13. RADIAČNÍ METODY MĚŘENÍ

Transkript

1 13. RADIAČNÍ METODY MĚŘENÍ Úkol měření 1. Pomocí měřiče IRA s GM trubicí změřte radiační pozadí. Toto měření proveďte i s dozimetrem Voltcraft. Pro měření zvolte nejcitlivější rozsah (100 s; 0,001 µsv/h-mess-ein). 2. Změřte aktivitu zdroje β a γ záření detektorem záření IRA. Zdroj záření a snímač vložte do stativu dle náčrtku. 3. Vložte do drážky mosaznou (CuZn) destičku o tloušťce 0,2 mm a změřte, jak se bude měnit úroveň záření za překážkou; toto měření proveďte i pro destičky s tloušťkou 0,4 mm a 0,6 mm. 4. Změřte radioaktivní vyzařování z počítačového monitoru v těsné blízkosti monitoru a ve vzdálenosti 0,5 m. K měření použijte dozimetr s odkrytým dnem; měřte uprostřed obrazovky. Poznámky: * Všechna měření s dozimetrem a radiometrem Voltcraft provádějte na nejcitlivějším rozsahu (100 s; 0,001 µsv/h-mess-ein). * Každé měření provádějte několikrát (například 5-krát) a vypočítejte průměr, protože záření je kvantované a rozpad látek je náhodný proces. * Dozimetr bude provádět měření asi 250 s. * Pozor na aditivní chybu způsobenou pozadím a samovolnou ionizací při nízkých úrovních záření. Veličiny používané v dozimetrii Veličiny a jednotky záření jsou obsaženy v normě ČSN Aktivita - A [Bq] Dříve veličina "aktivita" vyjadřovala množství radioaktivní látky a jednotkou byl Curie. Jeden Curie (Ci) bylo takové množství látky, ve kterém nastává 3, přeměn za sekundu. Současná definice aktivity: "Aktivita je podíl středního počtu dn radioaktivních přeměn z daného energetického stavu v určitém množství radionuklidu za časový interval dt": d N A = dt Pro jednotku aktivity se používá název Becquerel - Bq. Převod mezi starou a novou jednotkou je 1 Ci = 3, Bq Specifická aktivita A N A s = = [ Bq/kg] m t m 81

2 kde m je hmotnost vzorku. Poločas přeměny - T 1/2 [s] Je to střední doba, za kterou se samovolně přemění polovina z počátečního počtu atomů daného radionuklidu. Lze psát ln 2 τ = d P dt kde dp je pravděpodobnost radioaktivní přeměny za časový interval dt. Počet částic - N Jsou to částice, které jsou přijímány, vysílány nebo přenášeny v dané části prostoru za ~ dn daný čas. Přidruženou veličinou veličiny je tok částic N =, tj. přírůstek počtu částic dt dn za časový interval dt. Sdělená energie - ε - jednotka [J] = [kg.m 2.s -2 ] Jedná se o energii sdělenou látce při průchodu ionizujícího záření v určitém objemu této látky. Sdělená energie je součet rozdílů (R IN R EX ) a (Q IN Q EX ), kde R jsou zářivé energie všech nabitých i nenabitých ionizujících částic, které do látky v daném prostoru (tělese) vstoupily (R IN ) a které ji opustily (R EX ), Q IN je úbytek a Q EX přírůstek klidových energií jader a elementárních částic při jakékoliv jaderné přeměně, k níž v daném prostoru došlo: ε = (R IN R EX ) + (Q IN Q EX ) [J] U této veličiny nás většinou zajímá její distribuční funkce. Zavádí se střední sdělená energie, která je veličinou nestochastickou. Dávka - D - jednotka Gray (1 Gy = 100 rad) Dávka je v daném bodě určený podíl střední sdělené energie dε, předané ionizujícím zářením látce, a hmotnosti dm této látky: d ε D = d m [ Gy] neboli [ m ] 2 s -2 Veličina dávka se používá pro všechny druhy ionizačního záření a zároveň se neudává, jaké látce má být energie ionizačního záření sdělena. Proto při určování dávky je třeba uvádět, o jaký druh látky se jedná, a pokud je to možné, i druh a energii ionizačního záření, které svoji energii látce předává. Dávkový příkon - D & D & = d D dt -1 [ Gy.s ] Tyto dvě uvedené veličiny patří mezi nejvýznamnější v dozimetrii ionizujícího záření z hlediska energie sdělené látce, kterou záření prochází. 82

