak bizonytalansága. Χ 2 r: redukált maradványnégyzet-összeg (khi-négyzet) f (E ) i p 2 E 2 i p 1 E i p 0 104
Kalibrációs paraméterek meghatározása ( p 2 r j ) 0 j 1,2,...m A redukált maradvány-négyzetösszeg kifejezését a meghatározandó paraméterek szerint deriváljuk. A deriváltak zérushelye jelzi a minimumot, az előálló homogén egyenletrendszerből a paraméterek számíthatók. Előnyös, ha az egyenletrendszer a paraméterekre nézve lineáris vagy linearizálható. (Ha nem az, akkor iterációs megoldás szükséges.) Maradványnégyzet-összeg: az elméleti és a tényleges értékek között tapasztalt és a várt eltérések hányadosait összegezzük. 105
Csatornaszám/energia kalibráció GSANAL szoftver 106
Kis aktivitások meghatározása környezeti és biológiai mintákban detektorok hatásfoka B/ Hatásfok ismerete a mennyiségi analízis előfeltétele Regresszió a hatásfok / energia függvény meghatározására Hatásfok: megszámolt összes részecske Gammasugárzásra: : számlálási hatásfok, I m : az adott radioizotóptól származó megszámolt jelek száma időegység alatt (intenzitás), A: aktivitás, f: gamma-gyakoriság I m A.f 107
Kis aktivitások meghatározása környezeti és biológiai mintákban detektorok hatásfoka 2 r n 1 m n i1 [ln( i m j0 j 2 lni.ln(e Gammasugárzás teljes abszorpciójának valószínűsége csökken az energia növekedésével. Az egyik gyakori leíró függvénytípus a kétszer logaritmikus polinom. Hatásfok gammaenergia kalibrációs függvény illesztése linearizált regresszióval történhet. Tapasztalat szerinti legelőnyösebb megoldás: m=3, két paraméter-sorozat E= E C.O. és E>E C.O. esetekre. C.O.: cross-over energia, ahol a hatásfok értékét meghatározó domináns fizikai folyamatok egymásba fűződnek. ) p i ) j ] 2 108
Hatásfokkalibráció Számlálási hatásfok γ-energia összefüggés szcintillációs detektorra (MULTIACT szoftver) Két, egymással versengő hatás eredője: a detektorba való bejutás és az energia ott történő leadása is függ az energiától, de egymással ellentétesen. 109
Kis aktivitások meghatározása környezeti és biológiai mintákban detektorok sajátosságai: felbontóképesség C/ Felbontóképesség a mennyiségi és a minőségi analízis előfeltétele, hogy az egyes spektrumcsúcsok (gamma, alfa) egymástól kellően szeparálva legyenek. Félértékszélesség (F) a csúcs szélessége a csúcsmagasság felénél: az adott abszcisszákhoz tartozó ordináták különbsége. Kifejezhető csatornaszámban, energiában és relatív számként: F rel F c o 110
Detektorok sajátosságai - felbontóképesség A gammacsúcsok szélesedésének oka a detektorban végbemenő bemenőjel kimenőjel transzformáció bizonytalansága. (Ennek egyik tényezője az un. Fano-faktor, egy szabad töltés keltéséhez szükséges energia nagyságának szórása.) Ez az ún. vízszintes szórás, amely a spektrum vízszintes tengelye mentén okoz szélesedést. A vízszintes szórás (félértékszélesség) függ a gammaenergiától: F i a.e i b A nukleáris statisztikus szórás következtében a mért beütésszámok értéke is bizonytalan. A beütésszám a spektrum függőleges tengelyén ábrázolandó, ezért ezt függőleges szórásnak nevezhetjük. A két hatás lényegében független egymástól. 111
Detektorok sajátosságai - felbontóképesség A gamma spektrumokban is megtalálható röntgenvonalak spektrális képe a vonalak finomszerkezetének köszönhetően általában pontatlanul írható le Gauss-csúcsalakkal. Az alfa spektrumokban a csúcsok mindig aszimmetrikusak: a detektor érzékeny térfogatának elérése előtt a részecskék különböző mértékben energiát vesztenek, ezért sokkal inkább várható az elméletinél kisebb, mint nagyobb energiának megfelelő válaszimpulzus keletkezése. Alfa csúcsok képe S. Pommé közleményéből (Applied Radiation and Isotopes 96 (2015) 148 153). Felső, piros adatsor: maradványok a görbeillesztés után véletlen és módszeres hibák elkülönítésére alkalmas. 112
Félértékszélesség FWHM full width at half maximum 113
