No title

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

kapitola

3

ZDROJE IONIZUJÍCÍHO ZÁØENÍ

Ionizujícím záøením se rozumí záøení zpùsobující ionizaci látky, kterou prochází, a to jednak pøímo, jednak prostøednictvím sekundárního záøení. Ionizující záøení lze dále dìlit na: • Pøímo ionizující záøení je tvoøeno nabitými èásticemi (elektrony, pozitrony, protony, èásticemi alfa apod.), jejich kinetická energie je dostateènì velká k tomu, aby vyvolala ionizaci. • Nepøímo ionizující záøení je tvoøeno nenabitými èásticemi (neutrony, fotony), které vzhledem k tomu, že nemají elektrický náboj, nemohou ionizovat. Procházejí-li nenabité èástice látkou, pak interakci s atomy této látky uvolòují v ní nabité èástice nebo zpùsobí jadernou pøemìnu provázenou emisí pøímo ionizujícího záøení. Z jiného hlediska lze ionizující záøení rozdìlit na korpuskulární záøení (záøení alfa, beta, neutronové záøení apod.) a na elektromagnetické (záøení gama, rentgenovo záøení X). Radioaktivní záøení je záøení, které se uvolòuje pøi rozpadu atomových jader. Dle charakteristických vlastností se dìlí na záøení µ, b, g a nìkteré další.46) 46 X-záøení (Rentgenové záøení), rentgenové paprsky, paprsky X – neviditelné krátkovlnné pronikavé elektromagnetické záøení ve vlnovém oboru asi 10–11 až 10–12 m. Pøirozenými zdroji jsou hlavnì hvìzdy; umìle lze rentgenové záøení získat v rentgenové trubici dopadem urychlených elektronù na anodu rentgenky (primární rentgenové záøení). Dalším zdrojem jsou urychlovaè, nìkteré radionuklidy. Rentgenové záøení pùsobí druhotné záøení látek v optickém oboru (luminiscence), zèernání fotografické emulze, ovlivòuje živou i neživou hmotu. Záøení µ – záøení alfa je pøímo ionizující záøení tvoøené èásticemi alfa – jádra helia. Zdrojem záøení alfa jsou tìžké radionuklidy. Pøi prùchodu prostøedím silnì ionizují a velmi rychle ztrácejí svoji energii. Dosah záøení alfa je proto znaènì omezen. Ve vzduchu èiní jenom nìkolik milimetrù, ve vodì nebo tkáni jenom zlomky milimetrù. Záøení b – záøení beta je tvoøeno rychlými elektrony. Vzniká pøi pøemìnì mnoha pøírodních i umìlých radionuklidù. V porovnání se záøením alfa jsou èástice beta mnohem lehèí, pohybují se pøi stejné energii podstatnì rychleji. Pøi prùchodu prostøedím daleko ménì ionizují. S tím souvisí i výraznì vìtší dosah záøení beta – ve vzduchu èiní až nìkolik metrù, ve vodì nebo tkáni jednotky až desítky milimetrù a u t잚ích materiálù desetiny až jednotky milimetrù. Záøení g – záøení gama je elektromagnetické záøení obvykle jaderného pùvodu. Vzniká pøi radioaktivním rozpadu øady radionuklidù, èasto souèasnì se záøením beta nebo alfa. Záøení gama obsahuje emitované fotony. Pøi prùchodu prostøedím uvolòuje záøení gama elektricky nabité èástice a pøedává jim energii dostateènou k tomu, aby byly schopny ionizovat. Jedná se tedy o nepøímo ionizující záøení. Dosah gama záøení je ve vzduchu øádovì nìkolik set metrù a v kompaktních materiálech jako napø. zemina, hornina, beton je øádovì nìkolik centimetrù až desítek centimetrù. Reliktní záøení – izotropní mikrovlnné záøení vesmíru na frekvencích 108–1012 Hz. Jeho spektrum odpovídá záøení absolutnì èerného tìlesa s teplotou 2,7 K. Je pozùstatkem (reliktem) éry záøení z poèátku expanze vesmíru. Záøení kosmické – tok èástic vysokých energií, které dopadají na Zemi z kosmického prostoru. Primární záøení kosmické tvoøí pøedevším protony a lehká atomová jádra s energií až 1020 eV. Interakcí primárního záøení kosmického s atomy atmosféry vzniká sekundární záøení kosmické, ve kterém jsou zastoupeny fotony a další elementární èástice. Záøení brzdné – záøení, jehož zdrojem jsou elektricky nabité èástice v coulombickém poli jádra. Pøi prùchodu rychlých elektronù látkou dochází k podstatné ztrátì jejich kinetické energie v dùsledku vznikajícího záøení brzdného pøi energii elektronù vìtší než asi 1 GeV. Èerenkovovo záøení – záøení vznikající pøi prùchodu nabitých èástic látkou, pokud jejich rychlost je vyšší než fázová rychlost svìtla v daném prostøedí. Úhel mezi svazkem procházejících èástic a smìrem emise Èerenkovovo záøení závisí na rychlosti èástic a využívá se k jejich detekci.

