az elemek keletkezésének történeteoldweb.reak.bme.hu/fileadmin/user_upload/felhasznalok/... ·...

1

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.

2

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

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) 3H és 14C 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

4

Bomlási módok

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: Ekin 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.

p: a bomlási folyamatban kibocsátott részecskék

m: nyugalmi tömeg

Ei, kin: kinetikus (mozgási) energia

Ebs: a bomlás utáni nuklid visszaszórási energiája

Bomlási módok: α, β („közvetlen”),γ („kísérő”), f (maghasadás, „összetett”)

bskin

p

m E)EE(E

5

Bomlási módokBéta-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

2b) elektronbefogás (EC – electron capture) neutrínó kibocsátása

p+ + e- →n + ν: a rendszám eggyel csökken

Az „elfogyott” pályaelektron pótlódik egy külső pályáról – kísérő karakterisztikusröntgensugárzás keletkezik

A β-részecske nyugalmi tömege 0,51 MeV-tal ekvivalens.

fee 2

6

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.

köt,ekin,e EEE A belső konverziós elektron energiája diszkrét!

7

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 = közvetettionizáció

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 (α2+, β- és β+-részecskék, ionizációra képes szekunder elektronok) az atomok elektromágneses terében fékeződve járulékos fotonsugárzást = folytonos röntgensugárzást kelthetnek.

8

Alfa- és bétasugárzás abszorpciója

az anyagban

R: hatótávolság (range)

9

Lineáris energiaátadási tényező

(LET) alfa- és bétasugárzásra

LET = dE/dx(stopping power =

fékezőképesség)

Bragg-csúcs

10

Alfa- és bétasugárzás

kölcsönhatása anyagi közeggelα-sugárzás LET-értéke vízben: ~100 keV/μm

Energiaátvitel:

- elektronnal: ionizáció/gerjesztés;

- atommaggal: egyes célmagokkal (pl. Be) [α,n] magreakció lehetséges, ha Eα>Eküszöb; 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), Cserenkov-sugárzás: 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.

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.

11

Z Element

Critical

energy

(MeV)

3 Lithium 149

14 Silicon 40

29 Copper 19,4

47 Silver 12,4

82 Lead 7,4

12Module L-ER-3. Basics of Physical Dosimetry of Ionizing Radiation

Interactions of alpha-particles

Nuclear reaction


Interactions of electrons

Bremsstrahlung =

X-rays


Interactions of positrons

Annihilation

photons

15

Közelítő összefüggések

• α-részecske hatótávolsága levegőben:

R (cm) = 0,318.E3/2

E: energia MeV-ben

• α-részecske hatótávolsága bármely anyagban:

Rm,α (g.cm-2) = 10-4 (A.E3)1/2

E: energia MeV-ben, A: az elnyelő anyag atom-

vagy molekulatömege.

• β-részecske hatótávolsága bármely anyagban:

Rm,β (g.cm-2) ≈ Emax/2Emax: a maximális β-energia MeV-ben

16

Sztochasztikus (közvetett)

ionizációA 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.


Interactions of neutronsThermal neutron

absorption

Fast neutron

spallation

Inelastic scattering

18

Gamma-sugárzás kölcsönhatása

anyagi közeggelFoton 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.

19

Gamma-sugárzás kölcsönhatásai –

teljes abszorpcióA foton teljes kinetikus energiáját

átadja a vele „ütköző”

elektronnak. Mivel Ef >> Eion,

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.

Ef = Ee,kin + Ee,ion(régebbi nevén: fotoeffektus)

Ez és a következő két ábra Bódizs Dénes „Magsugárzások méréstechnikája” c. könyvéből való.

20

Gamma-sugárzás kölcsönhatásai –

Compton-szórás

A foton kinetikus energiát ad át a

vele „ütköző” elektronnak. Mivel

ΔEf >> Eion, 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.

Ef = Ef’ + Ee,kin + Ee,ion

21

Gamma-sugárzás kölcsönhatásai - párkeltésA 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.

Ef=Ee-,m+Ee-,kin+Ee+,m+Ee+,kin

Csak akkor lehetséges, ha Ef > 2×Ee,m, azaz Ef > 1022 keV


Interactions of photons

Pair production

Fotoneutron-reakciók kis

küszöbenergiával

23

http://www.nuclear-power.net/wp-content/uploads/2015/10/Photoneutron-sources.png?d484e7

http://www.nuclear-power.net/wp-content/uploads/2015/10/Photoneutron-sources.png?d484e7

24

Gamma-sugárzás intenzitásának

gyengülése anyagi közegben

dI = -I(x) nc dx I: részecskeáram [darab/s]

σ: kölcsönhatási valószínűség

egy „partnerre” [-]

nc: ütközési partnerek száma

egységnyi úthosszon [darab/m]

μ = σ.nc = kölcsönhatási

valószínűség [1/m]

Integrálás után:

általános gyengülési

egyenlet

x

0 eII

Egyszerű modell:

- Párhuzamos sugárnyaláb

- Azonos részecskeenergia

- A „kölcsönhatás” bármilyen típusú energiaátadást jelent

25


anyagi közeggel

)xexp(II 0

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 = μ1 + μ2 + μ3 : egységnyi tömegre vonatkozó

gyengülési együttható [m2/kg vagy cm2/g]

2lnHVL

HVL: half value layer

felezési rétegvastagság


Átlagos szabad úthossz = 1/µ

Sugárzás Víz Ólom

Gamma-fotonok60Co

16 cm 1,6 cm

Hasadási

neutronok8,1 cm 14 cm

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

Fo

tono

kN

eu

tro

no

k

Interactions of photons – energy

dependence

27Source: http://www.nuclear-power.net/nuclear-power/reactor-physics/interaction-radiation-matter/interaction-

gamma-radiation-matter/#prettyPhoto/2/

28

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

29

Gamma-sugárzás és az anyag kölcsönhatása – a

kölcsönhatások rendszám- és energiafüggése

Fotonsugárzás gyengítési és

abszorpciós együtthatója

Kétféle felosztás az összetett sugárgyengítési tényezőre:

30

PPCSTA

µe = elektronok mozgási energiájának növekedéséhez vezető folyamat

valószínűsége (a szekunder részecskék már nem tesznek meg nagy

távolságot); µf = 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

Az energiaátadási kölcsönhatás típusa szerintAz energiát átvevő

részecskék típusa szerint

𝜇 = 𝜇𝑒 + 𝜇𝑓

31


anyagi közeggelÁrnyékolás (shielding): a foton- vagy neutronsugárzás sugárzás

intenzitásának csökkentése árnyékoló anyagokkal.