Félértékszélesség-kalibráció Félértékszélesség (kev) γ-energia (kev) kalibráció MULTIACT szoftver 114
Gamma spektrum NaI(Tl) szcintillációs detektorral 115
Mérési bizonytalanság, hibaterjedés Nukleáris statisztikusság = Függőleges szórás a spektrumokban = a bomlások számával szigorúan arányos N beütésszámának varianciája (= várható bizonytalanságának négyzete) szintén N, azaz Var N 2 N N Hibaterjedés Propagation of Error Z származtatott sztochasztikus mennyiség X alapmennyiségből, melynek varianciája ismert - közelítés sorfejtéssel, majd a sorozat 1. tagjának alkalmazásával: Var Z Var X Z X 2 116
Mérési bizonytalanság, hibaterjedés 1 1 minta- és háttérmérésből képezett nettó beütésszám varianciája: N Var(N) r N I r S B N N Intenzitásra: I N t r M N Var(S) S B S B Var(B) S B A variancia négyzetgyöke a szórás (σ); a relatív szórást (r) is gyakran használjuk. 117
118 Mérési bizonytalanság, hibaterjedés Több, egymást követő háttér/alapszint mérés varianciája (spektrumnál: ROI region of interest beütésszáma) n B 1 B n B B r n B B. n 1 Var(B ). n 1 Var(B) B. n 1 B B B i 2 n 1 i i 2 n 1 i i
Mérési bizonytalanság, hibaterjedés A variancia gyakorlati alternatívája: tapasztalati szórás (az átlagos háttér példájára alkalmazva) s s 2 B 2 B (B i i n.(n B) n 1 (B B) 1) 2 2 r B s B B (B i n.(n B B) 1) 2 B n (n 2 i 1) n.b B 2 2 119
120 Mérési bizonytalanság, hibaterjedés Szorzat- és hányadosfüggvények varianciája : 2 Y 2 X 2 Z 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 r r r Y X.Var(Y) X Y X.Var(X) Y Z Var(Z).Var(Y) X.Var(X) Y Var(Z).Var(Y) Y Z.Var(X) X Z Var(Z) X.Y Z
Mérési bizonytalanság, hibaterjedés Szorzat- és hányadosfüggvények varianciája - Alkalmazás a hatásfok bizonytalanságának számítására: I m A f I f 1 A.f m Im A I m A.f 1. A 2 1. f 2 Behelyettesítve, és a relatív varianciákat kifejezve: 2 2 2 2 r ri ra r m f 121
Mérési bizonytalanság, hibaterjedés Logaritmikus transzformáció: Var ln(x) x 2 2 ln(x).var(x).var(x) r Alkalmazás: hatásfok gammaenergia kétszer logaritmikus függvény regressziós illesztéséhez 1 x 2 x 122
Kis aktivitások meghatározása α- és γ-spektrumok feldolgozása Közvetlen kiértékelés: csúcsok centrumának és területének (intenzitásának) meghatározása Közvetett kiértékelés: a sugárzási energiák meghatározása, izotópazonosítás, aktivitás kiszámítása 123
Gamma spektrum HP Ge félvezető detektorral 124
Gamma spektrum kiértékelése [GSANAL] 125
HP Ge gamma spektrum eredménylistája Roi# Centre Energy LM RM Peak Area Intensity Error Isotope (ch) (kev) (cps) (%) 1. 103.0 2. 117.2 75.8 86.5 91 * * 1.495e+004 2.637e-001 11.2 Bi-214,Pb-214,Pb-Xray 130 4.022e+003 7.094e-002 27.8 Pb-214,Pb-Xray 3. 317.6 238.0 312 * 2.089e+003 3.686e-002 14.2 Pb-212 4. 322.7 5. 393.1 241.8 295.0 * 328 4.963e+003 8.754e-002 384 399 1.094e+004 1.929e-001 8.0 Pb-214 4.0 Pb-214 6. 468.1 351.7 459 474 1.798e+004 3.171e-001 3.6 Pb-214 7. 678.8 8. 774.2 510.9 583.1 668 686 1.643e+003 2.898e-002 12.7 Annih.,Tl-208 765 782 6.000e+002 1.059e-002 24.3 Tl-208 9. 808.8 609.2 798 815 1.964e+004 3.463e-001 3.1 Bi-214 10. 883.0 11. 1019.2 665.3 873 892 4.990e+002 8.818e-003 27.3 Bi-214 768.2 1008 1026 1.745e+003 3.078e-002 9.1 Bi-214 12. 1069.1 805.9 1063 1079 4.110e+002 7.260e-003 30.2 Bi-214 13. 1238.2 933.7 1230 1246 8.900e+002 1.570e-002 14.9 Bi-214 14. 1484.5 1119.9 1476 1492 3.972e+003 7.007e-002 5.1 Bi-214 15. 1530.6 1154.7 1525 1539 4.700e+002 8.302e-003 21.9 Bi-214 16. 1640.5 1237.8 1634 1647 1.442e+003 2.544e-002 8.4 Bi-214 17. 1697.2 1280.6 1691 1703 3.220e+002 5.695e-003 28.8 Bi-214 18. 1824.8 1377.1 1818 1831 1.066e+003 1.881e-002 9.2 Bi-214 19. 1856.5 1401.0 1848 * 2.870e+002 5.073e-003 19.6 Bi-214 20. 1864.8 1407.3 * 1871 5.170e+002 9.136e-003 17.1 Bi-214 21. 1934.7 1460.0 1928 1942 6.260e+002 1.105e-002 14.9 K-40 22. 1998.8 1508.5 1989 2006 4.500e+002 7.943e-003 21.2 Bi-214 23. 