5. A levegő radioaktivitásának vizsgálata

1. Természetes eredetű radioaktivitás a levegőben

Természetes környezetünkben állandó sugárzásnak vagyunk kitéve. A sugárzás egyik fő komponense a világűrből érkező kozmikus sugárzás, de a földkéregben is megtalálhatók természetes eredetű sugárzó anyagok (urán, tórium, rádium stb.).

A talajban levő radioaktív atomok folyamatosan bomlanak, ezáltal kisebb rendszámú atomokká alakulnak át. Az átalakulás során sugárzást bocsátanak ki. Mivel a talaj anyagaiból építkezünk, a házfalak is folyamatosan sugároznak. Hasonlóan mi testünk is sugároz, hiszen táplálékunkkal radioaktív anyagokat is veszünk fel. A levegőben lévő radioaktív izotópok gáz vagy porhoz tapadt részecskék formájában vannak jelen.

A földben, illetve a házfalakban kötött állapotban levő, bomló radioaktív atomok lassan átalakulnak. A bomlástermékek általában ott maradnak, ahol maga a bomlás is történt. Az ²³⁸U leányelemei között azonban van egy olyan elem, amely ki tud lépni a szilárd anyagból, a radon. A radon, amely nemesgáz volta miatt más atomokkal kevéssé lép kémiai reakcióba kijuthat a talajból, a falakból, és a levegőben ott újabb bomlásokkal olyan elemekké alakul át, amelyek már nem képesek rátapadni a levegő apró szemcséire.

A jelen laboratóriumi gyakorlat célja kettős. Egyrészt tanulmányozni fogjuk a radioaktivitást a levegőben, mint olyan jelenséget, amelynek természeti oka van, másrészt a radon-probléma elemzésén keresztül foglalkozunk a radon és leányelemeinek keletkezésével, valamint detektálásuk módszereinek elsajátításával.

2. A természetes radioaktivitásról

A Föld is, mint minden más bolygó a Naprendszerben ezelőtt kb. 4,5 milliárd éve keletkezett vasban, oxigénben és szilíciumban gazdag vegyületekből, és más könnyebb illetve nehezebb kémiai elemekből miután a Naprendszer anyaga részt vett egy szupernóva robbanásban. A szupernóva robbanás után kialakult elemek között sok radioaktív volt, de ezek idővel elbomlottak, stabil elemekké alakultak. Néhány, a Föld életkorával összemérhetően hosszú élettartamú radioaktív elem még mindig megtalálható a Földön és a bolygórendszerben. Ezek a felelősek környezetünk természetes radioaktivitásnak fő részéért. A Föld belsejében uralkodó magas hőmérsékletet a radioaktív bomlás tartja fenn, és valószínűleg ez a jelenség felelős általában a bolygók belső felmelegedéséért, amely (a Földön) geotermikus energia formájában nyilvánul meg.

A Földön található természetes eredetű radioaktivitásnak két forrása van:

· Az olyan radioaktív atommagok és bomlástermékeik, amelyek felezési ideje összemérhető a Naprendszer korával megtalálhatok a Földön. Ilyenek pl. az előbb említett ²³²Th, ²³⁸U, vagy a ⁴⁰K.

· A radioaktivitás másik oka az, hogy a világűrből származó kozmikus sugárzás folyamatosan új radioaktív atommagokat hoz létre. – Különlegesen érdekes, hogy a Földön kívüli térségből érkező nagyenergiájú neutronok folyamatosan hoznak létre az élet szempontjából is fontos radioaktív izotópokat. Ugyanis a neutronok ütközve a levegőben található nitrogénnel a szén és a hidrogén egy-egy radioaktív izotópja, az 5730 év, ill. a 12.3 év felezési idejű ¹⁴C, és ³H (trícium) keletkezik. A megfelelő reakciók:

¹⁴N + n → ¹⁴C + p, illetve ¹⁴N + n → ¹²C + ³H.

A radioaktív atommagok a természetben mindenütt előfordulnak, a levegőben, a vízben és a talajban egyaránt. Tekintve, hogy folyamatosan lélegzünk és táplálkozunk, a radioaktív elemek a levegővel, a vízzel és a táplálékkal bekerül a szervezetünkbe. Így, ezek az elemek egyenletesen eloszlanak az emberi testben is. Természetes radioaktivitás általában jelen van a kőzetekben és a talajban, amely a bolygónk felszínét jelenti, a vizekben, tengerekben és óceánokban, valamint lakások levegőjében és építőanyagokban.

