STANOVENÍ RADONU VE VODĚ METODOU LSC 1.1.ÚVOD Izotopy radonu vyskytující se v ekosystému jsou členy přírodních rozpadových řad (uranové, thoriové i aktiniové) a vznikají α-rozpadem radia(obr.1). Plynný radon vzniká jednak v krystalické mřížce minerálu, který obsahuje mateřský nuklid, jednak i na jeho povrchu. K uvolnění radonu dochází buďto v důsledku odrazové energie, kterou poskytuje α- částice při rozpadu radia, případně může být ve mřížce minerálu trhlina, kterou radon uniká. Radon nemá žádný stabilní izotop. Přirozeně se vyskytují izotopy 219 Rn (T 1/2 = 3,96 s), 220 Rn (T 1/2 = 55,3 s), a 222 Rn (T 1/2 = 3,825 d), jedná se o α-zářiče, které svou elektronovou konfigurací patří mezi vzácné plyny. Radon je sice částečně rozpustný ve vodě, nicméně ve srovnání s jeho rozpustností v organických rozpouštědlech (toluen, hexan, benzen, alkoholy) je jeho rozpustnost ve vodě nízká. S některými rozpouštěly je schopen vytvářet adukty typu Rn*2 C 6 H 5 CH 3, Rn*6H 2 O či Rn*2C 6 H 5 OH. Rovněž se snadno sorbuje na aktivní uhlí či silikagel. Samotný radon nemá v nízkých koncentracích, které jsou v přírodě obvyklé, žádnén pozorovatelné účinky na lidský organismus. Účinky se projevují v důsledku vzniku dceřinných produktů, které se deponují na buněčném povrchu a mohou způsobit jak poškození viability buňek, tak i změny genetické informace a vznik rakovinného bujení. Radon se dostává do organismu především dýchacími cestami. Samotný plyn se rozpouští v tělních tekutinách a je transportován do celého organismu, kde se jeho dceřinné produkty deponují na buněčné povrchy. Významnější se však ukazuje depozice na epitelu dýchacích cest, kde je výrazně větší riziko poškození epiteliálních buněk a vzniku rakoviny. Dceřinné produkty radonu jsou krátkodobé a dlouhodobé. Účinky krátkodobých nuklidů jsou nepatrné, nicméně dlouhodobý dceřinný nuklid 210Pb (T 1/2 = 22,3 r) je již značně nebezpečný a navíc se kumuluje v kostní tkáni. Může tak dojít ke vzniku osteosarkomu nebo leukémie. Z uvedených důvodů byly stanoveny normou limity radonu a jeho dceřinných produktů v prostředí - např. max. objemová aktivita radonu ve vodě přiváděné do obytných místností smí být 50 kbq/m 3, v ovzduší smí být 100 Bq/m 3 jeho dceřinných produktů.
Obr. 1 Rozpadové řady.
Množství radonu se stanovuje především v kapalinách a plynech. Pro vlastní stanovení a odstranění rušivých vlivů je výhodné ho nejprve izolovat. Z kapalin lze radon izolovat zahřátím, vytěsněním nosným plynem nebo extrakcí do organických rozpouštědel. Vytěsnění nosným plynem se provádí v tzv. emanačních nádobách různé konstrukce, které se liší v podstatě pouze způsobem zavedení a distribuce nosného plynu v kapalině (kapilára, frita). Takto lze dosáhnout až 99,5 % účinnosti při 5 ml kapaliny a 20 ml nosného plynu. Ze směsi s nosným plynem lze radon izolovat adsorpcí na chlazeném aktivním uhlí, adsorpcí na silikagelu chlazeném kapalným dusíkem, vymražením, absorpcí v organickém rozpouštědle nebo přímo v organickém scintilačním koktejlu. Podobně lze postupovat i při přímé izolaci radonu z jakéhokoliv plynného media. Pro izolaci extrakcí se ukázal nejlepší toluen, rozdělovací poměr voda:vzduch:toluen je 0,255 : 1 : 12,7. S prakticky stejnou účinností lze použít přímo toluenový scintilační koktejl, což umožňuje zkonstruovat efektivní postup přímé izolace spojené s přípravou vzorku pro LSC měření. Pro vyhodnocení množství (aktivity) radonu lze použít řadu detektorů: a) Ionizační detektory. Lze dosáhnout meze detekce až 0,015 Bq, nicméně pro vysoké citlivosti je doba měření velmi dlouhá. K dosažení uvedené meze se jeden vzorem měří celý den. Metoda