1.4 Možnosti odstínění radioaktivního záření Cíle kapitoly: Laboratorní úloha je zaměřena na problematiku radioaktivního záření a studentům umožňuje prověřit znalosti, resp. prakticky si vyzkoušet práci s radioaktivním zdrojem záření. Úkolem měření bude osvojení si možnosti odstínění radioaktivního zdroje různými druhy materiálů. Nejdříve bude změřena intenzita záření v různých vzdálenostech od zdroje (v krocích po 15 cm, dokud nebude měřená hodnota totožná s hodnotou pozadí). V dalším části budou vloženy připravené stínící přepážky z různých materiálů, respektive bude provedeno zesílení přepážky na dvojnásobnou šířku a bude realizováno obdobné měření. Naměřená data budu analyzována a přenesena do grafického zobrazení, tak aby bylo možné vyhodnotit měření a stanovit vhodné závěry. 1.4.1 Úvod a rozbor úlohy Ionizující záření [1]: Je souhrnné označení pro záření, jehož kvanta mají energii postačující k ionizaci atomů nebo molekul ozářené látky. Za energetickou hranici ionizujícího záření se obvykle považuje energie 5 ev pro fotonové záření (rentgenové záření γ), elektronové záření β, α záření. Pro neutronové záření α záření β+ je kvantifikace obtížnější, neboť i velmi pomalé částice (v případě neutronů) vstupují do jader a vyvolávají sekundární ionizaci prostřednictvím jaderných reakcí. Obdobný případ nastává v případě pozitronů, anihilujících s elektrony za vzniku velmi tvrdého záření γ. S ohledem na charakter ionizačního procesu je možno ionizující záření rozdělit na přímo ionizující a nepřímo ionizující. Přímo ionizující záření je tvořeno nabitými částicemi (protony, elektrony, pozitrony atp.). Nepřímo ionizující záření zahrnuje nenabité částice (neutrony, fotony atp.), které prostředí samy neionizují, ale při interakci s prostředím uvolňují sekundární přímo ionizující částice. Ionizace prostředí je zde tedy způsobena těmito sekundárními částicemi. Vznik ionizujícího záření souvisí se strukturou atomů a jejich jader. Zdroje ionizujícího záření můžeme rozdělit do skupin na: Přírodní zdroje Umělé zdroje kosmické záření sluneční záření přírodní radioizotopy Urychlovače částic Cyklotron, Synchrotron, případně lineární urychlovače, mezi něž patří i rentgenky (Rentgen, CT, mamograf) a CRT obrazovky Jaderné zbraně Jaderný reaktor Uměle vytvořené nestabilní chemické prvky (neptunium, plutonium, americium, kalifornium atp.)
Zařízení pro scintilační a stopovací diagnostické metody Terapeutická zařízení cesiové a kobaltové gama ozařovače, Leksellův gamanůž Radiofarmaka a tracery Účinky na živé organismy jsou u ionizující záření, ve formě jak dlouhodobého slabého, tak i krátkodobého intenzivního ozáření, má negativní účinky na člověka a ostatní živé organismy. Působíli na biologický materiál, dochází k absorbci ionizujících částic nebo vlnění atomy daného materiálu. To způsobuje vyrážení elektronů z jejich orbitalů a tvorbu kladně nabitých kationtů. Ionizované části molekul se stávají vysoce reaktivními a vedou k řadě chemických reakcí, které buňku buď rovnou usmrtí, nebo vedou ke změnám genetické informace (reakce radikálů s DNA způsobuje porušení fosfodiesterových vazeb a tím zpřetrhání jejího řetězce). Detektor ionizujícího záření [2]: Je takové zařízení, které je schopno detekovat (měřit) ionizující záření. Měření ionizující záření (které je okem neviditelné) probíhá pomocí příslušných fyzikálních metod a vhodné přístrojové techniky. Detektory umožňují zkoumat vlastnosti tohoto záření a využívat jej v řadě vědeckotechnických, průmyslových a medicínských aplikací. Detektory ionizujícího záření nám poskytují kvantitativní informace o intenzitě, energii, prostorové distribuci a příp. dalších vlastnostech záření. Detektory