2200.4 1660.8 2192 2206 2.300e+002 4.065e-003 25.2 Bi-214 24. 2290.1 1728.6 2283 2297 6.540e+002 1.155e-002 10.9 Bi-214 25. 2336.3 1763.5 2326 2344 3.149e+003 5.554e-002 5.2 Bi-214 26. 2432.7 1836.4 2428 * 9.500e+001 1.690e-003 28.2 Bi-214 27. 2445.6 1846.1 * 2455 4.490e+002 7.932e-003 16.2 Bi-214 28. 2803.9 2116.8 2797 2814 2.210e+002 3.910e-003 23.8 Bi-214 29. 2917.8 2202.8 2909 2925 7.980e+002 1.407e-002 8.3 Bi-214 30. 3460.1 2612.5 3453 3468 3.590e+002 6.344e-003 11.1 Tl-208 Isotope LD of Act.Conc (Bq/m^3) Cs-137 Cs-134 1.43E-003 2.71E-003 I-131 1.26E-003 I-132 I-133 1.27E-003 1.17E-003 Co-60 1.49E-003 126
Spektrumanalízis alapjai Csúcsterület Közelítő terület: a ROI tartományában lévő összes beütésszám, levonva más, nagyobb energiájú csúcsok Compton-tartományát: trapézmódszer N R y il i y R y 2 L.(R L 1) N: a csúcs területe (= beütésszámok összege), R, L : határcsatornák sorszáma, y-ok a beütésszámok (csatornatartalmak). Összegzéssel csak a különálló csúcsok területe számítható, az átfedések felbontása csak alakfüggvény-illesztéssel oldható meg. 127
Spektrumanalízis alapjai Csúcsterület szórása a trapézmódszernél Var (N) R il y i (y R y L ) R L 2 1 2 128
Spektrumanalízis alapjai Ha a vízszintes szórás véletlenszerűen változtatja az energiakonverziót, akkor a teljes energia-abszorpció által létrejövő spektrumcsúcsok alakja Gauss-jellegű lesz: G(x) N 2. e (x) 2 2 2 y 0 e (x) 2 2 2 a Gauss-görbe szórása (az inflexiós pontok közötti szélessége), a görbe (csúcs) centruma, x az egyenlet szerint folytonos, a valóságban nyilvánvalóan diszkrét független változó, azaz a sokcsatornás analizátor csatornaszáma, y 0 az amplitúdó, N a Gauss-integrál = csúcsterület 129
Spektrumanalízis alapjai A tényleges γ- és α-csúcsalakok egyes detektorfolyamatok sajátosságai miatt aszimmetrikusak, elsősorban a csúcs baloldalán mutatkozik több beütés. Az alapvonal, ami a csúcsot okozó γ- vagy α-vonaltól különböző energiák hatása, keskeny csúcs esetében a csatornaszám lineáris vagy esetleg parabolikus függvényeként közelíthető: B(x)=a.x+b a detektor-konverziós folyamatok pontos fizikai leírásával más alakzatok (pl. lépés- (erf(x)) függvény) is bevezethetők. Ha a csúcsok átfednek, az átfedő csúcsokat közös ROI-ban foglaljuk össze. A spektrumcsúcso(ka)t és az alapvonalat magában foglaló válaszfüggvény (response, R) az átfedő (esetleg módosított) Gaussprofilok és a közös alapvonalfüggvény összege: R(x) G(x) p B(x) 130
Spektrumanalízis alapjai Az R függvény paraméterei regresszióval határozhatók meg. A regressziós maradvány-négyzetösszeg előállításához a ROInak legalább n=m +1 pontból kell állnia (csúcsonként (peak = p) legalább 3, lineáris alapvonalnál további 2 paraméter m=3.p+2). n 2 [ yi Ri ] i1 Csúcsonként két paraméter: centrum és szélesség rögzíthetők egyszerűsödhet az illesztés, és a fizikai modellnek is jobban megfelelünk. A χ 2 függvénynek az R függvény paraméterei szerinti parciális deriválásával a paraméterek kiszámíthatók. 2 y i 2 131
Spektrumanalízis alapjai Csúcskeresés Az illesztés a Gauss-függvény szórását és centrumát illetően nem linearizálható, így csak a paraméterek előzetes, pontos becslését feltételező iterációs regresszióval lenne megoldható. Egyszerűsíthető a feladat, ha a két nemlineáris paramétert külön eljárásban, az ún. csúcskeresés során rögzítjük. A fizikailag egymástól teljesen független paraméterek együttes illesztése elvileg is megkérdőjelezhető. 132
Spektrumanalízis alapjai A csúcs centrumának megfelelő csatornában a Gaussgörbe első deriváltja előjelet vált pozitívból negatívba, a második derivált centrális tartománya (azaz x-μ <σ) negatív, a minimum helye a csúcs centruma. A deriváltakat a mért spektrum beütésszámainak felhasználásával, numerikus konvolúcióval elő lehet állítani. x G(x) 2. y0. e (x) 2 2 2 2 2 (x ) (x ) G (x).y 4 0.exp 2 2 2 133
