STŘEDOŠKOLSKÁ ODBORNÁ ČINNOST Obor SOČ: 2. Fyzika
Měření gama radioaktivity minerálních vod v oblasti Lázní Jeseník Measurement of the gamma radioactivity in mineral waters of the Jeseník Spa area OPRAVENÁ VERZE
Autor:
Marie Hlavačková
Škola:
Gymnázium Frýdlant nad Ostravicí náměstí T. G. Masaryka 1260 739 11 Frýdlant nad Ostravicí
Kraj:
Moravskoslezský
Konzultant: doc. Dr. RNDr. Petr Alexa Institut fyziky VŠB-TU Ostrava Hornicko-geologická fakulta 17. listopadu 15 708 33 Ostrava
Frýdlant nad Ostravicí 2014
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou práci SOČ vypracovala samostatně a použila jsem pouze podklady uvedené v seznamu vloženém v práci SOČ. Prohlašuji, že tištěná verze a elektronická verze soutěžní práce SOČ jsou shodné. Nemám závažný důvod proti zpřístupňování této práce v souladu se zákonem č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon) v platném znění.
Ve Frýdlantě nad Ostravicí dne ………………… podpis: ……………………………
Poděkování Děkuji panu doc. Dr. RNDr. Petru Alexovi za veškerou jeho obětavou pomoc a podnětné připomínky, které mi během práce poskytoval. Dále děkuji panu Mgr. Lukáši Bjolkovi za jeho pomoc s touto prací.
ANOTACE V této práci byl proveden gamaspektrometrický rozbor 11 minerálních pramenů z oblasti Lázní Jeseník. Ve třech z těchto pramenů byla zjištěna objemová aktivita
222
Rn z
aktivity jeho přeměnových produktů: (118,2 ± 4,6) Bq/l v Jitřním prameni, (113,5 ± 5,2) Bq/l v Pražském prameni a (74,6 ± 2,9) Bq/l v Slovanském prameni. V Jitřním a Pražském prameni převyšuje objemová aktivita
222
Rn směrné hodnoty dané Vyhláškou
307/2002 Sb. pro dodávanou vodu. Radioaktivní izotop
40
K byl zjištěn v 6 pramenech
(nejvyšší objemová aktivita (10,4 ± 4,4) Bq/l ve Vilémově prameni). Klíčová slova: gama spektrometrie; minerální voda; přírodní radioaktivita; Lázně Jeseník; radon
ANNOTATION Gamma-spectrometric analysis of 11 mineral springs in the Jeseník Spa area has been performed. Volume activity of 222Rn was determined from the activity of its decay products in three springs: (118.2 ± 4.6) Bq/l in the Jitřní pramen, (113.5 ± 5.2) Bq/l in the Pražský pramen and (74.6 ± 2.9) Bq/l in the Slovanský pramen. Volume activities of 222
Rn in the Jitřní pramen and the Pražský pramen exceed the guidance levels
for water suplied according to the Decree of the SÚJB No. 307/2002 Coll. The radioactive isotope
40
K was detected in six springs (the highest volume activity
of (10.4 ± 4.4) Bq/l in the Vilémův pramen). Key words: gamma spectrometry; mineral water; natural radioactivity; Jesenik Spa; radon
Obsah Úvod..................................................................................................................6 1 Teoretická část................................................................................................7 1.1 Radioaktivita v životním prostředí..............................................................................7 1.2 Biologické účinky záření.............................................................................................8 1.3 Detekce gama záření..................................................................................................10
2 Praktická část................................................................................................11 2.1 Odběr vzorků.............................................................................................................11 2.2 Měření gama záření...................................................................................................12 2.3 Zpracování výsledků měření.....................................................................................13 2.3.1 Prameny s předpokládaným obsahem radonu....................................................13 2.3.2 Ostatní prameny.................................................................................................19
3 Diskuze.........................................................................................................25 Závěr................................................................................................................27 Literatura.........................................................................................................28 Přílohy.............................................................................................................29
5
Úvod Tato práce si klade za cíl zjistit pomocí gama spektrometrie, jaké izotopy, s jak velkou objemovou aktivitou a s jakými biologickými účinky na člověka, se vyskytují ve veřejně přístupných minerálních pramenech v Lázních Jeseník. Vzhledem k
předchozímu
zkušebnímu
se předpokládal zvýšený obsah
měření
byly
vybrány
tři
prameny,
ve
kterých
222
Rn. Kromě těchto pramenů bylo odebráno dalších osm
dobře přístupných pramenů. U všech pramenů byla určena jejich objemová aktivita detekovaných izotopů a z ní pak vyvozeny případné dopady na zdraví člověka.