je citlivá na změny tlaku a složení plynu detektoru. b) Pulsní ionizační počítače. Měření je používáno od roku 1960, je stabilní s pozadím až 4 mbq. c)detektory se sulfidem zinečnatým aktivovaným stříbrem. Patří mezi scintilační detektory a jsou založeny na konstrukci komůrky různé velikosti a tvaru. Tyto parametry potom ovlivňují účinnost. Nejznámější je Lucasova komůrka, kde je detekováno ca. 85 % α-částic při pozadí 6 mbq. d) Kapalinová scintilace (LSC). Metoda je založena na interakci záření se systémem látek (tzv. scintilátorů) převádějících energii záření na světelný záblesk detekovatelný fotonásobičem. Vlastní scintilátory jsou organické sloučeniny, které se používají rozpuštěné např. v toluenu, dioxanu nebo vodě. Pro detekci radonu se používají toluenové roztoky, do kterých lze radon přímo extrahovat. Účinnost detekce α-částic toluenovým scintilátorem je prakticky 100 %. e) Plynová luminiscence. Metoda využívá luminiscence inertních plynů vlivem ionizujícího záření. Výhodné je použití přímo luminiscenčního plynu, např. dusíku, jako nosného plynu při izolaci radonu. Účinnost detekce se pohybuje kolem 40 %. 1.2. ÚLOHA Experimentální úloha se zabývá stanovením 222 Rn z vodných roztoků přímou extrakcí do toluenového scintilátoru s následným měřením LSC. 222 Rn pochází z uran-radiové rozpadové řady a má poločas 3,825 dne. Energie vyzařovaných α-částic z rovnovážné směsi jsou 5,49MeV ( 222 Rn), 6 MeV ( 218 Po) a 7,69 MeV ( 214 Po). Pro vlastní LSC měření je nutné zvolit vhodné měřící okno, které bylo pro používaný měřící systém experimentálně nalezeno proměřením rovnovážné směsi (obr. 2). Optimum měřícího okna pro použitý přístroj (Beckmann 6000 SE) leží mezi 750-950 kanálem.
Obr. 2 Energetické spektrum α-částic v rovnovážné směsi radonu. Příprava vzorku pro měření je založena na extrakci vodného roztoku toluenovým scintilátorem v optimalizovaném poměru a následném měření alikvotu scintilačního roztoku. Aby nedocházelo ke ztrátám plynné substance během manipulace je vodné použít jako extrakční nádobu Erlenmeyerovu baňku, na kterou se po provedení extrakce těsně nasadí upravený pipetovací nástavec. (obr. 3)
Obr. 3 Aparatura na stanovení radonu ve vodě. Vlastní stanovení je kalibrováno na vzorky vod připravených z radiového standardu(etalonu). 1.3. POTŘEBY A POMŮCKY Aparatura na stanovení radonu ve vodě Toluenový scintilátor Sada kalibračních roztoků Scintilační lahvičky Kapalinový scintilační spektrometr Odměrném válce (25 a 250 ml) 1.4. PRACOVNÍ POSTUP a) Obecný postup přípravy vzorku k měření. Do Erlenmayerovy baňky odměřte 50 ml toluenového scintilátoru a přidejte 200 ml vody obsahujicí radon (sada kalibračních standardů, neznámé vzorky). Baňku pevně uzavřete zátkou a ponechte třepat 10 min. na třepačce.poté vyjměte baňku ze třepačky a ponechte stát. Po 10 minutách, kdy jsou fáze již rozděleny (obr. 3) nasaďte upravený pipetovací nástavec nísto zátky a do scintilační lahvičky napipetujte 20 ml toluenového (horního) roztoku. b) postup a) proveďte pro 3 kalibrační roztoky (slouží pro stanovení účinnosti) a tři neznámé vzorky.
1.5. ZPRACOVÁNÍ VÝSLEDKŮ Z naměřených hodnot u kalibrátorů vypočtěte u každé koncentrace účinnost metody podle vztahu η = 1000. VTS. 3.60. V. V SL R. A S kde V TS...je..objem toluenového scintilátoru (50 ml) R...četnost pulsů naměřená v TS (CPM) V...objem vzorku vody (200 ml) V SL...objem toluenového scintilátoru odebraného do scintilační lahvičky A S aktivita standardu [Bq/l] a spočítejte průměr účinnosti pro použité koncentrace. Za použití průměrné účinnosti vypočítejte aktivitu radonu ve vodě pro neznámé vzorky jako 5. R A = [Bq/l] 72η.