Közvetlen spektrumkiértékelés - csúcskeresés Centrum helye: 1. derivált zérushelye x G(x). 2 y0. e (x) 2 2 2 Centrum helye: 2. derivált negatív minimuma (x ) G (x) 4 2 2. y0. e (x) 2 2 2 134
A Gauss-csúcsalakfüggvény és deriváltjai 135
Közvetlen spektrumkiértékelés - csúcskeresés Simítás (smoothing) numerikus konvolúció s (k) i c. y k, j i w j Simítás = a szomszédos csatornatartalmak (beütésszámok) súlyozott átlagaként előállítható a spektrum k= 0., 1., 2. deriváltja Alkalmas - A csatornatartalmak függőleges szórásának csökkentésére; - A spektrum numerikus deriváltjainak előállítására - A simított adatok varianciájának számítására Var ( s ( k) i ) c. y w 2 k, j i j 136
Közvetlen spektrumkiértékelés - csúcskeresés Példa: egyszerű differenciaképzés első derivált számítása a keresett pont előtti és utána lévő pontok közötti függvényértékek különbségének átlagaként. s c (1) i 0 (y 0;c i1 1 1 2 y i ;c ) 2 1 (y i 1 2 y i1 ;w ) 3 y i1 2 y i1 137
Közvetlen spektrumkiértékelés - csúcskeresés Csúcskeresés a simított spektrumokból Ha a c tényezőket szórással nem terhelt konstansoknak tekintjük, akkor a 0. illetve 2. deriváltra alapozott csúcskeresés az egymást követő alábbi értékek maximumának kiválasztásával oldható meg: s (k) Var(s [i] (k) [i]) ct. i w w s s (k) Var(s (k) Var(s [i] [i] (k) (k) [i]) [i]) ct.: a csúcs centruma 138
Közvetlen spektrumkiértékelés Csúcsterület Gauss-függvénnyel közelített csúcsalaknál: N 2.y. p 0,p p Szórás és félértékszélesség kapcsolata: F 8.ln(2). 139
Közvetlen spektrumkiértékelés Csúcsterület meghatározása módosított Gauss-függvénnyel közelített aszimmetrikus csúcsalaknál: N p R y.g (i) y il 0,p * 0,p. R L G * (x) dx 140
Közvetett spektrumkiértékelés Centrum Csúcsterület Gammaenergia, Izotópazonosítás (csatornaszám/energia kalibrációval) Intenzitás, aktivitásszámítás az azonosított izotópokra (hatásfok/energia kalibrációval) Bizonytalanság számítása KÖTELEZŐ! Eldöntendő, hogy egy feltételezett komponens jelenléte, illetve mennyisége szignifikáns-e A BIZONYTALANSÁG = a kimutatni vélt mennyiség szórása ALAPJÁN! 141
Szignifikancia - kimutathatóság L C = critical level az a nettó beütésszám, aminek elérése esetén igazoltnak tekintjük az adott radionuklid jelenlétét a vizsgált mintában. Az L C -re alapozott vizsgálat utólagos (a posteriori) kritériumvizsgálat. Elsőfajú hiba: a mintában nincs jelen a keresett radionuklid, mi mégis igazoltnak véljük jelenlétét. L C értékének megfelelő nettó beütésszám regisztrálása esetén legfeljebb α lehet annak a valószínűsége, hogy elsőfajú hibát követünk el. Minden α értékhez tartozik a normalizált normális eloszlásból egy k α -érték, amelynél a normalizált normális eloszlás integrálja éppen (1-α) lesz. 142
A kritikus szint (L C ) értelmezése az ábrát Halász Máté készítette Gyakoriság σ 0 (1-α) α L C =k σ 0 Beütésszám
Szignifikancia - kimutathatóság Normalizált normális eloszlás: Gausseloszlás N=1, μ=0 és σ=1 helyettesítéssel G n (x) 1 2.e (x0) 2 2 Ha 1-α = 95 %, akkor k α = 1.645 95 %-os megbízhatósági szint k G n (x) 1 144
Szignifikancia - kimutathatóság A nukleáris bomlásból származó detektor-válaszjelek mérésénél - akkor, amikor a keresett radioizotóp valójában nincs jelen a mintában - az alapszint (háttér) eloszlásának egyes kimeneteleit mérjük. A mért jelszám S, az alapszint (háttér) B, különbségük, a nettó jelszám várható értéke μ=0. Mivel S B, σ S (B)½ Az alapszint mérési bizonytalansága σ B. N( 0) S B 145
Szignifikancia - kimutathatóság A kritikus szint, L C definíció-egyenlete: L k. k. C 0 0 ahol 2 S 2 B 2 0 B B 2 B r LC L 0 C 1 k Az L C -vel azonos nagyságú nettó beütésszám/csúcsterület relatív bizonytalansága 146
Szignifikancia - kimutathatóság L D = detection level annak a nettó beütésszámnak a várható értéke, amely, ha jelen lenne a mintában, β-nál nem nagyobb valószínűséggel eredményezne L C -nél kisebb, tehát a jelenlét elutasítását maga után vonó mért nettó jelszámot. Az L D -re vonatkozó vizsgálat megelőző (a priori) kritériumvizsgálat. 147