6
1 Teoretická část 1.1 Radioaktivita v životním prostředí V životním prostředí se přirozeně vyskytují izotopy, které podléhají radioaktivní přeměně. Jádro takovéhoto nestabilního izotopu se přeměňuje na jiné, přičemž tento proces doprovází záření. To může být vícerého druhu: Záření alfa – z jádra je emitována α částice, tedy jádro hélia ( 4He), které je tvořeno dvěma protony a dvěma neutrony. Toto záření je silně ionizující. Například: 226Ra → 222Rn + 4He Záření beta – jádro emituje elektron. Jelikož v jádru nejsou elektrony, při β - přeměně se neutron rozpadne na proton, elektron a elektronové antineutrino. Protonové číslo se tím pádem o jedna zvětší. Například: 214Pb → 214Bi + e- + ve Elektronový záchyt – jádro zachytí elektron z vlastního elektronového obalu, přičemž proton v jádře se přemění na neutron a elektronové neutrino. Protonové číslo se tím pádem o jedna zmenší. Například: 40K + e- → 40Ar + ve Záření gama – jedná se o elektromagnetické záření, které často vzniká spolu s alfa či beta zářením při radioaktivní přeměně jader, a to při přechodu nově vzniklého jádra z excitovaného stavu s vyšší energií do excitovaného stavu s nižší energií nebo do základního stavu. Záření gama je méně ionizující než alfa či beta, přesto je pro živé organismy nebezpečné. Záření gama má čárové spektrum, což znamená, že jeden radionuklid emituje pouze fotony s určitými energiemi, které jsou pro přeměnu charakteristické. U přírodních radionuklidů se tyto energie pohybují mezi 47 keV ( 210Pb) a 2615 keV (208Tl). [1] Rozpadová neboli přeměnová řada je řada izotopů, na které se postupně přemění izotop, kterým řada začíná. Na konci rozpadové řady je stabilní izotop. Rozlišujeme tyto 3 přirozené rozpadové řady: Řada uranová, která začíná uranem 238U a končí olovem 206Pb. Řada aktinuranová, která začíná uranem 235U a končí olovem 207Pb. 7
Řada thoriová, která začíná thoriem 232Th a končí olovem 208Pb. [2] Vedle radionuklidů, které jsou součástí některé z přirozených rozpadových řad, existují ještě samostatné radionuklidy, jejichž produkty rozpadu jsou stabilní. Mezi samostatné radionuklidy vyskytující se dále v této práci patří například 40K.
1.2 Biologické účinky záření Veličinami, které charakterizují působení záření na látku, jsou: Dávka je energie záření absorbovaná v hmotnostní jednotce ozařované látky. Jednotkou dávky je gray (Gy) s rozměrem J⋅ kg-1. Ekvivalentní dávka je definována vztahem: HT = wRDT
(1)
kde
DT
střední dávka záření ve tkáni nebo orgánu T (Gy)
a
wR
je
radiační váhový faktor závislý na druhu záření.
Jednotkou ekvivalentní dávky je Sievert (Sv). Radiační váhový faktor vyjadřuje relativní biologickou účinnost jednotlivých typů záření vzhledem k záření fotonovému. V případě gama
záření
je
tedy
radiační
váhový
faktor
roven
1,
tím
pádem
je ekvivalentní dávka číselně rovna dávce. Efektivní dávka je součet všech středních hodnot ekvivalentních dávek ve tkáních a orgánech lidského těla. E=∑ w T H T (Sv) kde
HT
a
wT
je
(2)
ekvivalentní dávka ve tkáni nebo orgánu (Sv) tkáňový váhový faktor.
Tkáňový váhový faktor vyjadřuje relativní příspěvek daného orgánu nebo tkáně k celkové zdravotní újmě způsobené rovnoměrným ozařováním celého těla. Součet všech tkáňových váhových faktorů se musí rovnat 1. Příjem I je definován jako aktivita radionuklidu přijatá do lidského organismu z prostředí, obvykle požitím nebo vdechnutím. Jednotkou příjmu je becquerel (Bq). Po příjmu radioaktivní látky ingescí či inhalací přechází tato látka z plic nebo zažívacího ústrojí do tělesných tekutin. Rychlost tohoto děje je dána chemickými vlastnostmi požité látky.