A radioaktív elemeket gyakran radioaktív izotópoknak is nevezzük, vagy egyszerűen radioaktív atommagoknak. A természetben található és mesterségesen eddig előállított radioaktív atommagok száma több mint 2500. Ezekből, csak kb. 280 atommag stabil.

De mik is az izotópok? Az atommagok protonokból és neutronokból állnak. Egy adott anyag kémiai tulajdonságait az atommagjában levő protonok száma (Z) határozza meg. Azonos protonszámú, de különböző neutronszámú (A-Z) magok ugyanazon elem különböző izotópjait () alkotják.

A radioaktív atommagok bomlásukkor új magokká alakulnak át, amelyek vagy stabilak, vagy ismét radioaktívak. Ha a bomlás terméke radioaktív, akkor az tovább bomlik, és ez addig folytatódik, amíg a végtermék stabil atommag nem lesz.

Három alapvető radioaktív bomlási mód ismeretes:

1. Alfa-bomlás: Az atommag 2 protonból és 2 neutronból álló hélium atommagot bocsát ki, ezáltal rendszámát (Z) kettővel, tömegszámát, (A) néggyel csökkenti.

2. Béta-bomlás: Az atommag egy elektront és egy anti-neutrinó nevű részecskét bocsát ki, így eggyel növeli rendszámát (Z), míg tömegszáma nem változik. Ezt negatív béta-bomlásnak nevezzük.

A béta-bomlás történhet úgy is, hogy az atommag egy pozitront és egy neutrínót bocsát ki. Ekkor rendszámát (Z) csökkenti eggyel, és tömegszáma (A) ugyancsak változatlan marad. Ezt pozitron-bomlásnak nevezzük.

Lehetséges még olyan béta-folyamat is, hogy az atommag egy protonja kölcsönhat az atomburok egy, az atommag helyén jelentős sűrűséggel bíró, belső, u.n. K elektronjával és kölcsönhatás során egy neutron és egy neutrínó keletkezik. Ilyenkor a neutrínó elhagyja az atommagot, amelynek rendszáma eggyel csökken. Ezt a folyamatot K-befogásnak hívják

A pozitron-bomlás és a K-befogás folyamatai jelentik összefoglalóan a pozitív béta-bomlásokat.

3. Gamma-bomlás: Az atommag energiáját foton kibocsátásával (gamma-sugárzás) csökkenti. A töltés- és tömegszám változatlan marad. Ennek a bomlási módnak egy másik neve a gamma legerjesztődés.

Minden egyes radioaktív izotóp időbeli bomlása útján meg lehet határozni az aktivitását, valamint az izotóp rendelkezik egy jól meghatározott felezési idővel.

Egy adott mennyiségű radioaktív anyagban időegység alatt lezajló bomlások számát aktivitásnak nevezzük.

.

Az aktivitás arányos a jelen lévő, bomlásra képes atommagok számával. Itt a negatív előjel arra utal, hogy a jelenlévő radioaktív atommagok (izotópok) száma csökken.

Az aktivitás mértékegysége a Becquerel (Bq). 1 Bq az aktivitás, ha az anyagban 1 másodperc alatt 1 bomlás történik. Példaként, az emberi test természetes aktivitása kb 8000 Bq, míg egy gramm rádium aktivitása 37 milliárd Bq. Az aktivitás régebbi – néhol még ma is használt – mértékegysége a Curie (Ci). (1Ci = 3.7× 10¹⁰ Bq) éppen ezzel egyezik meg.

Az aktivitást az atommagok időegységre eső bomlási valószínűségének, λ-nak és a jelenlévő radioaktív bomlás előtt álló atommagok számának szorzata adja meg.

.

A l-t bomlási állandónak nevezzük és mértékegysége 1/s. Így λ megadja egy atommag egy másodperc alatti elbomlásának valószínűségét. A bomlás miatt az adott rendszerben található radioaktív izotópok száma időben exponenciálisan csökken. Ez az exponenciális bomlástörvény. Ha kezdetben N₀ darab radioaktív izotópunk van, akkor t idő múlva már csak:

marad. Ezzel meg tudjuk mondani, hogy egy adott idő múlva hányad részére csökken a radioaktív izotópok száma, vagy ellenkezőleg időben visszafele ki tudjuk számolni, hogy egy bizonyos idővel ezelőtt minta mennyivel volt aktívabb.