Fotonsugárzásra az általános gyengülési egyenletből:

)xexp(IBI 0

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.

Build-up tényezők

32

Magyarázó ábra a „RadPro

Calculator” freeware

programmal működő

internetes oldalról

Build-up tényező energiafüggése

33

Build-up

tényező

gamma-

sugárzás

gyengülése

számításához

vízben

B

k×MFP

34

Dózis = az ionizáló sugárzásból

elnyelt energia

Gy,Gray,

kg

J

m

E

dm

dED

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.

Elnyelt dózis = Absorbed dose

35

Dózis és sugárgyengítés összefüggése

3

2

3

2

m

m

mól

m

mól

atom

V

N

atom

mZ

AA

M

AA

eA

= lineáris energiaátadási tényező

= térfogategységre jutó

hatásos ütközési/gyengítési keresztmetszet

/ = „tömegabszorpciós” tényező

= tömegegységre jutó hatáskeresztmetszet

LET = dE/dx

= lineáris energiaátadási tényező

σe= elektron hatásos ütközési keresztmetszet

(valószínűség-jellegű mennyiség)

σA= atomi hatásos ütközési keresztmetszet

ütközés: abszorpció vagy rugalmatlan szórás

ρA = atomsűrűség [darab/m3]

/ [m2/kg]

36

E

dt

dD

2

RRE

r4

EfA

2r

Ak

dt

dD

Négyzetes gyengülési törvény – a dózisszámítás alapja

kγ: dózistényező, szokásos dimenziója: [(μGy/h)/(GBq/m2)]

Külső foton-dózisteljesítmény

ΦE: energiaáram-sűrűség (fluxus = fluencia idő szerinti deriváltja) [J/(m2s)]

A = dN/dt: a sugárforrás aktivitása [bomlás/s = Bq]

fR: részecske-(foton)gyakoriság [foton/bomlás]

ER: fotonenergia [J/foton]Érvényesség: pontszerű γ-

sugárforrásra, gyengítetlen

(primer) fotonsugárzásra.

Izodózis-felület = gömb

37

Egynél több fotont kibocsátó γ-

sugárforrás dózistényezője

j = összegzés az egyes

energiákra

k = közeg

4

Ef

kj,k

j

j

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!

j

jj EfAP

Forráserősség (Source Power)

[keV/s] = energiaáram a tér

minden irányába

38IAEA ERP Course Module L-ER-10. Characterization of External Emergency Exposure

Point kernel: Source behind a shield

HVL: half value layer (felezési rétegvastagság) = ln(2)/µ

39Module L-ER-10. Characterization of External Emergency Exposure

Elementary source-target geometries


Adjustment of point kernel


Dose vs. distance from a source

42

„Mérhető” és „valódi” dózis

KERMA: kinetic energy released in material

absorption/attenuation

http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/chap3.html

http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/chap3.html

43

KERMA

Ef az „m” tömegbe belépő foton energiája;

Ef* 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”.

*

fmm.elm.elf EEEE

44

Elnyelt dózis és KERMA

Szekunder részecske egyensúly (SzRE):

m)mm(.el)mm(m.elEE

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)

45

Elnyelt dózis és KERMA

D

A KERMA (azaz dózis vagy dózisteljesítmény)

mérésére szolgáló berendezéseknél

megadják, hogy milyen névleges mélységű

„inaktív” réteg borítja a detektort.

HP(10)=személyi dózisegyenérték 10 mm

mélyen a testszövetben

H*(0.07)=környezeti dózisegyenérték 70 μm

mélyen a testszövet-ekvivalens ICRU-

gömbfantomban

46

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

47

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.

Az abszorpciós együttható

energiafüggése legyen azonos

a detektorra és a testszövetre

= szövetekvivalens detektor;

„energiafüggetlenség” =

azonos energiafüggés a két

közegre

m

m

x

m,E

x,E

m

x fD

D

48

Külső dózis mérési pontossága

Dmért/Dszám

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Dmért/Dszám

Eγ [keV]

A szövetekvivalencia feltétel

teljesülése ± 20 %-on

belül „elvárható”.

49

Külső dózis mérése

Azonnali vagy összegzett válaszjel-kiértékelés =

Dózisteljesítmény- vagy dózismérés.

DD DI

εD: dózisteljesítmény-mérési hatásfok

(arányossági tényező)

h/nSv

cps

E

BB

DED

xEEIEID )(exp)(1

)(1

0

D: detektor

B: gyengítő közeg (pl. detektor ablaka, fala)

50

Külső dózis mérése

Ha a detektorhatásfok energiafüggetlensége

nem teljesíthető, spektrális felbontás

alkalmazása is szóba jöhet:

g gD

gDID

,

,

g: energiacsoportok jele, amelyekre

nézve εD konstansnak tekinthető.

Dózisteljesítmény mérése az energiafüggés

figyelembe vételével

51

Dózisteljesítmény-mérés

energiaspektrumok alkalmazásával: az

egyes energiatartományokhoz azonos

intenzitás/dózisteljesítmény-

átszámítási tényezőt (hatásfokot)

rendelhetünk.

52

Az ionizáló sugárzások biológiai

hatásaiA 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.