Radioaktivní
látka
se
částečně 8
vylučuje
z
těla
močí,
stolicí
a potem, částečně se ukládá v některých orgánech a její aktivita se postupně snižuje podle velikosti přeměnové konstanty. Koeficient udávající efektivní dávku v těle připadající na jednotkový příjem se nazývá konverzní faktor příjmu. Udává se v Sv/Bq. Hodnoty konverzních faktorů se liší podle věku uživatele, jak ukazuje Tab. 1. Konverzní faktory pro dospělé jsou platné pro tzv. referenčního člověka – charakteristického zástupce populace s hmotností 70 kg, příjmem vody za den 3 l a obsahem vody v těle 42 kg. [2] Tab. 1:
Konverzní faktory hing pro příjem požitím u jednotlivců z obyvatelstva
pro 40K [3] Věk (v letech)
Konverzní faktor hing
<1
6,2· 10-8
1-2
4,2· 10-8
2-7
2,1· 10-8
7 - 12
1,3·10-8
12 - 17
7,6·10-9
> 17
6,2·10-9
Platná legislativa Vyhláška 307/2002 Sb. Státního úřadu pro jadernou bezpečnost [3] stanoví: Obecné limity, tedy závazné hodnoty pro jednotlivce z obyvatelstva, jejichž překročení není přípustné. Pro součet efektivních dávek ze zevního ozáření a úvazků efektivních dávek z vnitřního ozáření je stanoven obecný limit 1 mSv za kalendářní rok. Směrné hodnoty obsahu přírodních radionuklidů v balené vodě a ve vodě určené k veřejnému zásobování pitnou vodou, které jsou stanoveny v tabulce č. 4 přílohy č. 10 Vyhlášky. Při jejich překročení se balená voda může uvádět do oběhu a pitná voda dodávat k veřejnému zásobování jen ve zdůvodněných případech, kdy náklady spojené se zásahem ke snížení obsahu radionuklidů, zejména výběrem jiného zdroje vody nebo odradonováním vody nebo jiným vhodným zásahem, by byly prokazatelně vyšší než rizika zdravotní újmy. Mezní hodnoty obsahu přírodních radionuklidů pro pitnou vodu dodávanou k veřejnému zásobování a balenou vodu, které jsou stanoveny hodnotami objemových aktivit v tabulce č. 5 přílohy č. 10 Vyhlášky. Je-li ve vodě přítomno více přírodních radionuklidů, nesmí být součet podílů objemových aktivit jednotlivých radionuklidů a odpovídajících hodnot v 9
tabulce č. 5 přílohy č. 10 Vyhlášky větší než 1.
1.3 Detekce gama záření Pro detekci gama záření se současným co nejpřesnějším určením jeho energie se používají především polovodičové detektory. Fotony gama záření neionizují přímo, protože nemají elektrický náboj. Nabité částice (elektrony, pozitrony) vznikají teprve při interakci fotonů s atomy (fotoefekt, Comptonův jev, tvorba párů elektron-pozitron). Polovodičové detektory Základem polovodičového detektoru je monokrystalický polovodič. Vnikne-li ionizující částice do takovéhoto polovodiče, vytváří v něm páry elektron – díra. Dochází k lavinovitému uvolňování elektronů do vodivostního pásu a tvorbě děr ve valenčním pásu, přičemž počet uvolněných nosičů náboje závisí na energii primární částice. Právě tohoto principu
využívají
polovodičové
detektory.
Přivedeme-li
na
detektor
napětí
v závěrném směru, pak vlivem elektrického pole se volné nosiče nábojů, elektrony a díry, dají do pohybu v příslušném směru a v připojeném obvodu vznikne proudový impuls, jehož velikost závisí na energii dopadající částice ionizujícího záření. To umožňuje použít polovodičové detektory pro spektrometrická měření. Energetická
rozlišovací
schopnost
polovodičových
detektorů
je
značně
lepší
než rozlišovací schopnost jiných detektorů, protože na vytvoření páru elektron díra je třeba energie pouze v řádu jednotek eV. [2] [4]
10
2 Praktická část 2.1 Odběr vzorků Pro účel této práce byly odebrány vzorky minerálních vod z pramenů v oblasti Lázní Jeseník, ve kterých se předpokládal zvýšený výskyt radionuklidů. Při odběru bylo postupováno podle metody popsané v technické normě ČSN EN ISO 5667-1 [5] a ČSN EN ISO 5667-14 [6]. Vzorky ze tří pramenů byly odebrány s ohledem na následné měření objemové aktivity radonu (222Rn). Tyto prameny byly vybrány díky předchozímu zkušebnímu měření. Není také bez zajímavosti, že celá oblast odběru se nachází na území se středním radonovým indexem podloží, které bývá zpravidla hlavním zdrojem radonu. Pro tyto prameny (Tab. 2) byly použity Marinelliho nádoby o objemu 620 ml vymyté zředěnou kyselinou chlorovodíkovou a kyselinou dusičnou. Tyto nádoby byly při odběru zcela naplněny vodou pramene a ihned zakonzervovány kyselinou dusičnou podle ČSN EN ISO 5667-3A [7] (pH < 2) a vzduchotěsně uzavřeny voskem kofix, aby se zamezilo úniku radonu. Vzorky byly poté převezeny k měření do laboratoře VŠBTUO. Měření proběhlo v souladu s normou ČSN 75 7624 [8] do 4 dní od odběru. Tab. 2:
Prameny pro měření objemové aktivity
222
Rn
Název pramene
Datum odběru
Čas odběru
Jitřní pramen
2. 6. 2013
14:55
Slovanský pramen
2. 6. 2013
13:47
Pražský pramen
2. 6. 2013
13:34
U zbývajících vzorků (Tab. 3) se nepředpokládala zvýšená objemová aktivita radonu
222
Rn,
a proto byly odebrány do polyethylenových vzorkovnic vymytých způsobem uvedeným výše a převezeny k měření do laboratoře VŠB-TUO, kde byly zakonzervovány kyselinou dusičnou (pH < 2).