74

TOMÁŠ FUKÁTKO: DETEKCE A MÌØENÍ RÙZNÝCH DRUHÙ ZÁØENÍ

A

3.1

Druhy zdrojù ionizujícího záøení

Zdrojem ionizujícího záøení jsou pøirozenì radioaktivní látky, umìle vyrobené radionuklidy, a speciální zaøízení jako rentgenky, urychlovaèe nabitých èástic, jaderné reaktory apod. Zdroje radioaktivního záøení je možno dìlit do tøí skupin a to na: • uzavøené radioaktivní záøièe • otevøené radionuklidy (jedná se napø. o radioaktivní roztoky, plyny) • radioaktivní aerosole

3.1.1 Uzavøené radioaktivní záøièe Uzavøené radioaktivní záøièe pøedstavují radioaktivní látku uzavøenou do pouzdra, zamezujícího její pøenesení na povrch pouzdra, pøípadnì mimo pouzdro. Pouzdro však nezabrání pronikaní radioaktivního záøení stìnou pouzdra, pouze jej mùže omezit, pøípadnì transformovat na jiný typ radioaktivního záøení (napø. na brzdné záøení). Mezi uzavøené záøièe lze zaøadit napø. rentgenovy pøístroje, jaderná energetická a experimentální zaøízení (objekty jaderných zaøízení) a podobná zaøízení. Pøednosti uzavøených radioaktivních záøièù je skuteènost, že jejich radioaktivní záøení lze snížit nebo docela pohltit vhodnou ochranou (napø. olovnìné kryty, kovové stìny a podobné). Tím zamezit nebo alespoò omezit vnìjší ozáøení radioaktivním záøením.

3.1.2 Otevøené radioaktivní záøièe U tìchto radioaktivních záøièù je možné, že radioaktivní látka se mùže rozptýlit mimo vymezený prostor (pracovištì) nebo se volnì šíøit prostorem napø. u kapalných nebo plynných radionuklid. Pøenesení (šíøení) se radioaktivní látky mimo vymezený prostor se nazývá kontaminaci, pøièemž se rozlišují dva druhy kontaminace: • povrchová kontaminaci, pøi které dojde pøenesení radioaktivní látky na povrch uvažovaného pøedmìtu, osoby apod. V tomto pøípadì je možné vhodnou „dekontaminaci“ radioaktivní látku odstranit (napø. oplachem). • vnitøní kontaminace. V tomto pøípadì dojde ke vniknutí radioaktivní látky do organismu a již v rámci fauny47) nebo flory.48)

47 Vnitøní kontaminace èlovìka a živých organismù je nejnebezpeènìjší, protože pøi ní je organismus záøením zatìžován dlouhodobì a „zevnitø“. Radionuklid vstoupí do metabolismu a podle své chemické povahy se mùže hromadit v urèitých „cílových“ orgánech, které jsou pak bezprostøednì vystaveny úèinkùm záøení K vnitøní kontaminaci mùže docházet zažívacím ústrojím, dýchacím ústrojím nebo prùnikem pøes pokožku.

A

3 ZDROJE

IONIZUJÍCÍHO ZÁØENÍ

75

3.1.3 Radioaktivní aerosole49) Obsahují jak pøirozené radionuklidy, tak umìlé radionuklidy. Do radioaktivních aerosolù lze zahrnout rovnìž radon. Aerosol je pøedstavován koloidní soustavou složenou z kapalných èi pevných (popøípadì obou) èástic rozptýlených v plynném prostøedí, lze ji uvažovat jako suspenzi pevných a kapalných nebo pevných èástic v plynném prostøedí, mající zanedbatelnou pádovou rychlost. Kondenzaèní jádra jsou velmi drobné aerosolové èástice v atmosféøe Zemì, které mají vhodné fyzikální a chemické vlastnosti k pøechodu vody z fáze plynné do fáze kapalné. Nejvýznamnìjšími kondenzaèními jádry jsou kapièky moøské vody, které se uvolòují z moøí a oceánù. Radionuklidy, které jsou obsaženy v aerosolech: • pøirozené radionuklidy (pøedevším radon) • umìlé radionuklidy • radionuklidy obsažené v radioaktivních odpadech  • štìpením jaderného paliva – 137Cs, 90Sr, 85Kr, 131I • neutronovou aktivací prvkù v konstrukèních materiálech – 51Cr, 54Mn, 59Fe, 60Co a jiné • neutronovou aktivací prvkù a neèistot obsažených v chladivu – 3H, 2H, 4Li, 24Na, 17N a jiné