Szignifikancia - kimutathatóság Másodfajú hiba: a mintában jelen van a keresett radionuklid, mi mégis elvetjük a jelenlétét elismerő hipotézist. A másodfajú hiba 1-β valószínűséggel elkerülhető = L D nyi aktivitás jelenléte esetén β-nál nem nagyobb valószínűséggel adódhat másodfajú hiba. A mért nettó beütésszámok eloszlását ábrázoló függvény ordinátáján a μ=l D várható értékű és σ szórású Gauss-eloszlás integráljának β hányada lesz L C -nél kisebb. 148
A detektálási határ (L D ) értelmezése az ábrát Halász Máté készítette Gyakoriság σ 0 σ LD (1-α) β α (1-β) L C =k σ 0 L D Beütésszám
Szignifikancia - kimutathatóság L D definíció-egyenlete: L L k. k. k. D C L 0 L D ugyanakkor a mért S bruttó beütésszám és a B alapszint várható különbsége is, tehát S = L D + B, és innen az L D -vel azonos nagyságú nettó beütésszámra: Var D L 2 S 2 L B 2 L 2 D A korábbiakból: 2 0 2 L c 2 k B D B D 150 0
Szignifikancia - kimutathatóság L D -t általános esetben a rá nézve előálló másodfokú egyenlet megoldásával kapjuk meg, melyet az alábbi egyenlet átrendezésével kapunk: L 2 L L k (L C ) D C D k 2 k α = k β = k helyettesítéssel ezt kapjuk: L D 2L C k 2 151
Szignifikancia - kimutathatóság Mennyi lehet az L D -nyi beütésszám relatív hibája? rl D 2k B(1 2k 1 n ) B(1 k 1 n 2 ) B(1 k 2 1 n ) Behelyettesítünk α=β-t, valamint n számú alapszint-(háttér-)mérést feltételezünk. Ha n=1 és α = β = 5 %, az alábbi két jellemző érték adódik: ha B átlaga =1, a relatív szórás 42%, ha B átlaga =10000, a relatív szórás 31%. 152
Szignifikancia - kimutathatóság 153
Szignifikancia - kimutathatóság 154
Szignifikancia - kimutathatóság Határozzuk meg egy, a spektrumban nem látható radioizotóp kimutatható aktivitását! 1. A várható csúcs centruma és szélessége 2. L C számítása a mért spektrumból ( B kijelölése!) 3. L D számítása L C -ből [beütésszám] 4. Átváltás aktivitásra [Bq] Ellenőrzés: az így definiált csúcs generálása a spektrumban, felismerése a csúcskereső rutinnal. TERVEZŐPROGRAM fontos része a gamma-spektrometriás programoknak. A LD f L t D m. (E) 155
Mesterséges radioaktivitás kimutatása természetes sugárforrások jelenlétében Természetes radioaktivitás komponensei Állandó és változó intenzitású komponensek Speciális esetek: a mesterséges radioaktivitás is természetes radionuklid, de mesterséges eljárás következtében nőtt meg a koncentrációja egy környezeti közegben 156
A természetes sugárterhelés összetétele Európában átlagosan 2-3 msv/év belső sugárterhelés 65 70 % ( 238 U radon, 232 Th toron, 40 K, 14 C) külső sugárterhelés 30 35 % (kozmikus sugárzás, ősi nuklidok γ-sugárzása a talajból, építőanyagokból) Orvosi eredetű sugárterhelés: átlagosan 1,2 msv/év (Mo., 2008-ban) 157
222 Rn (Radon) a 226 Ra-ból rövid felezési idejű leányelemek: 222 Rn T= 3,83 nap α (5,49 MeV) 218 Po T = 3,11 perc α (6,00 MeV) 214 Pb T= 26,8 perc (500 kev) (295 kev ; 352 KeV) 214 Bi T= 19,9 perc (1400 kev) (609 kev ; 1120 kev ; 1765 kev) A tüdő egyenértékdózisa adja a sugárterhelés túlnyomó részét; ezt a légutakban lerakódó, aeroszolhoz kötött leányelemek alfasugárzása okozza. 214 Po T= 164 µs α (7,69 MeV) ------------------------------------------------------------------------------------------- 210 Pb T= 22,0 év 158
220 Rn (Toron) a 232 Th-ból leányelemek: 220 Rn T= 55,6 s α (6,3 MeV) 216 Po T = 0,15 s α (6,77 MeV) 212 Pb T= 10,6 óra (570 kev) (239 kev) 212 Bi T= 60,6 perc (240 kev) 64 % α (6.05 MeV) 36 % (727 kev) 212 Po T= 0,3 µs α (8,78 MeV) 208 Tl T= 3,05 perc (700 kev) (583 kev ; 2614 kev) 159
Hogyan jut a radon a lakótérbe? 160
Honnan jut radon a lakótérbe? Forrás: Jobbágy Viktor Ph.D. dolgozata (2007) 161
162