11
Tab. 3:
Ostatní odebrané prameny
Název pramene
Datum odběru
Čas odběru
Pramen Adéla
20. 10. 2013
13:44
Pramen Flóra
20. 10. 2013
13:46
Pramen Anna
20. 10. 2013
13:53
Bezručův pramen
20. 10. 2013
13:56
Vilémův pramen
20. 10. 2013
14:16
Smrkový pramen
20. 10. 2013
14:20
Polský pramen
20. 10. 2013
15:13
Josefův pramen
20. 10. 2013
15:20
2.2 Měření gama záření Gama spektrometr v laboratoři VŠB-TUO se skládá z polovodičového germaniového detektoru gama záření GC3018 firmy Canberra chlazeného kapalným dusíkem, masivního stínění,
mnohokanálového
analyzátoru
DSA
1000
a
počítače
se spektrometrickým softwarem Genie 2000. [9]
Obr. 1:
Schéma měřící soustavy
Základem detektoru je krystal vysoce čistého germania, na nějž je v závěrném směru přivedeno napětí o velikosti 4 kV. Je chlazen kapalným dusíkem nacházejícím se v Dewarově nádobě. Masivní stínění detektoru se skládá z deseticentimetrové vrstvy olova, která odstiňuje nežádoucí záření z okolí, z milimetrové vrstvy kadmia, která odstiňuje rentgenové záření z olova, a milimetrové vrstvy mědi, která odstiňuje rentgenové záření z olova a kadmia.
12
Obr. 2:
Schéma detektoru
2.3 Zpracování výsledků měření 2.3.1 Prameny s předpokládaným obsahem radonu Vždy musí nejdříve proběhnout energetická kalibrace detektoru, měření vzorku o známé aktivitě pro účinnostní kalibraci, vzorku pro stanovení pozadí a poté vzorků vod samotných. [10] [11] Energetická kalibrace detektoru Energetickou kalibrací rozumíme určení závislosti čísla kanálu (Ch) na energii detekovaného fotonu (E). Hledaná kvadratická závislost byla získána za použití peaků známého zdroje, v tomto případě etalonu
152
Eu typu EG1 o aktivitě 31,76 kBq
s referenčním datem 23. 12. 2011. Kalibrace byla provedena v spektrometrickém softwaru Genie 2000 s tímto výsledkem:
E=−0,291+0,1803⋅Ch−3,519⋅10−3⋅Ch2
(3)
13
Účinnostní kalibrace Účinnostní kalibrace je založena na měření vzorku o známé aktivitě, v našem případě etalonu
226
Ra o aktivitě (983 ± 69) Bq. Ze spektra energií tohoto vzorku byly použity pro
kalibraci energie 295 keV, 352 keV a 609 keV, což jsou energie odpovídající gama záření z přeměny izotopů
214
Pb a
214
Bi, které jsou produkty přeměny
poločasy přeměn rozpadových produktů poločas přeměny 218
Po,
214
Pb,
za rovnu aktivitě aktivitu
Obr. 3:
222
Rn (218Po,
214
Pb,
222
Rn (Obr. 3). Protože
214
Bi) jsou mnohem menší než
222
Rn, dá se po uplynutí dostatečného času (alespoň 7 poločasů přeměny
214
Bi)
aktivita
těchto
rozpadových
222
produktů
Rn. Stejně tak po uplynutí zhruba 7 poločasů přeměny
222
Rn považovat za shodnou s aktivitou 226Ra.
Uranová rozpadová řada
14
považovat 222
Rn můžeme
Účinnost měření vypočteme dle rovnice [12]: N k Np − tk t p (4) η= Ak kde
Nk je počet impulsů za dobu měření vzorku pro kalibraci, tk
doba měření vzorků pro kalibraci v sekundách,
Ak
aktivita 226Ra ve vzorku pro kalibraci v becquerelech,
Np
počet impulsů za dobu měření vzorku pro stanovení pozadí,
tp
doba měření vzorku pro stanovení pozadí v sekundách.