3.1.4 Radon a jeho výskyt Vìtšina prvkù, z nichž jsou složeny všechny minerály, horniny i zeminy v pøírodì, je stabilních a bìhem geologického vývoje Zemì se nemìní. Avšak existuje èást prvkù, které stabilní nejsou, mají takzvané nestabilní jádro a bìhem doby se samovolnì rozpadají na stabilnìjší prvky. Tento proces, který probíhá po celou geologickou historii, se 48 Známý je pøípad v období po Èernobylské katastrofì a vzniku radioaktivního mraku nad Èeskou republikou, kdy došlo k výraznému jeho spadu nad Èeskomoravskou vysoèinou, že po tomto období se silnì zvýšil obsah radioaktivních látek v lesních houbách a v kravském mléku. Radioaktivní mrak po výbuchu v Èernobylu obsahoval pøedevším cesium 137 a jód 131. Poloèas rozpadu 137Cs je 30 rokù a bude tedy trvat nìkolik set let, než se jeho hodnota sníží na zanedbatelné hodnoty. Naopak poloèas rozpadu jódu 131I je jen 8 dní a dlouhodobì nepøedstavuje velké nebezpeèí. O to vìtším ohrožením ale byl v prvních týdnech po havárii, kdy pronikl pøedevším do mléka. 49 Aerosol, koloidní soustava složená z kapalných èi pevných (popø. obou) èástic rozptýlených v plynném prostøedí. Chemicky stabilní systém. V pøírodì z technického hlediska jsou to mraky, mlha nebo kouø. V meteorologii oznaèení pro pevné nebo kapalné èástice rozptýlené ve vzduchu. Aerosol atmosférický, soubory tuhých a kapalných èástic v atmosféøe Zemì. Aerosol atmosférický mùže být pùvodu pøirozeného (vodní kapièky, ledové èástice, èásteèky moøských solí, pùdní a prachové èástice, pylová zrna, bakterie, spory, produkty vulkanické èinnosti, hoøení meteoritù v ovzduší atd.) nebo antropogenního (kouø, popílek, mìstské a prùmyslové aerosoly atd.). Fotochemický smog, atmosférický aerosol vznikající v letních mìsících vlivem silného sluneèního záøení na exhalace (zejména ze spalovacích motorù). Má silné oxidaèní úèinky, nebo obsahuje vysoké koncentrace ozónu a organických peroxidù.

76

TOMÁŠ FUKÁTKO: DETEKCE A MÌØENÍ RÙZNÝCH DRUHÙ ZÁØENÍ

A

nazývá radioaktivní rozpad. Pøi tomto rozpadu vznikají nové stabilnìjší radioaktivní prvky a jaderné záøení. Jedním z pøírodních radionuklidù, pøítomných ve stopovém množství ve všech horninách a zeminách, je uran (238U). Rozpadem uranu vznikají další radioaktivní prvky s postupnì se zvyšující stabilitou jádra. Tyto prvky tvoøí takzvanou uranovou rozpadovou øadu, jejíž souèástí je i plyn radon.50) Uran (238U) je obsažen ve stopovém množství ve všech horninách zemské kùry a vzhledem k jeho dlouhodobému poloèasu rozpadu je produkce radonu prakticky konstantní, neodstranitelná. Všechny prvky uranové rozpadové øady, kromì plynu radonu, jsou tìžké kovy. Zdrojem radonu je podloží objektu, stavební materiály, ze kterých je objekt postaven, a podzemní voda, ve které se radon rozpouští. Podzemní voda, která proudí skrz horniny a zeminy obsahující radon, je tímto plynem nasycována. Nejvyšší obsah radonu z tohoto dùvodu vykazuje spodní voda v geologickém profilu tvoøeném vyvøelými horninami (žula, pegmatit, porfýr, syenit), Pøi využití této vody dochází k uvolòování tohoto plynu. Radon je pøírodní radioaktivní plyn. Je bez barvy, chuti a zápachu, chemicky neteèný. Radon se s poloèasem rozpadu 3,82 dne následnì rozpadá na takzvané dceøinné produkty rozpadu radonu: radioaktivní kovy polonium, vizmut a olovo. Tyto kovy mají tu vlastnost, že se usazují na povrchu prachových èástic a tvoøí takzvané radioaktivní aerosoly, které se volnì pohybují prostorem nebo sedají na pøedmìty v objektech.51) 5DGRQ 3RORQLXP α α β 3RORQLXP

2ORYR β %LVPXW

α

β

2ORYR

αDOIDþiVWLFHβEHWDþiVWLFH

Obr. 3.1

Rozpad radonu

222Rn

50 Kromì uranové rozpadové øady existují i další rozpadové øady, napø. thoriová s výchozím èlenem 232Th. 51 Jsou-li radon a jeho rozpadové produkty vdechnuty a už samotné, èi usazené na aerosolové nebo prachové èástice, zùstávají v dýchacích cestách, respektive v plicních sklípcích, kde se dále rozpadají, pøièemž „bombardují“ tenkou plicní výstelku s mateènými buòkami (sliznici) vysokými rozpadovými energiemi. Tyto mateèné buòky, které prùbìžnì a po celý život èlovìka dìlením zajišují regeneraci výstelky, jsou zásahem záøení poškozeny nebo usmrceny.