ionizujícího záření se rozdělují podle principu detekce na fotografické, elektronické a materiálové detektory. Podle časového průběhu detekce na detektorů kontinuální a kumulativní (integrální) detektory. Podle komplexnosti měřené informace na detektory záření, udávající pouze intenzitu záření, resp. počet kvant záření, bez informace o druhu záření a jeho energii. Mezi tyto nejjednodušší detektory patří filmové a termoluminiscenční dozimetry, ionizační komory a GeigerůvMüllerův počítač. A na spektrometry ionizujícího záření, které měří nejen intenzitu či počet kvant záření, ale i energii kvant záření a jeho další charakteristiky. Ve spektrometrickém režimu mohou pracovat především scintilační detektory, polovodičové detektory a magnetické spektrometry. Zobrazovací detektory jsou kamery, které zobrazují (vizuálně nebo elektronicky) prostorové rozložení intenzity záření. Nejjednodušším zobrazovacím detektorem je fotografický film. Dráhové detektory částic měří dráhy pohybu jednotlivých částic v prostoru, včetně jejich zakřivení v magnetickém poli. Dosahuje se toho buď na základě materiálových efektů fotochemických reakcí, kondenzace kapiček z páry nebo vznik bublinek v přehřáté kapalině nebo elektronicky složitými systémy velkého množství prostorově rozmístěných detektorů, polovodičových nebo ionizačních komor. Dozimetry jsou zařízení k měření dávek ionizujícího záření. Tento typ detektoru je používán v lékařství a vojenství k měření hodnoty ozáření. Dozimetr funguje na principu změn látky v něm obsažené.
Prstový dozimetr je založen na principu termoluminiscence, vyplývající z jevu, že některé anorganické krystaly mohou akumulovat energii ionizujícího záření tím, že záření v nich vybudí elektrony do vyššího energetického stavu. Po zahřátí krystalu emitují jeho atomy (návratem elektronů do základního stavu) akumulovanou energii ve formě viditelného světla. Světelné záblesky se převádějí na paměťové impulzy a měří. Prstový dozimetr ve formě prstýnku nosí lidé manipulující ručně s radioaktivními zářiči; lze tak zjistit dávku, kterou obdržely pracovníkovy ruce. Scintilační detektor je zařízení pro detekci ionizujícího záření založené na principu excitace elektronu do vyššího energetického stavu zářením, přičemž návrat elektronu do základního stavu se projeví jako světelný záblesk. GeigerůvMüllerův počítač také GeigerůvMüllerův čítač či GeigerůvMüllerův detektor je detektor ionizačního záření (především gama, ale i beta a alfa). Měřící část počítače je tvořena trubicí a vláknem obklopeným plynem. Vodiče jsou pod vysokým napětím 100 1000 V. Částice prolétávající plynem naráží do jeho atomů a vytváří z nich ionty a elektrony. Elektrony dopadající na anodu jsou poté registrovány jako impulzy. 1.4.2 Úkol měření Mezi hlavní úkoly laboratorního měření je osvojení si práci s ionizujícím zdrojem a postupy využívající pro určení hodnot ionizujícího záření. Prvním úkolem měření bude stanovit pomoci přístroje dávkového výkonu hodnotu pozadí v laboratoři, hodnota bude měřena ve třech libovolných bodech místnosti a výsledná hodnota stanovena z průměru. Dále bude stanovena intenzita záření ionizujícího zdroje v různých vzdálenostech. Druhou části úlohy bude možnost odstínění ionizujícího zdroje záření pomocí různých materiálů. 1.4.3 Použité měřicí přístroje a komponenty Zdroj radioaktivního záření Cs7.P03 (6 x 8 mm) Přístroj pro měření dávkového příkonu RDS31S přístroj nabízí svým měřícím rozsahem dostatečnou citlivost měření, a to jak radioaktivního pozadí, tak i měřených zdrojů záření. Přístroj dokonce umožňuje provádět analýzu přímo v terénu, což vede k možnosti udělat laboratorní úlohu ještě atraktivnější. Přístroj je vybaven komunikačním portem, který umožní exportovat naměřená data a provést patřičnou analýzu pomocí výpočetní techniky. Uvažuje se využití novějšího přístroje RADEYE B20ER s vyšším rozlišením, aby bylo možné tyto dva přístroje porovnávat. Desky z různých materiálů nerezový plech, měď, hliník, PVC, polyetylen, plexisklo Optický snímač umožní snímání hodnot z přístroje dávkového příkonu a umožní v reálném čase promítnout hodnoty na zobrazovací zařízení. Měřící pásmo