3 Dávkový ekvivalent - H - jednotka sievert (Sv, J.kg -1 ) Tato veličina je určena výhradně k účelům ochrany před zářením. Lze ji používat k porovnání určených, případně naměřených hodnot H s příslušnými hodnotami limitu dávkového ekvivalentu. H = D Q N kde Q je jakostní činitel udávající závažnost absorbované dávky podle biologické účinnosti nabitých částic tuto dávku způsobujících, N je modifikující faktor zahrnující další vlivy, např. geometrické. Vztah ke staré jednotce je 1 Sv = 100 rem. Pro zajímavost uvádíme roční limity pro jednotlivce z obyvatelstva platné u nás (do tohoto limitu se nezapočítává radiační pozadí) vzhledem ke stochastickým účinkům limit efektivního dávkového ekvivalentu vzhledem k nestochastickým účinkům limit dávkového ekvivalentu v kterékoliv tkáni nebo orgánu 5 msv 50 msv Stochastické účinky jsou takové účinky, při kterých mohou u určité části obyvatel nastat poruchy na zdraví. Při překročení limitu nestochastických účinků dochází u většiny obyvatelstva k poruše na zdraví. Příkon dávkového ekvivalentu - H & - jednotka Sv.s -1 Je dán přírůstkem dávkového ekvivalentu dh za časový interval dt : H& d H = dt Dozimetrický nástavec pro GM trubici Jeho použití by mělo výsledek měření přiblížit ke skutečnému dávkovému ekvivalentu. Dávkový ekvivalent je závislý na druhu a sdělné energii ionizačních částic. Dozimetrický nástavec propouští pouze část záření beta v závislosti na energii částic a větší část záření gama, které je pronikavější. Nejcitlivější lidské orgány na ionizační záření jsou gonády, mléčné žlázy, oči, plíce atd.; proto záření, které předá svou energii ve větší hloubce pod povrchem těla, je nebezpečnější. Pomocí tohoto nástavce lze měřit jen ekvivalentní dávku β a γ záření. Dozimetrický nástavec bývá realizován jako kryt z Al/Pb sendviče. Život člověka ohrožují taktéž atomy radionuklidů, které se v jeho těle přeměňují, např. inhalovaný radon atd. Tyto látky nejsou pro nás tolik škodlivé mimo tělo, protože záření z nich zachycuje kůže. 83

4 Indikátor radioaktivního záření IRA-set Přístroj je určen k detekci záření β/γ Geiger-Müllerovou trubicí. GM trubice typu SBM-20 má plynovou náplň s příměsí organických par. V případě průniku částice β do trubice následuje ionizace náplně, při které vlivem ionizačního proudu dochází k impulsní změně napětí na anodě. Ta je základem informace o detekci částice. Obr Schéma základní sestavy GAMABETA pro školní pokusy a ukázky 1 - indikátor radioaktivního záření beta/gama IRA-set: konektor připojení reproduktoru nebo čítače impulsů světelná signální dioda tlačítko kontroly baterie posuvný vypínač indikátoru kompaktní zdroj zvukových efektů 2 - zdroj záření (ŠDZZ-1) otočná clona zdroje záření 3 - výměnná absorpční destička 4 - digitální čítač impulsů vteřinový signál chodu čítače displej čítače posuvný vypínač čítače tlačítka startu čítače připojovací konektor 5 - demonstrační stativ otvory poloh zdroje záření otvory pro západku západka drážka pro vkládání absorpčních destiček 84