53

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%

Küs zöbDózis

0%

54

„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

55Module L-ER-5. Evaluating a Health Risk of High Dose Exposure

Determinisztikus dózis: a sugárzás

minőségének hatása


Determinisztikus dózis: sugárzás minőségének hatása

áthatoló sugárzás esetén

Szerv:

HatásBesugárzás RBE

Bármely

szerv:

pusztulás

Fotonok 1

Neutronok 3

Bőrszövet:

pusztulásKülső bétasugárzás 1


Determinisztikus dózis: sugárzás minőségének

hatása kevéssé áthatoló sugárzás esetén

Hatás: Szerv Sugárzás RBER,T

Gyulladás:

Légzési rendszer részei

Béta 1

Alfa 7

Gyomor-bél szindróma:

Belek

Béta 1

Alfa 0

Hipotireózis:

Pajzsmirigy

Kisenergiájú (*) 1/5

Egyéb 1

Csontvelő szindróma:

Vörös csontvelő

Béta 1

Alfa 2

(*) 129I, 125I, 124I, 123I

58

Vérképzés = vörös csontvelő

károsodása

A determinisztikus károsodás

= nekrózis függése a

dózisteljesítménytől

(állatkísérletek!)

Module L-ER-5. Evaluating a Health Risk of High Dose Exposure

59

Az ionizáló sugárzás

sztochasztikus hatásaA „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.

60

Az emberi sejt modellje

61

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

62

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

63IAEA Course: Basics of Radiation Protection Dosimetry of Ionizing Radiation

Sztochasztikus sugárhatás

Évek a besugárzás után

Rákos daganatJóindulatú

daganatDysplasiaTalálat

ABSC Life Span Study mortality (1950-2002)

Diseases

DeathsAttributable

fractionobserved expected excess

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

65

A sztochasztikus hatáshoz vezető

biológiai dózis fogalmaEgyenértékdózis – a sejti szintű maradandó, mutációt okozni

képes kártétel mértéke arányos a sugárzás LET értékével

H = D.wR [Sievert, Sv]

wR sugárzási tényező (Q minőségi tényezőből képezve) - a LET függvénye, független az expozíciós körülményektől!

• wR,α = 20

• wR,γ= 1

• wR,β= 1

• wR,n= 2.5 ÷ 20 a neutron-energia függvényében

„Antropomorf” dózisfogalom és mértékegység: az emberi szövetek, sejtek viselkedése befolyásolja a dózisértéket.

66

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

Dózis

m=5*10-2/S v

Az egyénre vonatkozó

kockázati függvény a

szövetek kockázati

függvényének összege

A függvényt a Hiroshima és Nagasaki japán nagyvárosok elleni 1945-ös

atombomba-támadás túlélőinek epidemiológiai statisztikájából (Atomic

Bomb Survivors’ Cohort = ABSC) vezették le.

Thyroid cancer – stochastic effect of 131I

incorporationConsequences 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

68

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

69

Effektív dózis (gyakran jelölik HE-vel is)

wT szöveti súlyozó tényezőT

TT ]Sv[wHE

1wT

T

A dózist okozó sugárforrás és a dózist elszenvedő személy

kölcsönös pozíciója szerint külső és belső sugárterhelés jöhet létre.

Szöveti súlyozó tényezők az ICRP#103 (2007) szerint:

ivarszervek wT=0.08 (genetikus hatás)

szomatikus hatások

legérzékenyebbek

wT=0.12 tüdő, gyomor, belek, vörös csontvelő, emlő

érzékenyek wT=0.04 máj, vese, pajzsmirigy stb.

kissé érzékeny wT=0.01 bőr, csontfelszín

Az adatok az általános daganatos statisztikából származnak!

A kockázat-dózis függvény meredeksége NEM AZONOS az ABSC-statisztikából

levezetettel!


Az ionizáló sugárzás hatásai

72

A kockázat – effektív dózis

függvény problémáiElfogadott 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?

73

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)

74

További dózisfogalmak

• Lekötött dózis (Committed dose, HC) = 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)

• Kollektív dózis (C) = egy P tagú embercsoportnak

ugyanattól a sugárforrástól kapott effektív/lekötött

dózisa

dt)t(HH0

c

P

1i

iHC

2019. III. 8. Idáig tart az 1. dolgozat anyaga

75

Külső dózis

Dózismérővel, dózisteljesítmény-mérővel mérhető

Számítási egyenlet (foton-dózisteljesítményre)

kγ 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 adottbeviteli módon történő inkorporációjához tartozó lekötött effektív dózis

A dózist főként a radioaktivitást hordozó anyag tartózkodási ideje határozzameg

Akut (pillanatszerű) vagy krónikus (folyamatos) bevitel – eltérő effektív dózisteredményeznek

Dózis és dózisteljesítmény mérése és számítása

76

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.

20

r

AkD

j

jjj0 xexpBDD

),,,(0 VrfcD A

j= gyengítő közegek

cA: aktivitás-koncentráció; f: távolságtól,

abszorpciótól, sűrűségtől és térfogattól függő

tényező)

xj: a j-edik árnyékoló közeg vastagsága

Külső sugárterhelés számítása

77

Részlet egy sugárvédelmi adattáblázatból (The Health Physics and

Radiological Health Handbook, B. Shleien, 1992.)

Γ = dózistényező; µ = átlagos lineáris gyengülési együttható ólomban

78

Belső sugárterhelés számítása

Belső sugárterhelés: a forrás-

és célpontszövetekre

meghatározott számítási

egyenlet elemeit

modellezzük, és a

modellből meghatározzuk a

dóziskonverziós tényezőt:

DCF [Sv/Bq] – egységnyi

aktivitás inkorporációjából

származó effektív dózis

(HE/A)

beE ADCFH

DCF radionuklidonként különböző, valamint:

- Beviteli útvonal szerint (belégzés, lenyelés,

bőrön át)

- Életkor szerint (5 korcsoport)

- A radionuklidot hordozó anyag kémiai

jellege szerint is.

79

Általános biokinetikai modell

Methods of Internal Dosimetry for Emergency Response

80

Belső sugárterhelésA 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

81

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)

TR

RRRR

S

STm

1TSQfEwuH

A HT szöveti egyenértékdózist minden radioizotópra külön határozzuk meg.

uS: az egyes forrás-szövetekben bekövetkező bomlások száma [darab]

wR: sugárzási tényező [Sv/Gy] ER: sugárzási energia [keV/részecske]

fR: részecske-gyakoriság [részecske/bomlás] mT: a célpont-szövet tömege [kg]

Q az R sugárzásfajtának az S szövetből kiinduló és a T szövetben energiát

leadó hányada (elnyelési hányad)

82

Belső sugárterhelés dózisa

us: A radioaktív anyagot tartalmazó „forrás”-szövetekben végbemenő

bomlások száma az inkorporáció óta eltelt t idő alatt (a retenció során)

t

0

ss dt)t(Au

.)abs(p)(pQ TS,R

Q: elnyelési hányad; az S és T

szövetek közti térszögtől és az R

sugárzásnak a szövetek anyagában

történő abszorpciójától függ.