PÓRUS a radon közvetítője a felszíni légtérbe Forrás: http://konyvtar.uni-pannon.hu/doktori/2007/jobbagy_viktor_dissertation.pdf Emanáció: radon kibocsátása a rádiumot tartalmazó szilárd szemcsékből a pórustérbe Exhaláció: radon kijutása a légtérbe A közép-európai talaj átlagos exhalációs sebessége: 17 mbq/m 2 /s 222 Rn 163
?? 164
Radon - szabályozás A hatályos sugárvédelmi rendeletben (487/2015. k.r. 49. ): A radon- és radon leányelem-koncentrációk vonatkoztatási szintjei levegőben mért éves átlagos aktivitáskoncentráció-értékben kifejezve: lakó- és középületekben illetve munkahelyeken is 300 Bq/m 3. Az Európai Bizottság ajánlása szerinti ún. aktivitáskoncentráció-index (c egysége [Bq/kg]) alapján az építőanyag korlátozás nélkül felhasználható lakóépületek beltéri részleteihez, ha az alábbi összefüggés szerinti radioaktivitás-index értéke 1-nél kisebb. I C 226 Ra 300 C 232 Th 200 C 40 K 3000 1 165
Radon az EU-ajánlásban (Council Directive 2013/59/EURATOM = BSS) Recent epidemiological findings from residential studies demonstrate a statistically significant increase of lung cancer risk from prolonged exposure to indoor radon at levels of the order of 100 Bq m -3. The new concept of exposure situations allows [EURATOM] provisions to be incorporated in the binding requirements of the Basic Safety Standards while leaving enough flexibility for implementation. Member States should ensure that these workplaces are notified and that, in cases where the exposure of workers is liable to exceed an effective dose of 6 msv per year or a corresponding timeintegrated radon exposure value, they are managed as a planned exposure situation and that dose limits apply, and determine which operational protection requirements need be applied. 166
Radonszint szabályozás egyes megoldásai Mo.: 487/2015. korm.r. szerint a lakossági vonatkoztatási szint 300 Bq/m 3 évi átlagos Rnkoncentráció; építőanyagoktól származó külső dózis vonatkoztatási szintje 1 msv/év. Svédország: rádium-index c egysége [Bq/kg] I Ra c 226 Ra 200 1 167
Radonkoncentrációk A belső sugárterhelés dózisával közvetlen kapcsolatba hozható mennyiség a potential alpha energy concentration (PAEC): PAEC MeV m N 13,71 N 7,69 N 7,69 1 V 1 2 3 3 N 1 : az 1. leányelem ( 218 Po) nuklidjainak száma, N 2 : a 2. leányelem ( 214 Pb) nuklidjainak száma, N 3 : a 3. leányelem ( 214 Bi) nuklidjainak száma, V a vizsgált levegő térfogata. Egy 218 Po-nuklidból 6,02 + 7,69, összesen 13,71 MeV alfaenergia, egy 214 Pb- illetve egy 214 Bi-nuklidból 7,69 MeV alfaenergia juthat legfeljebb a szervezetbe. 168
Radonkoncentrációk Ha a radon-anyaelem ( 222 Rn, 0 index) és leányelemei szekuláris egyensúlyban vannak, akkor aktivitásuk és aktivitás-koncentrációjuk körülbelül azonos. A 0 A 1 A 2 A 3 ; és ekkor N A PAEC eq illetve c 0 c A V 13,71 1 7,69 helyettesítéssel: 2 7,69 3 169
Radonkoncentrációk Egyensúlyi egyenérték koncentráció (EEC [Bq/m 3 ]) = az adott keverék által a légutaknak okozott egyenérték dózissal arányos összes (potenciális) alfa-energia ugyanakkora, mint egy fiktív egyensúlyi keveréknek tulajdonítható PAEC eq EEC PAEC PAEC c 13,71 1 2 3 1 2 c0 13,71 7,69 7, 69 eq 1 c 7,69 2 c 3 7,69 3 170
Radonkoncentrációk EEC c 0,105 c2 0,516 c3 1 0,379 f EEC c 0 Effektív egyensúlyi tényező Tapasztalati értékek: Szabadban 0,8 --- 1 Zárt térben 0,4 --- 0,7 Átszámítás effektív dózisra: 20 60 Bq/m 3 (c 0 vagy EEC)?? 1 msv/év 171
Radon meghatározása Gázkoncentráció mérése: nyomdetektor, aktív és passzív mérőkamrák detektor: átáramlásos ionkamra, Lucascella (ZnS(Ag) szcintillátor) 222 Rn mérése vízben: folyadékszcintilláció vagy kibuborékoltatás 222 Rn-leányelemek mérése: alfa- és gammaspektrometria 172
Radon meghatározása a leányelemek aktivitásából Az aeroszol elektrosztatikus leválasztása, bomlásgörbe meghatározása összes alfaintenzitás mérésével Tsivoglu-módszer: összesalfaintenzitás mérése a gyűjtés befejezése után Az 1. leányelem ( 218 Po) nuklidjai számának változása a szűrő felületén A 2. leányelem ( 214 Pb) nuklidjai számának változása a szűrő felületén 173