Tab. 4:
Počet impulsů ve vzorku pro kalibraci (etalon 226Ra)
Energie (v keV)
Tab. 5:
Počet impulsů
295,22
214
17 315
351,93
214
28 876
609,31
214
Pb Pb Bi
20 619
Počet impulsů ve vzorku pro stanovení pozadí
Energie (v keV)
Tab. 6:
Nuklid
Nuklid
Počet impulsů
295,22
214
54
351,93
214
465
609,31
214
Pb Pb Bi
506
Účinnost pro jednotlivé energie Energie (v keV)
Účinnost
295,22
5,23 ⋅ 10-3
351,93
8,71 ⋅ 10-3
609,31
6,22 ⋅ 10-3
15
Tab. 7:
Počet impulsů ve vzorku Jitřního pramene
Energie (v keV)
Tab. 8:
Nuklid
Počet impulsů
295,22
214
8373
351,93
214
13910
609,31
214
Pb Pb Bi
10593
Počet impulsů ve vzorku Slovanského pramene
Energie (v keV)
Tab. 9:
Nuklid
Počet impulsů
295,22
214
3783
351,93
214
6502
609,31
214
Pb Pb Bi
4651
Počet impulsů ve vzorku Pražského pramene
Energie (v keV)
Tab. 10:
Nuklid
Počet impulsů
295,22
214
14245
351,93
214
23276
609,31
214
Pb Pb Bi
17836
Doba měření jednotlivých vzorků, doba od odběru po začátek měření Vzorek
Doba měření (v s)
Doba od odběru (v h)
Etalon 226Ra
3370
-
Vzorek pro pozadí
230118
-
Jitřní pramen
25734
15,78
Slovanský pramen
26833
65,83
Pražský pramen
59496
48,6
16
Výpočet objemové aktivity Objemová aktivita 222Rn, AV, v Bq/l ve vzorku se vypočte podle rovnice [8]: Nv Np − tv tp (5) AV = ⋅C η⋅V⋅D kde
Nv je
počet impulsů za dobu měření vzorku,
tv
doba měření vzorku v sekundách,
Np
počet impulsů za dobu měření vzorku pro stanovení pozadí,
tp
doba měření vzorku pro stanovení pozadí v sekundách,
V
objem měřící nádoby v litrech,
η
účinnost podle vzorce uvedeného výše,
C
korekční faktor na přeměnu 222Rn za dobu měření:
C=
λ⋅t 1 −λ⋅t1
1−e
(6)
kde t1 je doba měření v hodinách, D
korekční faktor přeměny 222Rn ve vzorku do začátku měření
D=e−λ⋅t
2
(7)
kde λ = 0,007554 h-1 je přeměnová konstanta 222Rn (poločas přeměny 222Rn je 3,8235 d), t2
Tab. 11:
doba od odběru do začátku měření vzorku v hodinách.
Jitřní pramen, objemové aktivity
Energie (v keV)
Nuklid
222
Rn, AV, pro jednotlivé energie AV (v Bq/l)
295,22
214
116,1 ± 8,2
351,93
214
115,3 ± 8,1
609,31
214
Pb Pb Bi
17
123,8 ± 7,5
Tab. 12:
222
Slovanský pramen, objemové aktivity
Rn, AV, pro jednotlivé
energie Energie (v keV)
Tab. 13:
AV (v Bq/l)
295,22
214
73,4 ± 5,2
351,93
214
75,2 ± 5,3
609,31
214
Pb Pb Bi
Pražský pramen, objemové aktivity
Energie (v keV)
Tab. 14:
Nuklid
75,0 ± 4,6 222
Rn, AV, pro jednotlivé energie
Nuklid
AV (v Bq/l)
295,22
214
113,3 ± 8,0
351,93
214
110,6 ± 7,8
609,31
214
Pb Pb Bi
Výsledné hodnoty objemové aktivity
118,5 ± 13,2 222
Rn, AV
Vzorek
AV (v Bq/l)
Jitřní pramen
118,2 ± 4,6
Slovanský pramen
74,6 ± 2,9
Pražský pramen
113,5 ± 5,2
Výsledné hodnoty objemové aktivity uvedené v Tab. 14 jsou váženým průměrem objemových aktivit z Tab. 11-13. Váha každé objemové aktivity závisí na nejistotě jejího určení. Nejistoty byly určeny podle vztahů popsaných v příloze. Kromě rozpadových produktů radonu se v těchto třech vzorcích již nevyskytovaly žádné další radioaktivní izotopy. Po dvou měsících od odběru vzorků Jitřního, Slovanského a Pražského pramene bylo provedeno opětovné měření, které prokázalo přítomnost gama zářičů pouze na úrovni pozadí, což je důkazem toho, že se během této doby všechen dříve naměřený radon rozpadl.
18
2.3.2 Ostatní prameny Stejně jako při předchozích měřeních, byla nejdříve provedena energetická kalibrace detektoru, měření vzorku o známé aktivitě pro účinnostní kalibraci, vzorku pro stanovení pozadí a poté vzorků vod samotných. Energetická kalibrace detektoru Kalibrace byla provedena pomocí etalonu 152Eu s tímto výsledkem:
E=−0,242+0,1802⋅Ch−3,037⋅10−8⋅Ch2 (8) Účinnostní kalibrace Účinnostní kalibrace je založena na měření vzorku o známé aktivitě, v tomto případě etalonu
226
Ra o aktivitě (1,59 ± 0,11) kBq/l. Ze spektra energií tohoto vzorku byly použity
pro kalibraci energie 186 keV, 295 keV, 352 keV, 609 keV a 1763 keV, tedy energie peaků, které byly naměřeny ve vzorcích minerálních vod a zároveň energie napříč potřebným spektrem. Tab. 15:
Počet impulsů ve vzorku pro účinnostní kalibraci
Energie (v keV)
Nuklid
Počet impulsů
186,21
226
295,22
214
11440
351,93
214
19510
609,31
214
14338
1764,49
214
2301
Ra
2940
Pb Pb Bi Bi
Účinnost měření při těchto energiích byla vypočtena dle vztahu (1) a po zadání výsledných údajů do spektrometrického softwaru Genie 2000 byla získána funkce závislosti účinnosti měření na energii fotonů: 2
3
ln (η)=−38,17+18,19⋅ln( E)−3,05⋅ln ( E )+0,1618⋅ln (E)
(9)
Tím jsme tedy získali přibližnou účinnost i pro energie, které se v měření tohoto etalonu nevyskytly.