A felezési idő az az idő, ami alatt egy adott mintában a radioaktív atommagok száma felére csökken. A fenti bomlástörvény miatt ez azt jelenti, hogy:

Ebből a felezési idő:

.

Ez az idő minden radioaktív atommag minden bomlására külön–külön jellemző. A természetben előforduló radioaktív magok felezési ideje a másodperc tört részétől sok milliárd évig terjed.

2.1. A radioaktív családok

A természetben sok radioaktív elem fordul elő és ezek minden szempontból nagy változatosságot mutatnak. Megfigyelték azonban, hogy ezek legtöbbje urán és tórium izotópokból ered és a fentiek szerint a, b vagy g részecskéket sugároznak. Bomlás után legtöbbször nem keletkezik belőlük stabil izotóp, ami végállomást jelentene. Másrészt, ezek a természetben előforduló radioaktív izotópok három radioaktív családban csoportosulnak, melyeket radioaktív soroknak is nevezünk. A radioaktív sorok egymással nyílván nem keverednek, mert tömegszámok 4-el való oszthatósága egyetlen bomlásterméknél sem változhat az anyaelemhez képest. Így a radioaktív családok tömegszáma A = 4×n, 4×n+2, vagy 4×n+3, ahol az n egész szám. Az alábbi táblázat tartalmazza a 4-el való oszthatóság szempontjából különböző leghosszabb felezési idejű izotópokat a bomlási folyamat befejezését jelentőt stabil atommaggal együtt.

Sor neve	Típusa	Sor első eleme	T1/2 (év)	Sor utolsó eleme (stabil atommagja)
Tórium	4×n	^232Th	1,41*10^10	^208Pb (Z=82, N=126)
Uránium	4×n+2	^238U	4,47*10^9	^206Pb (Z=82, N=124)
Aktínium	4×n+3	^235U	7,04*10^8	^207Pb (Z=82, N=125)
Neptúnium	4×n+1	^237Np	2,14*10^6	^209Bi (Z=83, N=126)

A táblázat utolsó sorában feltüntettük a 4×n+1 típusú bomlási sort is, a neptúnium sort. Ez azonban a leghosszabb felezési idejű elemnek a Föld korához képest kicsiny felezési ideje (2.14 millió év) miatt már lebomlott, és így nem található meg a természetben. Ennek a sornak az első eleme a legelső transzurán elem, a.

1. ábra: Az urán (²³⁸U) radioaktív bomlási sora.

Az urán (²³⁸U) és a tórium (²³²Th) radioaktív bomlási sorát a Z = protonok száma, és N= A-Z = neutronok számának függvényében mutatja be az 1. és a 2. ábra.

2. ábra: A tórium (²³²Th) radioaktív bomlási sora.

E radioaktív családok izotópjai jelen vannak a Föld felszíni kérgében, vulkáni kőzetekben és ásványokban, a Föld keletkezése óta. Ezek bomlásának tanulmányozása a bizonyos kőzetek élettartamának vagy a Föld életkorának meghatározásához nyújthat segítséget.

2.2. A radon előfordulása a természetben

A következőkben a radon természetben előforduló izotópjait fogjuk a tanulmányozni. Ezek a ²²²Rn (radon), a ²²⁰Rn (toron) és a ²¹⁹Rn (aktínion).

A radon a 86-os rendszámmal rendelkező elem, amely a periódusos rendszerben a VIII.-ik főcsoportban helyezkedik el. A radon nemesgáz, hasonlóan a neonhoz, argonhoz, kriptonhoz és a xenonhoz. A nemesgázok zárt elektronhéjuk miatt nem (vagy kevéssé) képesek kémiailag kötődni más elemekkel, vegyületekkel. Az általunk vizsgált radon-izotópok a Föld kérgében található hosszú felezési idejű urán és tórium izotópok bomlásából jönnek létre.

A radon a természetben előforduló legnehezebb gáz, amely színtelen, szagtalan. Könnyen adszorbeálható aktív szénen. Ez a tulajdonság felhasználható a radon kiválasztására a gázkeverékekből. Így a radon begyűjthető egy levegő áramlatból, amely átmegy egy szén mintán, és eltávolítható a szén melegítésével, kb. 350 ^oC hőmérsékleten. A radonnak vízben való oldékonysága viszonylag nagy, ami igazolja a jelenlétét nagy mennyiségben egyes források gázaiban.