Radon meghatározása leányelemek kiszűrése a levegőből A 1,c = c 1 V λ 1 1 e λ 1t c =c 1 V 1 e λ1tc λ 1 t c A szűrőn t c gyűjtési idő alatt összegyűlő aktivitás az 1. leányelem esetében arányos ennek átlagos aktivitáskoncentrációjával, az átszűrt térfogattal, és a ingrowth (felnövekedési) tényezővel. A szűrés befejezése után exponenciális bomlás történik. 174
Radon meghatározása Tsivoglu-módszer: A gyűjtés diff. egyenleteinek megoldása a mintavétel végpontjára: A 1c, A 2c, A 3c kifejezhetők. I I I (5) (15) (30) m (A m m 1c (A (A f 1c 1c 1 f f (t 5) A 1 1 2c (t 15) A (t 30) A f 2c 2c 2 (t 5) A f 2 f f (t 15) A 2 3c 3c (t 30) A 3 (t 5)) 3c f 3 f (t 15)) 3 (t 30)) Az intenzitásokat mérjük, az időfüggések kiszámíthatók 3 egyenlet 3 ismeretlennel, megoldható. Modern megoldás: regresszióanalízis. (R i a fenti egyenletrendszer jobb oldalán látható függvény.) 2 n ( i1 I,i 2 I,i R i ) 2 175
Radon meghatározása A Tsivoglu-módszer fogyatékosságai: 0-nak veszi a 220 Rn mennyiségét, azt így nem is lehet meghatározni; Azonos számlálási hatásfokot feltételez az E α -kra; Nem veszi figyelembe a bomlást a mérési ciklusok alatt. 0 index: a mérési ciklus kezdetekor fennálló állapot I N t m A 0 N m t m 0 1 exp( t t m A(t) dt m ) I 0 f m 176
Radongáz mérése levegőben RADIM 3A 177
Radongáz mérése levegőben RADIM 3A A mérés elve: The radon diffuses into the chamber, covered by felt. The felt absorbs the air-borne radon decay products. The radon activity is determined by measuring the -activity of 218 Po, collected by the electric field on the surface of the semiconductor detector. Diffúziós kamra, a radon-leányelemek a szűrőn megkötődnek, nem jutnak be a mérőtérbe. A mérőtérben az ott keletkezett radon-leányelemeket elektromos tér vonzza a Si detektor felületére. A gyűjtés és mérés számítási összefüggései a nemsokára következő Tsivoglu-módszernél közöltekhez hasonlóak. 178
Radon mérése vízben 179
RADIM-3W mérési elve A vízben oldott radon kibuborékolva a mérőtérbe jut a továbbiakban az elv azonos a RADIM 3A-nál leírtakkal. 180
Radongáz mérése Néhány további mérési megoldás: CR-39 nyomdetektor: diffúziós kamrában polikarbonát felületén lánctörést okoznak az alfa-részecskék, a keletkezett nyomok maratással nagyíthatók. A nyomokat optikai számláló regisztrálja. Radongáz mérése vízben: YAP (YAlO 3 :Ce) vagy YAG szcintillációs detektorral, közvetlenül a vízben lévő radont méri, kibuborékoltatás nélkül, a gammasugárzó leányelemek révén. 181
Radon meghatározása a környezeti monitorozás részeként Radon EEC mérése aeroszolszűréssel: Környezeti monitorozás részeként is megvalósítható. Mintavétel számítási egyenlete: ld. később Mérés: folyamatos és szakaszos módszerrel Detektálás: alfa- és/vagy gamma-spektrometria 222 Rn: 1. és 3. leányelem α-, 2. és 3. leányelem γ-sugárzó. 220 Rn: 1 és 3. leányelem α-, 2., 3. és 4. leányelem γ-sugárzó. 182
Környezeti monitorozás Általános és korai riasztást adó (KRA) módszerek Dózisteljesítmény-mérés KRA Levegő radioaktivitásának mérése KRA Nedves és száraz kihullás mérése Vízaktivitás-mérés Talaj- és növényminták mérése Állati minták mérése 183
Dózisteljesítmény-mérés Gamma-dózisteljesítmény szabadtéren 184
KORAI RIASZTÁS környezeti dózisteljesítménymérő válasza 6 hónap alatt dose rate [nsvh] A hosszú időtartamú felvételen 3 hatás látható: helyi hatás (kibocsátás), gyors környezeti hatás (szennyezők terjedése), lassú (évszaktól függő) változás 185
Dózisteljesítmény [nsvh] KORAI RIASZTÁS helyi hatások Frissen készített radioaktív sugárforrások használata figyelhető meg az oktatóreaktor közvetlen közelében telepített mérőberendezéssel. Az ábrán 24 Na sugárforrás előállítása és tárolása által okozott hatás látható. 186