4)(p

)R,x,x(f.)abs(p /TS/

E

E)xexp(1.)abs(p TTX,

83

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.

fA

Im

Hatásfok: részecskeösszes

megszámolt

84

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)

85

Belégzéssel bejutó radioaktivitás számítása

FBR: légzési sebesség

[m3/h]

C(t): az idő függvényében

változó

aktivitáskoncentráció

[Bq/m3.h]

86

Belső sugárterhelés meghatározása -

Egésztestszámlálás

Az ember szervezetében jelenlévő radioaktivitás meghatározása = kiterjedt sugárforrásból származó gamma-intenzitás mérése

NaI(Tl), CsI(Tl), LaBr3(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 (Am) biztosan kisebb, mint az inkorporáltaktivitás (Abe)!!! – kiürülés az inkorporációtól kezdve folyik már.

87

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.

88

Sugárvédelmi szabályozásNemzetközi 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)

Sugárvédelmi szabályozás alá

tartozó sugárzási helyzetek

89

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

90


ICRP-103

Új sugárzási tényezők (wR)

91

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!

92Module L-ER-7. Radiation Protection and Safety in Emergency Exposure

Situation

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.

93Module L-ER-7. Radiation Protection and Safety in Emergency Exposure

Situation

Guidance values for limiting exposure

of emergency workersAction HP(10)

Life saving < 500 mSv(*)

To prevent severe deterministic

health effects

To prevent development of

catastrophic conditions

< 500 mSv

To avert a large collective dose < 100 mSv(*) This value may be exceeded under the circumstances where the

benefit to others clearly outweighs the emergency worker’s own riskand the emergency worker volunteers to take the action, andunderstands and accepts this risk

94

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.

Ai,max << KHi

A normális üzemelés során

kibocsátott aktivitás (maximuma a

kibocsátási határérték [Bq/év])

nem koncentrálódhat egyetlen

személyben.

Az egy személybe bejutó aktivitás

sokkal kisebb, mint a kibocsátható

Emissziós korlátozás

)DCFA(DC i

i

imax,

Amax: Az adott dózismegszorításnál (DC)

bevihető aktivitás az egyes radionuklidokból

9595

Emissziós korlátozás - kibocsátási

határértékek

1

1

,,

i i

i

rpirpi

i

KH

AKHK

mfDCF

DCKH

Kibocsátási határérték-kritérium: KHK

Ai: az i-edik radionuklidból kibocsátott aktivitás [Bq/év]

Kibocsátási határérték: KH [Bq/év] izotóponként

mfi,rp: mobilitási tényező [-] – az i-edik radioizotóp hígulása a kibocsátás

helyétől a reprezentatív személyig (rp)

96


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 specifikusmentességi 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.

97

Sugárvédelmi szabályozásFelszabadítási szint (Clearance level) = Általános mentességi

szint

A hatóság által meghatározott, aktivitás-koncentráció [Bq/g vagy egyes országokban emellett Bq/m2] 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 használandók.

98

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), LaBr3(Ce), BGO, HP Ge)

99

BGO – bizmut-germanát

szcintillációs detektor

100

A szcintilláció mechanizmusa

A „d” csapda

szintről alap-

állapotba kerülő

elektron által emittált

fényfotonra a kristály

teljesen átlátszó =

elnyelődés nélkül

eljuthat a fotoelektron-

sokszorozóba.

101

Szcintillációs detektor és

fotoelektronsokszorozó

A detektorból érkező fényfotonok a fotokatódra beesve elektronokat váltanak ki,

azok a cső vákuumterében a dinódákra adott egyenfeszültség hatására

felgyorsulnak.

CR-39 nyomdetektorral

láthatóvá tett alfa-nyomok

102

103

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.

Kis aktivitások meghatározása környezeti

és biológiai mintákban – detektorok

sajátosságai

104

Regresszió a csatornaszám / energia – függvény meghatározására:

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. Χ2r: redukált maradványnégyzet-összeg (khi-négyzet)



sajátosságai

n

1i2

i

2

ii2

r

))E(fc(

mn

1

0i1

2

i2i pEpEp)E(f

Az elméletileg várható

összefüggés lineáris.

105

Kalibrációs paraméterek

meghatározása

m,...2,1j

0p

)(

j

2

r

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.

106

Csatornaszám/energia kalibráció

GSANAL szoftver

107



hatásfoka

B/ Hatásfok – ismerete a mennyiségi analízis előfeltétele

Regresszió a hatásfok / energia – függvény meghatározására

Hatásfok:

Gammasugárzásra:

: számlálási hatásfok, Im: az adott radioizotóptól származó megszámolt jelek

száma időegység alatt (intenzitás), A: aktivitás, f: gamma-gyakoriság

részecskeösszes

megszámolt

f.A

Im

108



hatásfoka

n

1i2

iln

m

0j

2j

iji

2

r

])Eln(.p)[ln(

mn

1

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= EC.O. és E>EC.O. esetekre.

C.O.: „cross-over” energia, ahol a hatásfok értékét meghatározó domináns

fizikai folyamatok „egymásba fűződnek”.

Hatásfokkalibráció

109

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.

110



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:

o

relc

FF

111

Detektorok sajátosságai -

felbontóképességA 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:

bE.aF ii

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.

112

Detektorok sajátosságai -

felbontóképességA 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.