5 Záření β je detekováno přímo, záření γ pak prostřednictvím jeho interakce s materiálem pláště trubice (Comptonův efekt), při níž dochází k uvolnění elektronů do trubice. Indikátor IRA-set je použitelný pro kontrolu nízkých aktivit (četností impulsů), nedává informaci o druhu částic a jejich energii. Indikátor je uspořádán v plastovém pouzdře a GM trubice je uložena v jeho úzké části. Proto při držení v ruce musí být uchopena široká část pouzdra. Úzká část musí být vždy volná a směřovat ke zdroji záření. Provoz indikátoru vyžaduje vložení 9 V baterie. Prostor pro baterii je přístupný po oddělení desky krytu pouzdra. Pro zapnutí indikátoru IRA-set se vypínač přesune směrem k barevné diodě. Tlačítko vedle vypínače slouží ke kontrole stavu baterie (při vyhovujícím stavu baterie barevná dioda po stisknutí tlačítka jasně a trvale svítí). Konektor na horní ploše pouzdra indikátoru IRA-set slouží k připojování externího čítače impulsů. Indikace zachycení záření je optická (formou záblesků zmíněné diody) a akustická (zabudovaný akustický měnič). Školní demonstrační zdroj záření ŠDZZ-1 ŠDZZ-1 je kovový předmět členěného válcového tvaru. Horní díl je otočná clona s otvorem pro výstup záření a s mechanismem nastavení polohy. Červený bod na čele prstence clony označuje polohu otvoru pro výstup záření. Otočná clona je opatřena plastovým potahem k ochraně proti nahodilé demontáži. Zúžená spodní část tělesa zdroje je určena k zasouvání do otvorů v demonstračním stativu a je upravena k aretaci poloh. Použitým zdrojem záření β je radio-nuklid 90 Sr a záření γ radionuklid 241 Am (výstupu záření α je zabráněno). Obr Školní demonstrační zdroj ŠDZZ otočná clona zdroje záření 2 - plastový potah otočné clony 3 - červená značka na cloně 4 - zelená značka na cloně 5 - B-záření beta, G-záření gama 6 - otvor výstupu záření 7 - aretační otvor v čepu zdroje 8 - štítek s údaji zdroje záření 85

6 Měřič záření Voltcraft Tento přenosný měřič záření umožňuje identifikaci a měření radioaktivního záření v obytných a pracovních místnostech i v terénu. Přístrojem lze měřit: - ekvivalentní radioaktivní příkon γ záření - intenzitu β záření povrchu - specifické aktivity radioizotopů cesia-137 Ruční přístroj v kapesním provedení je napájen bateriemi, a proto může být okamžitě uveden do provozu. Měřená hodnota je indikována LCD-displejem. K vyšetřování zkoumané látky (např. potravin) se může přístroj použít přímo ve spojení se zkušební nádržkou (viz obr. 13.7). Možnost nastavení prahové hodnoty dovoluje použití přístroje jako hlásiče hraniční hodnoty záření. Zobrazovací a ovládací prvky Obr Čelní panel přístroje (LCD displej, S1 EIN-AUS vypínač, S2 funkční přepínač, S3 přepínač měřicích rozsahů) Měření dávkového ekvivalentu H [Sv] γ záření 1. Odejměte kryt zadní strany (sloužící zároveň jako filtr záření) tím, že posunete závěrku ve směru šipky. 2. Nastavte přepínače na kódovém přepínači S4 podle obr Vsaďte kryt znovu - úplně až do zacvaknutí - na zadní stranu měřicího přístroje. 4. Přepněte funkční přepínač S2 a přepínač rozsahů S3 do horní polohy (MESS; x 0,01). 5. Zapněte přístroj tím, že přepínač S1 přepnete do polohy EIN. Čtyřmístný displej začne zobrazovat čítané pulsy. Po uplynutí čítání (27-28 s) začne přístroj vydávat přerušovaný signalizační tón a zároveň se začne zobrazovat písmeno F v pravé části zorného pole za číslicemi. K určení dávkového ekvivalentu γ záření se musí zobrazená hodnota vynásobit přepočítávací konstantou 0,01 (tab. 13.1). Tímto způsobem dostanete naměřenou hodnotu v jednotkách mikrosivert/h (µsv/h). 86