19
Tab. 16:
Počet impulsů ve vzorku pro stanovení pozadí (pouze energie
vyskytující se v měřených vzorcích), první vzorek Energie (v keV) 186,21
Tab. 17:
Nuklid 226
Ra + 235U
Počet impulsů 1406
238,63
212
725
295,22
214
182
351,93
214
445
609,31
214
Bi
439
911,20
228
Ac
459
Pb Pb Pb
1460,82
40
1764,49
214
2614,51
208
K Bi Tl
2120 310 825
Počet impulsů ve vzorku pro stanovení pozadí (pouze energie
vyskytující se v měřených vzorcích), druhý vzorek (užito pro pramen Flóra) Energie (v keV) 186,21
Tab. 18:
Nuklid 226
Ra + 235U
Počet impulsů 1583
238,63
212
875
295,22
214
-
351,93
214
445
609,31
214
Bi
346
911,20
228
Ac
319
Pb Pb Pb
1460,82
40
1764,49
214
2614,51
208
K Bi Tl
2363 310 269
Pramen Adéla
Energie (v keV)
Nuklid
238,63
212
1460,82
40
Pb K
20
Počet impulsů 111 201
Tab. 19:
Pramen Flóra
Energie (v keV) 186,21
Tab. č. 20:
Ra + 235U
2015
351,93 609,31
214
Bi
529
911,20
228
Ac
355
Pb
1460,82
40
1764,49
214
2614,51
208
K Bi Tl
739
2742 289 887
Pramen Anna
186,21
Nuklid 226
Ra + 235U
Počet impulsů 349
Bezručův pramen
Energie (v keV) 186,21
Nuklid 226
Ra + 235U
Počet impulsů 436
238,63
212
366
295,22
214
258
351,93
214
648
609,31
214
Bi
292
911,20
228
Ac
153
1460,82
Tab. 22:
226
Počet impulsů
214
Energie (v keV)
Tab. 21:
Nuklid
Pb Pb Pb
40
K
717
Vilémův pramen
Energie (v keV)
Nuklid
Počet impulsů
295,22
214
192
351,93
214
289
609,31
214
Bi
230
1460,82
40
K
325
2614,51
208
Pb Pb
Tl
21
113
Tab. 23:
Smrkový pramen
Energie (v keV)
Tab. 24:
214
609,31
214
Bi
168
1460,82
40
K
355
2614,51
208
Pb
199
Tl
121
Polský pramen Nuklid
1460,82
40
2614,51
208
Počet impulsů
K
656
Tl
231
Josefův pramen
Energie (v keV)
Nuklid
Počet impulsů
40
1460,82
Tab. 26:
Počet impulsů
351,93
Energie (v keV)
Tab. 25:
Nuklid
K
314
Čas měření jednotlivých vzorků Vzorek
Čas měření (v s)
Etalon
2301
Vzorek pro pozadí 1
272 875
Vzorek pro pozadí 2
255 115
Pramen Adéla
25 129
Pramen Flóra
266 447
Pramen Anna
47 933
Bezručův pramen
64 000
Vilémův pramen
25 868
Smrkový pramen
34 169
Polský pramen
53 705
Josefův pramen
27 528
22
Objemová aktivita jednotlivých izotopů se vypočte podle rovnice [9] [12]: AV = kde
A (10) η⋅P γ⋅V A je relativní aktivita izotopu, kterou získáme podle vzorce: A= kde
Sv Sp − (11) tv tp Sv je plocha peaku izotopu pro měření vzorku, Sp
plocha peaku izotopu pro měření pozadí,
tv
čas měření vzorku,
tp
čas měření pozadí,
η je účinnost, Pγ
pravděpodobnost emise gama záření,
V
objem vody, která byla měřena.
Následují výsledné hodnoty objemové aktivity po odečtení pozadí, přičemž jsou uvedeny pouze ty objemové aktivity, jež překročily 1 Bq na litr objemu, a zároveň jsou nejméně 1,5x větší než rozšířená nejistota jejich určení. Tab. 27:
Pramen Flóra
Energie (v keV) 1460,82 Tab. 28:
Nuklid 40
Objemová aktivita (v Bq/l)
K
2,7 ± 1,1
Nuklid
Objemová aktivita (v Bq/l)
Bezručův pramen
Energie (v keV) 295,22
214
1,08 ± 0,59
351,93
214
1,65 ± 0,45
1460,82
40
Pb Pb K
23
7,5 ± 3,0
Tab. 29:
Vilémův pramen
Energie (v keV)
Nuklid
Objemová aktivita (v Bq/l)
295,22
214
2,17 ± 0,92
351,93
214
1,85 ± 0,74
609,31
214
Bi
1,86 ± 0,72
1460,82
40
K
10,4 ± 4,4
Nuklid
Objemová aktivita (v Bq/l)
Tab. 30:
Pb Pb
Smrkový pramen
Energie (v keV) 1460,82 Tab. 31:
40
K
5,7 ± 3,3
Nuklid
Objemová aktivita (v Bq/l)
Polský pramen
Energie (v keV) 1460,82 Tab. č. 32:
40
K
9,7 ± 3,4
Nuklid
Objemová aktivita (v Bq/l)
Josefův pramen
Energie (v keV) 1460,82
40
K
24
7,9 ± 4,2
3 Diskuze Prameny s obsahem radonu Nejvyšší objemová aktivita radonu
222
Rn byla zjištěna v Jitřním prameni, a to
(118,2 ± 4,6) Bq/l, a v Pražském prameni, a to (113,5 ± 5,2) Bq/l. Pokud porovnáme tyto nejvyšší naměřené výsledky s platnými normami obsaženými ve Vyhlášce 307/2002 Sb., která stanovuje směrné hodnoty pro objemovou aktivitu
222
Rn tak, jak je uvedeno v Tab.