A

3 ZDROJE

IONIZUJÍCÍHO ZÁØENÍ

77

Radon (obr. 3.1), znaèka Rn – radioaktivní plynný prvek ze skupiny inertních plynù. Protonové èíslo 86, relativní atomová hmotnost 222; teplota tání 71 °C, teplota varu 61,8 °C. Objeven v roce 1900. V pøírodì se vyskytuje spolu s radiem, z nìhož vzniká a uniká do ovzduší 222Rn. 222Rn je nejvýznamnìjším zdrojem radioaktivity ovzduší. Pøi dlouhodobém pobytu v nevìtraných místnostech, jejichž zdi jsou z materiálù obsahujících radon, se zvyšuje riziko onemocnìní karcinomem plic. Vlastní dìj rozpadu rádia je pøibližnì následující. Nejdøíve dochází k migraci atomu radonu po krystalové møížce materiálu k jeho povrchu a koneènì pøechod atomu Rn do pórù a trhlin horniny. Koncentrace radonu v pùdním vzduchu tedy tvoøí ty atomy Rn, které pronikly až do pórù hornin a zemin. Radon migruje z geologického podloží, kde vznikl, do atmosféry a zde se rozptyluje a postupnì se rozpadává na stabilní neradioaktivní prvky (206Pb). Koncentrace radonu v ovzduší ve volné pøírodì èiní jen nìkolik málo Bq·m–3.52) Pøi detekci radonu v interiérech objektù a v pùdním vzduchu je používána velièina objemová aktivita radonu, která se vyjadøuje v jednotkách Bq·m–3 (becquerel na m3) èi odvozených jednotkách kBq·m–3. Principem metod mìøení radonu a jeho dceøiných rozpadových produktù53) je detekce ionizujícího záøení. Èástice alfa a beta, vznikající pøi radioaktivních rozpadech, vyvolávají v urèitých chemických látkách elektrický náboj èi svìtelné jevy, které mohou být zachycovány citlivým detektorem. Existuje øada typù detektorù (polovodièové, scintilaèní, stopové), které ve spojení s vhodným zesilovaèem (násobièem) mìøí energii i poèet fotonových zábleskù vznikajících v detekèní látce. Z tohoto údaje se výpoètem, po zadání patøièných velièin pro daný pøístroj, získá objemová aktivita radonu.

52 Pøi detekci radonu v interiérech objektù a v pùdním vzduchu používá se velièina objemová aktivita radonu, kterou vyjadøujeme v jednotkách Bq·m–3 (becquerel na m3). Probìhne-li v radioaktivní látce (jeden m3) jedna radioaktivní pøemìna (rozpad) za jednu sekundu, má objemová aktivita dané radioaktivní látky hodnotu 1 Bq·m–3. 53 a) Stopové detektory, které pracují na principu detekce stop vytvoøených alfa èásticemi z radonu a jeho dceøinných produktù ve speciálním materiálu podobném fotografickému filmu. Tyto detektory jsou urèeny pro roèní mìøení prùmìrné hodnoty ekvivalentní objemové aktivity radonu b) Elektretové detektory, které pracují na bázi postupného vybíjení tzv. elektretu umístìného v plastové vodivé ionizaèní komoøe. V této komoøe je od náboje elektretu vytvoøeno elektrostatické pole, ve kterém se rozpadá radon na své rozpadové produkty za vzniku ionizujícího záøení alfa a beta. Toto záøení ionizuje okolní plyn (vzduch) a vzniklé záporné ionty jsou pøitahovány na elektret, který postupnì vybíjí. Míra vybití elektretu (tj. rozdíl napìtí pøed a po mìøení) je pøímo úmìrná množství radonu v objektu. Tyto detektory jsou urèené pøedevším ke støednìdobému mìøení prùmìrné koncentrace radonu (od jednoho do nìkolika týdnù). c) Kontinuální monitory, které pracují na principu kontinuálního odbìru vzduchu a mìøení koncentrace radonu a jeho dceøiných produktù ve zvolených èasových intervalech. Tyto monitory jsou urèeny pro sledování èasových zmìn v koncentraci radonu, mìøení rychlosti pøísunu radonu do objektu, kontrolu úèinnosti vìtrání apod.

78

TOMÁŠ FUKÁTKO: DETEKCE A MÌØENÍ RÙZNÝCH DRUHÙ ZÁØENÍ

A