7 6. Pro naměřenou hodnotu pod 10 Sv/h je nutno měření zopakovat s přepnutým přepínačem S3 do spodní polohy (x0,001) pro zvýšení citlivosti (v rámci přípustných hranic chyb). Měřicí doba se přitom zvýší na s a zobrazená hodnota po proběhnutí měřicí doby (zobrazování F / signalizační tón) se musí vynásobit přepočítávací konstantou 0,001. Obr Nastavení kódového přepínače S4 pro měření dávkového ekvivalentu gama záření (stav ostatních přepínačů S4.1 až S4.4 může být libovolný) Tab Přepočítávací konstanty Měřená veličina značka jednotka hodnota přepočítávací konstanty pro horní polohu S3 pro dolní polohu S3 Příkon dávkového ekvivalentu H µsv/h 0,01 0,001 Plošná intenzita β záření ϕ 1/(s.cm 2 ) 0,01 0,001 Specifická aktivita radioizotopu cesia-137 A Bq/kg Měření β záření povrchu objektu 1. Odejměte kryt zadní strany tím, že posunete závěrku ve směru šipky. 2. Nastavte přepínače na kódovém přepínači S4 dle obr Vsaďte kryt znovu - úplně až do zacvaknutí - na zadní stranu měřicího přístroje. 4. Přepněte funkční přepínač S2 a přepínač rozsahů S3 do horní polohy (MESS; x0,01). 5. Umístěte měřicí přístroj do vzdálenosti cca cm od měřeného povrchu. Potom zapněte měřicí přístroj přepnutím Obr Nastavení přepínače Ein/Aus S1 do polohy EIN. přepínače S4 pro měření 6. Určete hodnotu záření pozadí (ϕh/nul-efekt.), které je cca plošné intenzity 18 s po zapnutí přístroje zobrazeno na displeji (F-zobrazování/signalizační tón). Poznamenejte si tuto zobrazenou beta-záření hodnotu. 7. Vypněte měřicí přístroj tím, že přepnete přepínač S1 do polohy AUS. 8. Odejměte kryt zadní strany sloužící zároveň jako filtr a držte měřicí přístroj ve vzdálenosti 1 cm nad měřeným povrchem. 9. Zapněte měřicí přístroj přepínačem S1. Poznamenejte si hodnotu zobrazenou přístrojem po uplynutí měřicí doby (zobrazování F/ signalizační tón). 87

8 10. Míra povrchového zamoření beta-zářivými izotopy je stanovena pomocí veličiny intenzity β záření povrchu (ϕ) a vypočítá se pomocí následujícího vztahu: ϕ = k ( ϕm - ϕ ) (13.1) 1 H kde ϕ je intenzita β-záření povrchu velikosti 1 cm 2 v částicích za sekundu [s -1.cm -2 ], k 1 je přepočetní konstanta 0,01 (tab. 13.1), ϕm je naměřená hodnota při sejmutém krytu (filtru), ϕh je naměřená hodnota, která odpovídá vnějšímu γ záření pozadí (nulový efekt). 11. Pro měřené hodnoty pod 10/(s.cm 2 ), to znamená méně než 600 β-částic (min.cm 2 ), je nutno zopakovat měření s přepnutým přepínačem S3 ( 0,001), tedy při vyšší citlivosti (v rámci přípustných hranic chyb). Měřicí doba se přitom prodlouží na 175 až 185 sekund a rozdíl naměřených hodnot (ϕm - ϕh) po uplynutí měřicí doby (F-zobrazování/signalizační tón) se musí vynásobit přepočítávací konstantou 0,001. Měření specifické aktivity radioizotopů cesia Ce Odejměte kryt zadní strany tím, že posunete závěrku ve směru šipky. 2. Nastavte přepínače, jak je ukázáno na obr Přepněte funkční přepínač S2 do horní polohy (MESS) a přepínač rozsahů S3 do dolní polohy (x0,001/x0,001/x20). 4. Naplňte zkušební měřicí nádobku (jedna polovina transportního prostoru) po naznačenou značku vodou, která není radioaktivní. 5. Umístěte měřicí přístroj při sejmutém krytu kolmo ke zkušební měřicí nádobce (viz obr. 13.7). 6. Zapněte měřicí přístroj přepínačem Ein/Aus S1. Nyní změřte 5 po sobě následujících hodnot (A H1, A H2, A H3, A H4, A H5 ) záření pozadí (nulový efekt). Po uplynutí jednoho měření s trváním cca 400 s (F-zobrazování/signalizační tón) zaznamenejte příslušnou zobrazenou hodnotu. Celkovou dobu měření lze zkrátit tím, že se měřicí přístroj po přečtení hodnoty vypínačem S1 vypne a hned znovu zapne. Nakonec přístroj vypněte vypínačem S1 (AUS). Obr Nastavení přepínačů 7. Vypočítejte aritmetický průměr (A S ) z těchto kódového přepínače S4 pro měření 5 hodnot záření pozadí: specifické aktivity radioizotopů cesia-137 AH1 + AH2 + AH3 + AH4 + AH5 AS = (13.2) 5 kde za hodnoty A H1, A H2, A H3, A H4, A H5 jsou dosazeny jednotlivé hodnoty záření pozadí. 8. Vyprázdněte a vysušte zkušební měřicí nádobku. Naplňte nádobku až po značku zkoumanou látkou (roztokem) a umístěte měřicí přístroj opět na tuto nádobku (obr. 13.7). 88