33, zjišťujeme, že by tyto vody neměly být baleny jako kojenecká voda ani užívány pro veřejné zásobování, případně baleny jako stolní či pitná voda, ani baleny jako přírodní minerální voda, jelikož objemová aktivita
222
Rn přesahuje všechny tři tyto směrné hodnoty
určené Vyhláškou. Při překročení těchto hodnot se balená voda může uvádět do oběhu a pitná voda dodávat k veřejnému zásobování jen ve zdůvodněných případech (viz kapitola 3, Biologické účinky záření). Tab. 33
Směrné hodnoty objemové aktivity
222
Rn v dodávané vodě
Druh (účel) vody
Směrná hodnota objemové aktivity (v Bq/l)
Balená kojenecká voda
20
Pitná voda pro veřejné zásobování, balená stolní voda a balená pitná voda
50
Balená přírodní minerální voda
100
Kromě směrných hodnot stanovuje Vyhláška 307/2002 Sb. i hodnoty mezní (uvedeny v Tab. 34). Překročení těchto hodnot zcela vylučuje užívání zdroje vody pro účel, kterému daná
mezní
hodnota
objemové
aktivity
222
Rn
náleží.
Můžeme
tedy
říci,
že prameny Jitřní a Pražský by v žádném případě neměly být využívány jako zdroje pro balenou kojeneckou vodu, jelikož by to bezprostředně ohrožovalo zdraví uživatelů. Tab. 34
Mezní hodnoty objemové aktivity
222
Rn v dodávané vodě
Druh (účel) vody
Mezní hodnota objemové aktivity (v Bq/l)
Balená kojenecká voda
100
Pitná voda pro veřejné zásobování, balená stolní voda a balená pitná voda
300
Balená přírodní minerální voda
600
25
Předpokládejme dále, že dospělý návštěvník Jitřního pramene vypije při své návštěvě 1 litr vody tohoto pramene. Pro dospělého člověka znamená tento příjem efektivní dávku asi 4 nSv, bereme-li v potaz pouze přeměny
214
Pb a
214
Bi. Pokud by měl tento návštěvník
kdy dosáhnout limitu 1 mSv za kalendářní rok stanoveného Vyhláškou 307/2002 Sb., musel
by
tento
pramen
v
průběhu
roku
navštívit
asi
253000krát
a pokaždé vypít litr vody, to znamená 692 litrů denně. A zde je zřejmé, že spíše než ozáření mohlo by tomuto návštěvníku uškodit množství vypité vody. Pro dítě do 1 roku věku znamená 1 litr této vody efektivní dávku asi 208 nSv. Kojenci by tedy pro pokoření hodnoty 1mSv stačilo „pouze“ 13 litrů vody z Jitřního pramene denně po dobu jednoho roku. Ostatní prameny V ostatních pramenech byl zjištěn především izotop 40K. Nejvyšší objemové aktivity 40K byly zaznamenány ve Vilémově, (10,4 ± 4,4) Bq/l, Polském, (9,7 ± 3,4) Bq/l, Josefově, (7,9 ± 4,2) Bq/l, a Bezručově, (7,5 ± 3,0) Bq/l, prameni. Jako příklad vyberme Polský pramen, ve kterém byl zjištěn pouze izotop
40
K. Kdyby
návštěvník tohoto pramene vypil 1 litr jeho vody, znamenalo by to pro něj příjem asi 9,7 Bq. Po vynásobení příjmu konverzním faktorem pro příjem 40K u dospělého člověka, získáme efektivní dávku 60 nSv. Měl-li by tedy dospělý návštěvník dosáhnout obecného ročního limitu 1 mSv, musel by vypít asi 46 litrů vody z tohoto pramene denně. Pro srovnání – pro dítě do jednoho roku věku by tentýž příjem znamenal efektivní dávku 600 nSv a muselo by denně vypít 4,6 litrů této vody, aby dosáhlo limitu 1mSv. Dále se v Bezručově a Vilémově prameni vyskytly rozpadové produkty se jedná o
214
Pb a
222
Rn. Konkrétně
214
Bi s objemovou aktivitou nepřesahující v tomto měření
2 Bq/l. Pro přesné určení této objemové aktivity vzorku by však bylo třeba provést u těchto dvou pramenů přesnější měření dle metodiky popsané v kapitole 5.3.1, Prameny s předpokládaným obsahem radonu.