A természetben, a radonnak három izotópja fordul elő. Ezek alapvető tulajdonságait az alábbi táblázatban tűntettük fel.

Név	Izotóp	Felezési idő	Bomlási sor anyaeleme	Bomlási sor anyaelemének izotóp aránya (%)
Radon	^222Rn	3.82 nap	^238U	99.28
Toron	^220Rn	55.6 s	^232Th	100.00
Aktínion	^219Rn	4 s	^235U	0.72

Az aktínion (²¹⁹Rn) főleg rövid felezési ideje miatt (4 s), de az anyaizotópjának (²³⁵U) a kicsiny aránya (0.72%) miatt elhanyagolható a különböző sugárhatások és a gyakorlat szempontjából. A rövid felezési ideje (55.6 s) miatt lényegében ugyanez igaz a toronra is. Ezért a továbbiakban közölt megállapítások a leghosszabb felezési idejű radon-izotópra, a ²²²Rn-re vonatkoznak. Környezetvédelmi és közegészségügyi szempontból elsősorban ennek a hatása jelentős.

2.3. Hogyan kerül radon a levegőbe?

Általában a természetben előforduló radioaktív elemek általában erősen kötve vannak azokban az ásványokban, amelyek a radioaktív családok leghosszabb felezési idejű elemeit befogadják. Így a természetben előforduló radioaktív izotópok sugárvédelmi szempontból általában nem, vagy kevéssé veszélyesek az egészségre.

A radon (Rn) izotópjai azonban nemesgázként kevéssé vannak megkötve, jelentős diffúzióra, vándorlásra (migrálásra) képesek. Ha a radon egy kőzetben mélyen jön létre, akkor kevés esélye van a felszínre vándorolni és kijutni a levegőbe, hozzájárulni a levegő aktivitásához. Mégis, a töredezett, nagy áteresztőképességű kőzetek esetén a radon gáz jelentősen mértékben elvándorolhat keletkezése helyszínéről, behatolhat a talaj menti gázokba vagy vizekbe, és kijuthat levegőbe is, ahol tovább diffundálhat.

Az út, amit a radon meg tud tenni elsősorban a kőzet porozitásától, a geológiai jellemzőktől, és a meteorológiai tényezőktől függ (és természetesen attól, hogy melyik izotópjáról van szó, vagyis mekkora az élettartama). Így szerepe van például a talajvíznek, nedvességtartalomnak, hőmérsékletnek, nyomás-különbségeknek is. A talaj minősége is erősen befolyásolja a Rn mozgását. Például homokos talajban majdnem zavartalan, nedves, agyagos talajban erősen gátolt a mozgása. A ²²²Rn diffúziós úthossza szilárd testekben néhány cm-től néhányszor tíz méterig változhat, míg a ²²⁰Rn esetében csak néhányszor tíz cm-ig terjedhet. Minden talaj, építőanyag és általában a talajvíz is tartalmaz radont. – Korábban már léteztek olyan tanulmányok, amelyek a földrengések előrejelzését is vizsgálták, amelyben a radon ezen természeti katasztrófa hírnöke lenne.

Megállapították, hogy bizonyos körülmények között a földben keletkezett radon nagy mennyiségben be tud jutni a lakások beltéri levegőjébe is és komoly egészségügyi kockázatot okozhat. – A radon jelenlétét – radioaktivitása miatt –könnyen ki lehet mutatni.

2.4. Lakáslevegő radon-tartalma

Lakások radon-koncentrációja főként a talajból származik. A radon kisebb hányada érkezik diffúzióval, a nagyobb hányadot, a radon mintegy felét általában a talajlevegő hozza magával nyílásokon keresztül, repedéseken, csatornákon, villanyvezeték mentén. Egyszerű tájékoztató becslés szerint az építőanyagból kidiffundálva mindegy 80 %, a külső levegőből bediffundálva mindegy 17 %, a vízből 2 %, a konyhai gázból 1 % érkezik. Urán-dús talajra épült házban a talajból bediffundáló, onnan bejutó radon részaránya megközelíti a 100 %-ot. Padlószinten a legmagasabb, feljebb pedig alacsonyabb a radon-koncentráció. Éjjel, csukott ablaknál összegyűlik a radon a lakásban, míg reggel szellőztetéskor leesik a radon-koncentráció. Télen, mivel kevesebbet szellőztetünk, és többet fűtünk, a szobalevegő melegebb és könnyebb lesz, fölszál és kiszökik a kéményen, ablaknyílásokon át. Ezért a szobában télen lecsökken a légnyomás, ami szívóhatást fejt ki a talajból. Ily módon a talajból, pincéből intenzívebben áramlik be a radon.