9 9. Zapněte měřicí přístroj Ein/Aus vypínačem. Stejně jako v předešlém postupu se získá 5 po sobě následujících hodnot měření (A1, A2, A3, A4, A5). 10. Vypočítejte aritmetický průměr A H z těchto 5 hodnot: A1 + A2 + A3 + A4 + A5 AH = (13.3) K určení specifické aktivity (A m ) radio-izotopů Ce 137 zkoumané látky (vztah 13.4) se musí rozdíl hodnot výsledků obou měření ještě vynásobit přepočetní konstantou 20 (K2). Výsledkem bude hodnota v jednotkách Becquerel na kilogram (jeden Becquerel odpovídá rozpadu jednoho atomu za sekundu): A m = K 2 (A S - A H ) (13.4) 12. Při překročení rozsahu (měřená hodnota převyšující 9999) dojde k přetečení hodnoty a v levé části displeje před číslicemi se objeví značka -. V tomto případě se zopakuje měření s přepnutým přepínačem S3 do horní polohy ( 200). Doba měření trvá přitom asi 40 sekund. Za přepočetní konstantu K 2 se dosadí 200 ve vztahu (13.4). Obr Uspořádání měřicího přístroje při určování specifické aktivity radioizotopů cesia-137 Upozornění Nová jednotka Becquerel (Bq) pro specifickou aktivitu radioizotopů nahrazuje starou jednotku Curie (Ci): 1 Bq = 2, Ci. Pro použití měřicího přístroje k určování specifické aktivity zkoumaných látek s rozdílným složením radioizotopů (cesium- 137, stroncium-90, ytrium-90, aj.) se musí dosadit do rovnice (13.4) jiné hodnoty konstanty K 2 (experimentálně zjištěné). Nastavení prahové hodnoty Možnost nastavení prahové meze hraniční hodnoty ekvivalentního radioaktivního výkonu γ záření umožňuje hlídání nebezpečných rozsahů záření. Překročení prahové hodnoty je signalizováno varovným tónem. 1. Po odejmutí zadního krytu nastavte kontaktní přepínače 5/6/7/8 kódového přepínače S4, jak ukazuje obr Obr Příklad nastavení prahové hodnoty 2. Prahová hodnota pro varovný tón je určena nastavením kontaktních přepínačů 1/2/3/4 kódového přepínače S4 spolu s nastavením přepínače rozsahů S3 (tabulka 13.2). Obr ukazuje příklad nastavení prahové hodnoty 1,1 Sv/h. 3. Přepněte funkční přepínač S2 do spodní polohy MELD. Nasaďte znovu zadní kryt až po zacvaknutí. 4. Zapněte měřicí přístroj Ein/Aus vypínačem. Při překročení nastavené prahové hodnoty začne přístroj vydávat přerušovaný signalizační tón. 89