26
Závěr Celkem bylo v Lázních Jeseník odebráno pro měření 11 pramenů. Zaznamenána byla radioaktivita izotopů
40
K,
222
Rn a jeho rozpadových produktů
214
Pb
a 214Bi. Nejvyšší objemová aktivita
222
Rn byla naměřena v Jitřním prameni, (118,2 ± 4,6) Bq/l,
a Pražském prameni, (113,5 ± 5,2) Bq/l. Tato aktivita neohrožuje bezprostředně lidské zdraví, avšak tyto prameny by neměly být používány jako každodenní zdroj pitné vody, protože hodnoty objemové aktivity překračují směrnou hodnotu podle Vyhlášky 307/2002 Sb. V ostatních odebraných pramenech byl zjištěn především obsah radioaktivního nuklidu 40
K, nejvíce pak ve Vilémově prameni – (10,4 ± 4,4) Bq/l. Zvýšený obsah draslíku 40K byl
zaznamenán i v dalších třech pramenech – (9,7 ± 3,4) Bq/l v Polském prameni, (7,9 ± 4,2) Bq/l v Josefově prameni a (7,5 ± 3,0) Bq/l v Bezručově prameni. V Bezručově a Vilémově prameni se také vyskytly rozpadové produkty
222
Rn a zjištění
objemové aktivity 222Rn pro tyto prameny by mohlo být provedeno v budoucnu.
27
Literatura 1. GILMORE, Gordon. Practical gamma-ray spectrometry. 2nd ed. Hoboken, NJ: Wiley, c2008, xviii, 387 p. ISBN 978-047-0861-967. 2. KOLEKTIV AUTORŮ. Ochrana při práci se zdroji ionizujícího záření. 2. vyd. Ostrava: DTO CZ, s.r.o., 2010. 3. Vyhláška č. 307/2002 Sb., o radiační ochraně, Státního úřadu pro jadernou bezpečnost. 4. MATĚJKA, Karel. Vybrané analytické metody pro životní prostředí: sborník učebních textů. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1998, 185 s. ISBN 80-010-1760-5. 5. ČSN EN ISO 5667-1, Jakost vod ‒ Odběr vzorků ‒ Část 1: Návod pro návrh programu odběru vzorků a pro způsoby odběru vzorků. 6. ČSN EN ISO 5667-14, Jakost vod ‒ Odběr vzorků ‒ Část 14: Pokyny k zabezpečování jakosti odběru vzorků vod a manipulace s nimi. 7. ČSN EN ISO 5667-3, Kvalita vod ‒ Odběr vzorků ‒ Část 3: Konzervace vzorků vod a manipulace s nimi. 8. ČSN 75 7624, Jakost vod ‒ Stanovení radonu 222. 9. GenieTM 2000 Spectroscopy Software, Canberra Industries, Inc., 2006. 10. ČSN ISO 10703, Jakost vod ‒ Stanovení objemové aktivity radionuklidů ‒ Metoda spektrometrie záření gama s vysokým rozlišením. 11. ČSN IEC 1452, Přístroje jaderné techniky ‒ Měření emisí gama záření radionuklidů ‒ Kalibrace a užití germaniových spektrometrů. 12. ČSN 75 7600, Jakost vod ‒ Stanovení radionuklidů ‒ Všeobecná ustanovení.
28
Příloha č. 1 Nejistoty Standardní nejistota účinnosti, uη, byla vypočítána podle vztahu: u η=
√(
∂η u ∂ Nk N
2
k
)( +
∂η u ∂ Np N
2
p
)( +
∂η u ∂ Ak A
2
k
)
(1)
Rozšířená nejistota UAv, objemové aktivity 222Rn byla vypočítána podle vztahu: U A =2 V
√(
2
2
)(
)(
v
p
2
)
∂ AV ∂ AV ∂A uN + u N + ∂ ηV u η ∂N v ∂ Np
(2)
Rozšířená nejistota U Ā váženého průměru Āv objemové aktivity 222Rn byla v
vypočítána podle vztahu: U Ā = V
kde
1 √ U +U −2A +U −2A (3) −2 A1
2
3
A1 je objemová aktivita podle energie 295 keV, A2
objemová aktivita podle energie 352 keV,
A3
objemová aktivita podle energie 609 keV a
ĀV byl vypočítán ze vztahu: −2
ĀV =
−2
−2
A1 U A +A2 U A +A3 U A 1
−2 A1
2
−2 A2
U +U +U
(4)
3
−2 A3
Rozšířená nejistota objemové aktivity ostatních izotopů, UAv, byla vypočítána podle vztahu: U A =2 v
√(
2
)(
2
)(
v
p
2
)
∂ Av ∂ Av ∂A uS + u S + ∂ ηv u η ∂Sv ∂Sp
29
(5)
Příloha č. 2 Mapa odebraných pramenů
Odebrané prameny žlutě podtrženy. Pramen Anna chybí. (http://prameny.jeseniky.org/obr/mapa.jpg)
30