113

Félértékszélesség

FWHM – full width at half maximum

Félértékszélesség-kalibráció

114

Félértékszélesség (keV)

– γ-energia (keV)

kalibráció

MULTIACT szoftver

115

Gamma spektrum NaI(Tl) szcintillációs detektorral

116

Mérési bizonytalanság,

hibaterjedésNukleáris statisztikusság = „Függőleges” szórás a spektrumokban = a

bomlások számával szigorúan arányos N beütésszámának varianciája (=

várható bizonytalanságának négyzete) szintén N, azaz

NNVar 2

N

„Hibaterjedés” – Propagation of Error

Z származtatott sztochasztikus mennyiség X alapmennyiségből,

melynek varianciája ismert - közelítés sorfejtéssel, majd a sorozat 1.

tagjának alkalmazásával:

2

X

ZXVarZVar

117


hibaterjedés1 – 1 minta- és háttérmérésből képezett

nettó beütésszám varianciája:

BS

BS

Nr

BS)B(Var)S(Var)N(Var

BSN

NN

Intenzitásra:

NI

M

rr

t

NI

A variancia négyzetgyöke a szórás (σ);

a relatív szórást (r) is gyakran használjuk.

118


hibaterjedésTöbb, egymást követő háttér/alapszint mérés varianciája

(spektrumnál: ROI – region of interest beütésszáma)

nB

1

B

n

B

Br

n

BB.

n

1)B(Var.

n

1)B(Var

B.n

1B

B

B

i2

n

1i

i2

n

1i

i

119


hibaterjedés

A variancia gyakorlati alternatívája: tapasztalati

szórás (az átlagos háttér példájára alkalmazva)

2

22

i

2

i

B

B

2

i2

B

2

i2

B

B)1n(n

B.nB

B

)1n.(n

)BB(

B

sr

)1n.(n

)BB(s

1n

)BB(s

120


hibaterjedésSzorzat- és hányadosfüggvények varianciája :

2

Y

2

X

2

Z

22

2

22

2

2

22

22

rrr

YX

)Y(Var.X

YX

)X(Var.Y

Z

)Z(Var

)Y(Var.X)X(Var.Y)Z(Var

)Y(Var.Y

Z)X(Var.

X

Z)Z(Var

Y.XZ

121


hibaterjedés

2

m

2

m

m

f

1.

A

I

f

A

1.

f

I

A

f.A

1

I

2

f

2

A

2

I

2 rrrrm

Szorzat- és hányadosfüggvények varianciája - Alkalmazás

a hatásfok bizonytalanságának számítására:

f.A

Im

Behelyettesítve, és a relatív varianciákat kifejezve:

122


hibaterjedés

Logaritmikus transzformáció:

2

x2

2

r)x(Var.x

1)x(Var.

x

)xln()xln(Var

Alkalmazás: hatásfok – gammaenergia kétszer logaritmikus függvény regressziós

illesztéséhez

123

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

124

Gamma spektrum HP Ge félvezető

detektorral

125

Gamma spektrum kiértékelése [GSANAL]

126

HP Ge

gamma

spektrum

eredmény-

listája

Roi# Centre Energy LM RM Peak Area Intensity Error Isotope (ch) (keV) (cps) (%) 1. 103.0 75.8 91 * 1.495e+004 2.637e-001 11.2 Bi-214,Pb-214,Pb-Xray 2. 117.2 86.5 * 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. 322.7 241.8 * 328 4.963e+003 8.754e-002 8.0 Pb-214 5. 393.1 295.0 384 399 1.094e+004 1.929e-001 4.0 Pb-214 6. 468.1 351.7 459 474 1.798e+004 3.171e-001 3.6 Pb-214 7. 678.8 510.9 668 686 1.643e+003 2.898e-002 12.7 Annih.,Tl-208 8. 774.2 583.1 765 782 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. 883.0 665.3 873 892 4.990e+002 8.818e-003 27.3 Bi-214 11. 1019.2 768.2 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 1.43E-003 Cs-134 2.71E-003 I-131 1.26E-003 I-132 1.27E-003 I-133 1.17E-003 Co-60 1.49E-003

127

Spektrumanalízis alapjai

Csúcsterület

Közelítő terület: a ROI tartományában lévő összes beütésszám, levonva más, nagyobb energiájú csúcsok Compton-tartományát: trapézmódszer

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.

)1LR.(2

yyyN LR

R

Li

i

128


Csúcsterület szórása a trapézmódszernél

2

LR

R

Li

i2

1LR)yy(y)N(Var

129


Ha a „vízszintes” szórás véletlenszerűen változtatja az

energiakonverziót, akkor a teljes energia-abszorpció által

létrejövő spektrumcsúcsok alakja Gauss-jellegű lesz:

2

2

2

2

2

)x(

02

)x(

eye.2

N)x(G

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,

y0 az amplitúdó, N a Gauss-integrál = csúcsterület

130

Spektrumanalízis alapjaiA 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) Gauss-profilok és a közös alapvonalfüggvény összege:

p

)x(B)x(G)x(R

131


Az R függvény paraméterei regresszióval határozhatók meg. A

regressziós maradvány-négyzetösszeg előállításához a ROI-

nak legalább n=m +1 pontból kell állnia (csúcsonként (peak

= p) legalább 3, lineáris alapvonalnál további 2 paraméter

m=3.p+2).

Csúcsonként két paraméter: centrum és szélesség

„rögzíthetők” – egyszerűsödhet az illesztés, és a fizikai

modellnek is jobban megfelelünk.

A χ2 függvénynek az R függvény paraméterei szerinti parciális

deriválásával a paraméterek kiszámíthatók.

n

i y

ii

i

Ry

12

22 ][

132


CsúcskeresésAz 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.

133


A csúcs centrumának megfelelő csatornában a Gauss-

görbe 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

)x(G2

2

2

2

)x(

0 e.y

2

2

04

22

2

)x(exp.y.

)x()x(G

134

Közvetlen spektrumkiértékelés -

csúcskeresés

Centrum helye: 1. derivált zérushelye

.x

)x(G2

2

2

2

)x(

0 e.y

Centrum helye: 2. derivált negatív minimuma

.)x(

)x(G4

22

2

2

2

)x(

0 e.y

135

A Gauss-csúcsalakfüggvény és deriváltjai

136


csúcskeresés

„Simítás” (smoothing) – numerikus

konvolúció

w

jij,k

)k(

i y.cs

Alkalmas

- A csatornatartalmak „függőleges szórásának” csökkentésére;

- A spektrum numerikus deriváltjainak előállítására

- A simított adatok varianciájának számítására

Simítás = a szomszédos

csatornatartalmak (beütésszámok)

súlyozott átlagaként előállítható a

spektrum k= 0., 1., 2. … deriváltja

ji

w

jk

k

i ycsVar .)( 2

,

)(

137


csúcskeresésPélda: „egyszerű” differenciaképzés ≈ első derivált számítása

a keresett pont előtti és utána lévő pontok közötti

függvényértékek különbségének átlagaként.