10 Prahová hodnota signálu Tabulka 13.2 Nastavení prahové hodnoty pro varovný signál odpovídající měřená prahová hodnota nastavení S3 nastavení S4 S4.1 S4.2 S4.3 S4.4 µsv/h (µr/h) ,1 (10) 0100 dolní ,2 (20) 0200 dolní ,3 (30) 0300 dolní ,4 (40) 0400 dolní ,5 (50) 0500 dolní ,6 (60) 0600 dolní ,7 (70) 0700 dolní ,8 (80) 0800 dolní ,9 (90) 0900 dolní ,0 (100) 1000 dolní ,1 (110) 1100 dolní ,2 (120) 1200 dolní ,3 (130) 1300 dolní ,4 (140) 1400 dolní ,5 (150) 1500 dolní ,6 (160) 1600 dolní (100) 0100 horní (200) 0200 horní (300) 0300 horní (400) 0400 horní (500) 0500 horní (600) 0600 horní (700) 0700 horní (800) 0800 horní (900) 0900 horní (1000) 1000 horní (1100) 1100 horní (1200) 1200 horní (1300) 1300 horní (1400) 1400 horní (1500) 1500 horní (1600) 1600 horní

11 Technické údaje Měřicí rozsah ekvivalentního radioaktivního výkonu γ-záření: 0,1...99,99 µsv/h ; to odpovídá µr/h Měřicí rozsah intenzity β-záření povrchu (radioizotopy stroncia-90 a yttria-90): 0,1...99,99 x 1/(s.cm 2 ); to odpovídá x 1/(s.cm 2 ) Měřicí rozsah specifické aktivity radioizotopů cesia-137: 2 x x 10 6 Ci/kg. Energetický rozsah měřených záření: 0,5...3 MeV (β-záření) 0,06...1,25 MeV (γ-záření) Maximální chyba měření ekvivalentního radioaktivního výkonu γ-záření: ± 40 % pro rozsah 0,1...1 µsv/h ± 25 % pro rozsahy µsv/h ; ,99 µsv/h Maximální chyba měření intenzity β-záření povrchu (radioizotopy stroncia-90 a ytria-90) : ± 60 % pro rozsah 0,1...1 x 1/(s.cm 2 ), ± 40 % pro rozsahy x 1/(s.cm 2 ), ,99 x 1/(s.cm 2 ) Maximální chyba měření specifické aktivity radioizotopů cesia-137: ± 60 % pro rozsah 2 x x 10 4 Bq/kg; ± 40 % pro rozsahy 2 x x 10 5 Bq/kg; 2 x x 10 6 Bq/kg Energetická závislost údaje přístroje při měření: není horší než ± 50 % - 25 % ekvivalentního radioaktivního γ-záření není horší než ±150 % (intenzity β-záření povrchu) Měřicí čas ekvivalentního radioaktivního výkonu γ-záření: < 28 s pro rozsahy µsv/h; ,99 µsv/h; horní poloha S3 < 280 s pro rozsahy µsv/h; µsv/h; dolní poloha S3 Měřicí čas intenzity γ-záření povrchu (radioizotopy stroncia-90 a Ytria-90) < 18 s pro rozsahy x 1/(s.cm 2 ); ,99 x 1/(s.cm 2 ); horní poloha S3 < 180 s pro rozsahy x 1/(s.cm 2 ); x 1/(s.cm 2 ); dolní poloha S3 Měřicí čas specifické aktivity radioizotopů cesia-137: < 40 s pro rozsahy 2 x x 10 5 Bq/kg ; 2 x x 10 6 Bq/kg; horní poloha S3 < 400 s pro rozsahy 2 x x 10 4 Bq/kg ; 2 x x 10 5 Bq/kg; dolní poloha S3 Čas potřebný pro nastavení provozních podmínek: max 10 s Nastavení prahové hodnoty pro ekvivalentní radioaktivní výkon γ-záření: 31 možných nastavení v rozsahu µsv/h Doba provozuschopnosti přístroje: min. 12 h s jednou baterií Rozsah teplot: C Relativní vlhkost: 75 ± 3 % (30 C) Tlak vzduchu: kpa Maximální přípustné změny: ± 15 % změny teploty pro všechny pracovní režimy (20 ± 0 C) ± 10 % změny relativní vlhkosti pro hodnotu 75 ± 3 % (30 C) Rozměry přístroje : 153mm / 77mm / 39mm Váha : 350 g Střední doba mezi poruchami: min h 91