A levegő radontól származó aktivitása erősen függ a helytől és az időjárástól. Néhány hozzávetőleges értékek a következők:

- külső levegő mintegy 8 Bq/m³

- huzatos szoba 30 Bq/m³

- lakások világátlaga 40 Bq/m³

- szellőzetlen szoba 100 Bq/m³

- magyar falusi földszintes lakás 130 Bq/m³

- pince 250 Bq/m³

- radondús lakás 1.000 Bq/m³

- radondús pince 10.000 Bq/m³

- radondús bánya > 30.000 Bq/m³

Az utóbbi években a radon egészségügyi hatása az érdeklődés középpontjába került. Ezért számos radon-koncentráció mérést végeztek lakásokban. Egyes országok lakásainak levegőjében, éves átlagban mért aktivitás koncentrációk középértékét az alábbi táblázatban mutatjuk be.

Ország	Év	Lakások száma	Radon aktivitás-koncentráció (Bq/m^3)
Anglia	1991	96000	20
Ausztria	1980	14100	114
Ausztrália	1990	3413	12
Belgium	1991	450	48
Cehszlovákia	1982	1200	140
Egyiptom	1991	329	9
Egyesült Államok	1991	5367	46
Finnország	1982	8150	90
Franciaország	1988	3006	62
Görögország	1988	73	52
India	1991	1208	57
Indonézia	1991	165	12
Japán	1990	6000	29
Kanada	1980	13413	34
Kína	1989	3945	24
Lengyelország	1991	345	38
Magyarország	1988	122	55
Németország	1984	5970	49
Portugália	1991	4200	81
Svédország	1990	1360	108
Szíria	1990	77	20
Spanyolország	1991	1700	86
Svájc	1991	1600	70

2.5. A radon egészségi hatásai

A lakószobák vagy zárt légterek levegőjében felgyülemlett radont a levegővel együtt belélegezzük, majd azt – nemesgáz lévén – kilélegezzük. Azonban a radon bomlástermékei fémionok, amelyek ütközés útján ráülnek a lebegő porszemekre. Ezek az úgynevezett aeroszolok már rátapadhatnak a tüdő falára. A leányelemek közül több a-bomló. Az α-részecskék közvetlen közelről bombázhatják a tüdő sejtjeit felépítő DNS molekulákat és ez károsodáshoz, bizonyos esetekben tüdőrákhoz vezethet. A dohányzás közben rengeteg aeroszol keletkezik. Így belátható, hogy mind az aktív vagy passzív dohányosok a természetes radon miatt járulékos veszélynek teszik ki magukat. – A radon tüdőrákot előidéző hatását az uránbányászoknál figyelték meg először.

3. A levegőben lévő radioaktív izotópok detektálása

A radon gáz folytonos mérésére több módszer létezik. Mindezek a módszereket az alfa sugárzás detektálására tervezték és nem a béta- vagy gamma-sugárzás megfigyelésére. Ennek az az oka, hogy bonyolult és nehéz olyan hordozható béta- vagy gamma-sugárzást mérő detektorokat építeni, melyeknek alacsony a hátterük és elegendően érzékenyek.

A radon és leányeleminek mérésére használható detektorokat két nagy csoportba sorolhatjuk.

a.) Aktív detektorok. Ezek áramforrást igényelnek (pl. akkumulátorral működnek, vagy nagyfeszültség kell hozzájuk) ahhoz, hogy az idő függvényében tudjuk a sugárzásokat detektálni. Ilyenek az alábbi detektorok.

· Gáz-ionizációs detektorok: ilyenek például az ionizációs kamrák, proporcionális számlálók, Geiger-Müller (GM) számlálók.

· Szcintillációs detektorok: szilárd szcintillátorok, folyadék szcintillátorok, gáz szcintillációs számlálók.

· Félvezető detektorok.

b.) Passzív detektorok. amelyek nem igényelnek áramforrást. Ide tartoznak a

· szilárdtest nyomdetektorok,

· termo-luminiszcens detektorok,

· aktívszenes detektorok.