3w;2

1c;

2

1c;0c

2

yy

2

)yy()yy(s

110

1i1i1iii1i)1(

i

138


csúcskeresésCsúcskeresés a simított spektrumokbólHa 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:

])i[s(Var

]i[s

)k(

)k(

w)k(

)k(

w)k(

)k(

])i[s(Var

]i[s

])i[s(Var

]i[si

.ct

ct.: a csúcs centruma

139

Közvetlen spektrumkiértékelés

Csúcsterület Gauss-függvénnyel közelített

csúcsalaknál:

pp,0p .y.2N

Szórás és félértékszélesség kapcsolata:

.)2ln(.8F

140

Közvetlen spektrumkiértékelés

Csúcsterület meghatározása módosított

Gauss-függvénnyel közelített

aszimmetrikus csúcsalaknál:

R

L

*

p,0

*R

Li

p,0p dx)x(G.y)i(G.yN

141

Közvetett spektrumkiértékelés

Centrum Gammaenergia, Izotópazonosítás

(csatornaszám/energia kalibrációval)

CsúcsterületIntenzitás, 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!

142

Szignifikancia - kimutathatóság

LC=”critical level” az a nettó beütésszám, aminek elérése esetén igazoltnak tekintjük az adott radionuklid jelenlétét a vizsgált mintában. Az LC-re alapozott vizsgálat utólagos (a posteriori) kritériumvizsgálat.

Elsőfajú hiba: a mintában nincs jelen a keresett radionuklid, mi mégis igazoltnak véljük jelenlétét. LC 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 kα-érték, amelynél a normalizált normális eloszlás integrálja éppen (1-α) lesz.

α

σ0

LC=k⋅σ0

(1-α)

Gyakoriság

Beütésszám

A „kritikus szint” (LC) értelmezése – az

ábrát Halász Máté készítette

144


Normalizált normális eloszlás: Gauss-

eloszlás N=1, μ=0 és σ=1 helyettesítéssel

2

)0x(

n

2

e.2

1)x(G

1)x(Gk

n

Ha 1-α = 95 %,

akkor kα= 1.645

„95 %-os megbízhatósági szint”

145


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, σS≈(B)½

Az alapszint mérési bizonytalansága σB.

BS)0(N

146


A kritikus szint, LC definíció-egyenlete:

00C .k.kL

B2B 2

B

2

B

2

S0

ahol

k

1

Lr

C

0LC Az LC-vel azonos nagyságú

nettó beütésszám/csúcsterület

relatív bizonytalansága

147


LD=”detection level” annak a nettó

beütésszámnak a várható értéke, amely, ha

jelen lenne a mintában, β-nál nem nagyobb

valószínűséggel eredményezne LC-nél kisebb,

tehát a jelenlét elutasítását maga után vonó

mért nettó jelszámot. Az LD-re vonatkozó

vizsgálat megelőző (a priori) kritériumvizsgálat.

148


Másodfajú hiba: a mintában jelen van a keresett

radionuklid, mi mégis elvetjük a jelenlétét elismerő

hipotézist. A másodfajú hiba 1-β valószínűséggel

elkerülhető = LD –nyi aktivitás jelenléte esetén β-nál

nem nagyobb valószínűséggel adódhat másodfajú

hiba. A mért nettó beütésszámok eloszlását

ábrázoló függvény ordinátáján a μ=LD várható

értékű és σ szórású Gauss-eloszlás integráljának β

hányada lesz LC-nél kisebb.

σ0σLD

LC=k⋅σ0

αβ

LD

(1-α) (1-β)

Gyakoriság

Beütésszám

A „detektálási határ” (LD) értelmezése – az ábrát Halász Máté készítette

150


LD definíció-egyenlete:

.k.k.kLL 0LCD D

LD ugyanakkor a mért S bruttó beütésszám és a B alapszint

várható különbsége is, tehát S = LD + B, és innen az LD-vel

azonos nagyságú nettó beütésszámra:

2

0D

2

BD

2

B

2

D LBLSLVar

A korábbiakból:

2

22

0

k

Lc

151

Szignifikancia - kimutathatóságLD-t általános esetben a rá nézve előálló másodfokú egyenlet

megoldásával kapjuk meg, melyet az alábbi egyenlet

átrendezésével kapunk:

)k

LL(kLL

2

2

CDCD

2CD kL2L

kα = kβ = k helyettesítéssel

ezt kapjuk:

152


Mennyi lehet az LD-nyi beütésszám relatív

hibája?

2

2

L

k)n

11(Bk2

)n

11(Bk)

n

11(Bk2

rD

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%.

153


154


155


Határozzuk meg egy, a

spektrumban nem látható

radioizotóp kimutatható

aktivitását!

1. A várható csúcs centruma és

szélessége

2. LC számítása a mért

spektrumból („B” kijelölése!)

3. LD számítása LC-ből

[beütésszám]

4. Átváltás aktivitásra [Bq]

)E(.f

t

L

Am

D

LD

Ellenőrzés: az így definiált csúcs

generálása a spektrumban, felismerése

a csúcskereső rutinnal.

„TERVEZŐPROGRAM” – fontos

része a gamma-spektrometriás

programoknak.