1.4.4 Postup měření 1) 2) 3) 4) 5) 6) Zapneme přístroj pro měření dávkového příkonu RDS31 a vymažeme uložená data z přístroje. Pomoci tlačítka menu, nalezneme příkaz DOSE, krátce stiskneme tlačítko on/off a zobrazí se naměřené hodnoty, po opětovném středně dlouhém stisknutí tlačítka on/off hodnoty vymažeme. Změříme hodnotu ionizujícího záření na pozadí laboratoře ve třech místech: a. U vchodu do laboratoře b. Na laboratorním stole c. U okna Údaje zapíšeme do připravené tabulky Tab.4.1. Výslednou hodnotu získáme průměrem hodnot naměřených. Umístíme zdroj ionizujícího záření na připravené místo a vodorovně ve stejné výšce změříme hodnoty záření v jednotlivých vzdálenostech po 15 cm (jednotlivé vzdálenosti jsou uvedeny v tabulce Tab.4.2) měříme do maximální zadané vzdálenosti 150 cm nebo až do takové vzdálenosti, kdy nám přístroj ukazuje hodnotu pozadí v laboratoři. Nyní nainstalujeme před zdroj záření stínící bariéru ze zvoleného materiálu PVC a provedeme měření stejné měření jako v bodě 3) po 15 cm do maximální vzdálenosti 150 cm. Po změření zářiče přes stínící materiál PVC instalujeme další připravené materiály a každý proměříme jako v kroku 3). Zářič uložíme do ochranného odstíněného boxu a opět změříme hodnotu pozadí ionizujícího záření. Zda nedošlo ke změně hodnoty pozadí v laboratoři. 1.4.5 Zpracování výsledků Vypracujte protokol o měření. Protokol bude obsahovat: Vlastní teoretický rozbor probírané problematiky, Skutečný postup měření, Naměřené hodnoty zanesené do připravených tabulek Grafické znázornění průběhů pro jednotlivá měření, která budou v jednom grafu. Naměřené hodnoty je nezbytné umístit do jednoho grafu, aby bylo možné porovnat jednotlivé výsledky měření při použití různých typů bariér s měřením bez bariéry. Naměřené hodnoty zaznačíme do připravených tabulek. Ionizující záření na pozadí do Tab. 1 a hodnoty z přístroje pro měření se zářičem a bariérami do Tab. 2
Tab.4.1 Hodnoty ionizujícího záření na pozadí laboratoře. Před měřením Po měření Okno Vstup Pracovní stůl Průměr Tab. 4.2 Měření ionizujícího záření se zářičem a bariérami Vzdálenos t (cm) 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 Bez bariéry PVC Polypropyle n Nerez Hliník Měď Plexisklo Zdroje: [1] Ionizující záření kolem nás proč je člověk vystaven radiaci po celý život. Atominfo [online]. c 2012 [cit. 20140103]. Dostupné z: http://www.fjfi.cvut.cz/desktopdefault.aspx?moduleid=1550 [2] ULLMANN, Vojtěch. Detekce a spektrometrie ionizujícího záření. Astro Nukl Fyzika [online]. 2000 [cit. 20131231]. Dostupné z: http://www.astronuklfyzika.cz/detekcespektrometrie.htm 1.4.6 Kontrolní otázky 1) 2) 3) 4) 5) Jaký je rozdíl mezi částicemi alfa, beta, gama, neutrony a kosmickým záření? Jaká je přibližná hodnota radiačního pozadí v ČR? Vyjmenujte tři aplikace použití dozimetru. Uveďte princip činnosti GeigerMüllerova počítače. Uveďte, které částice způsobují přímo ionizující záření.
6) Vyjmenujte tři druhy radiometrů (dle principu, resp. konstrukce). 7) Uveďte, které částice způsobují nepřímo ionizující záření. 8) Vyjmenujte (alespoň dva) přírodní zdroje radioaktivního záření. 9) Uveďte umělé zdroje radioaktivního záření. 10) Popište rozdíl mezi GeigerMüllerovým počítačem a dráhovými detektory.