Dózisteljesítmény [nsvh] KORAI RIASZTÁS csapadékcsúcsok Az eső vagy hó rendszeresen kimossa a levegőből a lebegő port (aeroszolt). A földfelszínre jutó por felületén megkötött 222 Rn- és 220 Rn-leányelemek így feldúsulnak a mérőeszköz környezetében a száraz állapothoz képest. A leányelemek bomlásgörbéjét a felezési idejük jól jellemzi. Hasonló, de más lecsengésű csúcsok alakulnának ki mesterséges szennyezés légköri migrációja során is. 187
Aeroszolmintavétel és mérés Szűrés módja: állószűrő vagy mozgószűrő Detektorok: 1 vagy több sugárzásdetektorral (α- és β-spektrum, γ- spektrum) Mérési mód: a mintavétellel együtt vagy azt követően; tagolt vagy folyamatos mérési ciklusban. Kiértékelés: mesterséges eredetű szennyezés, radon (toron) EEC - LD vagy c A [Bq/m 3 ] Háttér és alapszint: külső gamma-dózistér, illetve 222 Rn-és 220 Rn-leányelemek mindkettő változik a mérés alatt! Mesterséges radioaktivitás felépülése a szűrőn = lásd radonos differenciálegyenletek! 188
KORAI RIASZTÁS aeroszol- és jódszűrés (AMS-02) Az AMS-02 állomások kiértékelő szoftvere az alábbi feladatokat látja el: Adatgyűjtés a detektorokból (α/β és γ); A nukleáris spektrometriai mérési adatok kiértékelése: mesterséges eredetű radioaktivitás azonosítása a változó nagyságú természetes alapvonalon ; A detektorok rendszeres újrakalibrálása (erősítés beállítása); Az elektromechanikus egységek vezérlése (manipulátor, levegőpumpa, szűrők rögzítése stb.) ; Adatátvitel a csatlakozó meteorológiai mérőeszközről és a dózisteljesítmény-mérőről; Kommunikáció a központi számítógéppel. 189
Állószűrős monitorozó berendezés 190
Állószűrős monitorozó berendezés AMS-02 számítógéppel vezérelt manipulátor a szűrők rendezéséhez 191
KORAI RIASZTÁS AMS-02 A mérőprogram optimális beállításai - Mintavételi ciklus: 24 óra - normális mód, 1 óra rendkívüli mód - Mérési-kiértékelési ciklus: 5 perc - Figyelmeztető/riasztó (F/R) üzenet: 3/1 olyan egymást követő ciklus után, ahol a mesterséges radioaktivitásra beállított szinteket túllépték. A jelentésekben küldött eredmények 222 Rn és 220 Rn EEC a mintázott levegőben [Bq/m 3 ]; Ha az F/R küszöböt meghaladta az aeroszolhoz kötött mesterséges radioaktivitás mennyisége, minőségi becslés az aktivitáskoncentráció minimum és maximum [Bq/m 3 ] értékeivel; Ugyanez az atomos és/vagy szerves jódokra: minimum és maximum [Bq/m 3 ]; Ha nem volt mesterséges aktivitás jelen, LD-ket számol a program. 192
Mintavétel és mérés számítási Az első leányelem gyűjtése és fogyása a szűrő felszínén: egyenletei Megoldás: integráló tag bevezetésével c i : aktivitáskoncentráció a levegőben [Bq/m 3 ] η f : szűrési hatásfok 1 : pumpasebesség [m 3 /s] λ: bomlási állandó [1/s] 193
Mintavétel és mérés számítási egyenletei Integrálás, peremfeltétel: ha t=0, N=0 Pillanatnyi vagy átlagos koncentráció számításához c i változását vagy állandóságát kell feltételezni. 194
Egy mért gamma-csúcs intenzitásának függése a szűrőn felhalmozódó radioaktivitástól: (I m = mért intenzitás [cps]) I m t Korai riasztás AMS-02 a gammadetektor válasza f LIVE t TRUE 0 C V (1 e t )dt t t LIVE TRUE η γ : az adott gammavonalra vonatkozó hatásfok, f γ : gammagyakoriság, t LIVE : élőidő, t TRUE : valódi mérési idő, λ: bomlási állandó,. V : térfogatáram. Az integrálás elvégzése után C [Bq/m 3 ], a mintavételi ciklus alatt fennálló átlagos aktivitáskoncentráció kifejezhető, V: teljes mintázott térfogat C Im f 1 V t 1 e 1 t TRUE t TRUE TRUE 195
KORAI RIASZTÁS AMS-02 aeroszol szűrőjére helyezett PIPS detektor válasza 222 Rn-leányelemekre (alfa-béta spektrum) 196
KORAI RIASZTÁS AMS-02 aeroszol szűrőjére helyezett PIPS detektor válasza 220 Rn-leányelemekre (alfa-béta spektrum) 197
Levegőmonitorozás AMS 02-vel mérés és kiértékelés Gamma- és alfa/béta-spektrum felvétele 198
Levegőmonitorozás AMS 02-vel Radon EEC mérési eredmények 199
Levegőmonitorozás AMS-02-vel 24 Na-val működtetett aeroszol-generátorral kapott pillanatnyi és átlagos aktivitáskoncentráció 200