156

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

157

A természetes sugárterhelés összetétele

Európában átlagosan 2 - 3 mSv/év

• belső sugárterhelés 65 – 70 % (238U→radon, 232Th →toron, 40K, 14C)

• külső sugárterhelés 30 – 35 % (kozmikus

sugárzás, ősi nuklidok γ-sugárzása a talajból,

építőanyagokból)

Orvosi eredetű sugárterhelés: átlagosan

1,2 mSv/év (Mo., 2008-ban)

158

222Rn (Radon) a 226Ra-ból

rövid felezési idejű leányelemek:

222Rn T= 3,83 nap α (5,49 MeV)

218Po T = 3,11 perc α (6,00 MeV)

214Pb T= 26,8 perc (500 keV)

(295 keV ; 352 KeV)

214Bi T= 19,9 perc (1400 keV)

(609 keV ; 1120 keV ; 1765 keV)

214Po T= 164 µs α (7,69 MeV)

-------------------------------------------------------------------------------------------210Pb T= 22,0 év …

A tüdő

egyenértékdózisa adja

a sugárterhelés

túlnyomó részét; ezt a

légutakban lerakódó,

aeroszolhoz kötött

leányelemek

alfasugárzása okozza.

159

220Rn (Toron) a 232Th-ból

leányelemek:

220Rn T= 55,6 s α (6,3 MeV)

216Po T = 0,15 s α (6,77 MeV)

212Pb T= 10,6 óra (570 keV)

(239 keV)

212Bi T= 60,6 perc (240 keV) 64 %

α (6.05 MeV) 36 %

(727 keV)

212Po T= 0,3 µs α (8,78 MeV)

208Tl T= 3,05 perc (700 keV)

(583 keV ; 2614 keV)

160

Hogyan jut a radon a lakótérbe?

161

Honnan jut radon a lakótérbe?

Forrás: Jobbágy Viktor Ph.D. dolgozata (2007)

163

PÓRUS – a radon közvetítője a felszíni légtérbe

Emanáció: radon kibocsátása a rádiumot tartalmazó szilárd szemcsékből a

pórustérbe

Exhaláció: radon kijutása a légtérbe

A közép-európai talaj átlagos exhalációs sebessége: 17 mBq/m2/s 222Rn

Forrás: http://konyvtar.uni-pannon.hu/doktori/2007/Jobbagy_Viktor_dissertation.pdf

164

??

165

Radon - szabályozásA 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/m3.

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.

13000

C

200

C

300

CI KThRa 40232226

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 time-

integrated 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

167

Radonszint szabályozás egyes

megoldásai• Mo.: 487/2015. korm.r. szerint a lakossági

vonatkoztatási szint 300 Bq/m3 évi átlagos Rn-

koncentráció; építőanyagoktól származó külső

dózis vonatkoztatási szintje 1 mSv/év.

• Svédország: rádium-index – c egysége [Bq/kg]

1200

cI Ra

Ra

226

168

Radonkoncentrációk

A belső sugárterhelés dózisával közvetlen kapcsolatba

hozható mennyiség a potential alpha energy concentration

(PAEC):

3321m

MeV

V

169,7N69,7N71,13NPAEC

N1: az 1. leányelem (218Po) nuklidjainak száma,

N2: a 2. leányelem (214Pb) nuklidjainak száma,

N3: a 3. leányelem (214Bi) nuklidjainak száma,

V a vizsgált levegő térfogata.

Egy 218Po-nuklidból 6,02 + 7,69, összesen 13,71 MeV alfaenergia,

egy 214Pb- illetve egy 214Bi-nuklidból 7,69 MeV alfaenergia juthat legfeljebb a

szervezetbe.

169


Ha a radon-anyaelem (222Rn, „0” index) és leányelemei

szekuláris egyensúlyban vannak, akkor aktivitásuk és

aktivitás-koncentrációjuk körülbelül azonos.

A0≈A1≈A2≈A3; és ekkor

321

0eq

69,769,771,13cPAEC

AN

V

Ac illetve helyettesítéssel:

170


Egyensúlyi egyenérték koncentráció (EEC [Bq/m3]) = az

adott keverék által a légutaknak okozott egyenérték

dózissal arányos összes (potenciális) alfa-energia

ugyanakkora, mint egy fiktív egyensúlyi keveréknek

tulajdonítható PAECeq

321

3

3

2

2

1

1

0

eq69,769,771,13

69,7c

69,7c

71,13c

cPAEC

PAECEEC

171


379,0c516,0c105,0cEEC 321

0c

EECf

Effektív egyensúlyi tényező

Tapasztalati értékek:

Szabadban 0,8 --- 1

Zárt térben 0,4 --- 0,7

Átszámítás effektív dózisra:

20 … 60 Bq/m3 (c0 vagy EEC) ?? → 1 mSv/év

172

Radon meghatározása

Gázkoncentráció mérése: nyomdetektor, aktív és passzív mérőkamrák

detektor: átáramlásos ionkamra, Lucas-cella (ZnS(Ag) szcintillátor)

222Rn mérése vízben: folyadékszcintilláció vagy kibuborékoltatás

222Rn-leányelemek mérése: alfa- és gamma-spektrometria

173

Radon meghatározása a

leányelemek aktivitásábólAz aeroszol elektrosztatikus leválasztása, bomlásgörbe meghatározása

összes alfaintenzitás mérésével – Tsivoglu-módszer: összesalfa-intenzitás mérése a gyűjtés befejezése után

Az 1. leányelem (218Po) nuklidjai számának

változása a szűrő felületén

A 2. leányelem (214Pb) nuklidjai

számának változása a szűrő felületén

174

Radon meghatározása –

leányelemek kiszűrése a levegőből

A szűrőn tc gyűjtési idő alatt összegyűlő aktivitás az 1. leányelem esetében arányos ennek átlagos aktivitás-koncentrációjával, az átszűrt térfogattal, és a „ingrowth” (felnövekedési) tényezővel.

A szűrés befejezése után exponenciális bomlás történik.

𝐴1,𝑐 =𝑐1∙ 𝑉

𝜆1∙ 1 − 𝑒−𝜆1𝑡𝑐 =𝑐1 ∙ 𝑉 ∙

1−𝑒−𝜆1𝑡𝑐

𝜆1∙𝑡𝑐

175


Tsivoglu-módszer:

A „gyűjtés” diff. egyenleteinek megoldása a mintavétel végpontjára: A1c, A2c, A3c kifejezhetők.

))30t(fA)30t(fA)30t(fA()30(I

))15t(fA)15t(fA)15t(fA()15(I

))5t(fA)5t(fA)5t(fA()5(I

3c32c21c1m

3c32c21c1m

3c32c21c1m

Az intenzitásokat mérjük, az időfüggések kiszámíthatók – 3 egyenlet 3 ismeretlennel,

megoldható. „Modern” megoldás: regresszióanalízis. (Ri a fenti egyenletrendszer jobb

oldalán látható függvény.)

n

1i2

I

2

ii,2

i,

)RI(

176


A Tsivoglu-módszer fogyatékosságai:

0-nak veszi a 220Rn mennyiségét, azt így nem is lehet

meghatározni;

Azonos számlálási hatásfokot feltételez az Eα-kra;

Nem veszi figyelembe a bomlást a mérési ciklusok alatt.

„0” index: a mérési ciklus kezdetekor fennálló állapot

mt

0

m dt)t(AN

m0

m

m0

m

fIt

)texp(1A

t

NI

177

Radongáz mérése levegőben –

RADIM 3A

178

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 218Po, 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-módszernélközöltekhez hasonlóak.

179

Radon mérése vízben

180

RADIM-3W mérési elve

A vízben oldott radon kibuborékolva a mérőtérbe jut – a továbbiakban az elv

azonos a RADIM 3A-nál leírtakkal.

181

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 (YAlO3:Ce) vagy YAG szcintillációs detektorral, közvetlenül a vízben lévő radont méri, kibuborékoltatás nélkül, a gammasugárzó leányelemek révén.

182

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-spektrometria222Rn: 1. és 3. leányelem α-, 2. és 3. leányelem γ-sugárzó.220Rn: 1 és 3. leányelem α-, 2., 3. és 4. leányelem γ-sugárzó.

183

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

184

Dózisteljesítmény-mérés

Gamma-dózisteljesítmény szabadtéren

185

KORAI RIASZTÁS – környezeti dózisteljesítménymérő

válasza 6 hónap alatt

A hosszú időtartamú felvételen

3 hatás látható:

• helyi hatás (kibocsátás),

• gyors környezeti hatás

(szennyezők terjedése),

• lassú (évszaktól függő)

változás

dose rate

[nSvh]

186

KORAI RIASZTÁS – helyi hatások

Frissen készített radioaktív

sugárforrások használata

figyelhető meg az oktatóreaktor

közvetlen közelében telepített

mérőberendezéssel. Az ábrán 24Na sugárforrás előállítása és

tárolása által okozott hatás

látható.

Dózisteljesítmény

[nSvh]

187

KORAI RIASZTÁS – csapadékcsúcsok

Az eső vagy hó rendszeresen kimossa a

levegőből a lebegő port (aeroszolt). A

földfelszínre jutó por felületén

megkötött 222Rn- és 220Rn-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.

Dózisteljesítmény[nSvh]

188

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 cA [Bq/m3]

Háttér és alapszint: külső „gamma-dózistér”, illetve 222Rn-és 220Rn-leányelemek – mindkettő változik a mérés alatt!

Mesterséges radioaktivitás „felépülése” a szűrőn = lásd „radonos”

differenciálegyenletek!

189

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.

190

Állószűrős monitorozó berendezés

191

Állószűrős monitorozó berendezés

AMS-02 számítógéppel

vezérelt manipulátor a

szűrők rendezéséhez

192

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• 222Rn és 220Rn EEC a mintázott levegőben [Bq/m3];• Ha az F/R küszöböt meghaladta az aeroszolhoz kötött

mesterséges radioaktivitás mennyisége, minőségi becslés az aktivitáskoncentráció minimum és maximum [Bq/m3]értékeivel;

• Ugyanez az atomos és/vagy szerves jódokra: minimum ésmaximum [Bq/m3];

• Ha nem volt mesterséges aktivitás jelen, LD-ket számol a program.

193

Mintavétel és mérés számítási

egyenletei

Az „első leányelem”

gyűjtése és fogyása a

szűrő felszínén:

Megoldás: integráló tag

bevezetésével

ci: aktivitáskoncentráció a

levegőben [Bq/m3]

ηf: szűrési hatásfok ≈ 1

: pumpasebesség [m3/s]

λ: bomlási állandó [1/s]

194

Mintavétel és mérés számítási

egyenletei

Integrálás, peremfeltétel: ha t=0, N=0

„Pillanatnyi” vagy „átlagos”

koncentráció számításához ci

változását vagy állandóságát

kell feltételezni.

195

Egy mért gamma-csúcs intenzitásának függése a szűrőn felhalmozódó

radioaktivitástól: (Im = mért intenzitás [cps])

TRUE

LIVEt

t

0LIVE

mt

tdt)e1(V

C

t

fI

TRUE

ηγ: az adott gammavonalra vonatkozó hatásfok, fγ: gammagyakoriság, tLIVE: élőidő,

tTRUE: valódi mérési idő, λ: bomlási állandó, .

V : térfogatáram.

Az integrálás elvégzése után

C [Bq/m3], a mintavételi ciklus alatt fennálló átlagos

aktivitáskoncentráció kifejezhető, V: teljes mintázott térfogat

TRUE

t

TRUEm

t

e11

t

V

1

f

IC

TRUE

Korai riasztás – AMS-02 – a gammadetektor válasza

196

KORAI RIASZTÁS – AMS-02 aeroszol szűrőjére

helyezett PIPS detektor válasza 222Rn-leányelemekre

(alfa-béta spektrum)

197

KORAI RIASZTÁS – AMS-02 aeroszol szűrőjére helyezett

PIPS detektor válasza 220Rn-leányelemekre (alfa-béta

spektrum)

198

Levegőmonitorozás AMS 02-vel –

mérés és kiértékelésGamma- és alfa/béta-spektrum felvétele

199

Levegőmonitorozás AMS 02-vel

Radon EEC mérési eredmények

200

Levegőmonitorozás AMS-02-vel24Na-val működtetett aeroszol-generátorral kapott

pillanatnyi és átlagos aktivitáskoncentráció

az elemek keletkezésének történeteoldweb.reak.bme.hu/fileadmin/user_upload/felhasznalok/... ·...

Documents