3.1. A GM cső működése:

A GM-cső a gáz-ionizációs detektorok csoportjába tartozik. Normál megépítésben g-sugárzás detektálására szolgál. Energiamérésre nem alkalmas, de a hatásfok ismeretében az aktivitásmérés kiválóan végezhető vele. Az a- és a b-sugárzás méréséhez ún. végablakos GM-számlálót kell használni. Ez azt jelenti, hogy a detektor egyik oldala vékony, a sugárzást jól áteresztő anyagból készült, de ami a belső gázt nem engedi ki. Erre azért van szükség, mert az a- és b-sugárzások, kis hatótávolságuk miatt, általában nem tudnak áthatolni a detektor falán, ezért külön kell gondoskodni a rövid hatótávolságú sugárzásokat is áteresztő ablakról.

A GM-cső szerkezetileg egy hengerkondenzátor. Egy fémhenger (kb. 1 cm sugarú) tengelyében egy vékony fémszálat (néhány századmilliméter sugarú) kell elhelyezni. A GM-csőre kapcsolt V nagyfeszültség (értéke 300–500 V, a pozitív feszültséget a szálra kell kapcsolni) nagy térősséget kelt a szál közvetlen közelében lévő a gáztérben. Ha egy elektromosan töltött részecske (a vagy b részecske) a GM csőbe jut, ott pályája mentén ionizál vagyis a gáz molekuláival ütközve elektron–ion párokat kelt (primér ionizáció). A nagy térerőség miatt a szál közelében az elektronok mozgási energiája két ütközés között oly annyira megnőhet, hogy ezek ütközések révén újabb ionizációra lesznek képesek (szekunder ionizáció). Így, az újabban keletkező elektronok és ionok száma lavinaszerűen megnő. A kisebb mozgékonyságú pozitív ionok a lavina kialakulásának ideje alatt az elektronokhoz képest csak lassan mozognak a hengerfal felé. Az anód körül egy pozitív ionfelhő alakul ki, melyből az elektronok nagyobb mozgékonyságuk miatt hamarabb jutnak el az anódra, mint az ionok a katódra. – Másrészt az elektronokkal együtt az ionizációkor keletkező ionok eljutnak a katódig ahová megérkezve semlegesítődnek és eközben általában ultraibolya fotont keltenek. E fotonok azután fotoeffektussal másodlagos elektront képesek kiütni. Az elektronok ezután az egész gáztérfogaton keresztülhaladva érik el az anódot, és így önfenntartó elektronlavina alakul ki. Mindezek miatt a GM-csőben a lavina kioltásáról külön kell gondoskodni.

Az önfenntartó gázkisülés kioltása több különböző módon is megvalósítható. Egyik, még a detektort eredetileg kifejlesztők által alkalmazott módszer az, hogy a csővel sorba kötünk egy R ellenállást, amelynek az értéke nagy (R » 10⁸-10⁹ W). Az ellenálláson létrejövő feszültségesés következtében lecsökken a szál és a henger közti feszültségkülönbség, így a térérősség is kicsi lesz a szál körül, ezért a kisülés megszakad. E módszer komoly hátránya, hogy a nagy ellenállás következtében az elektronikus időállandók hosszúak és így a másodpercenként fogadható beütések száma alacsony. – Más megoldás az – és manapság szinte kizárólag ezt a módot választják –, hogy különböző adalékgázokat alkalmaznak a csőben (pl. alkohol-gőz, halogén gázok). Ezek olyanok, hogy hatékonyan elnyelik az ionok rekombinációjakor keletkezett ultraibolya fotonokat és így megszűnik a másodlagos elektronok folyama. – Végeredményben, az anódon radioaktív részecskék hatására áramlökés, áram-impulzus keletkezik. Ennek nagysága függ a lavina sokszorozásától.

A detektorokat általában jellemzi a holtidő. Ez azt az időt jelenti, ameddig egy detektor az előző jel feldolgozása miatt nem képes újabb jelet fogadni, újabb eseményt detektálni. Így például a GM-csőnél amíg az anód és a katód közti feszültségkülönbség el nem éri a működéshez szükséges értéket, addig a számlálóba belépő új részecske nem vált ki lavinát és a kisülés nem indul meg. A holtidő alatt a detektor érzéketlen.

A GM-cső holtideje nagy, kb. msec. nagyságrendű. Az önfenntartó jellegű áramimpulzus miatt a jel nagysága nem hordoz információt a beérkezett sugárzás energiájáról.

Egy GM-cső jeleit elektronikus áramkörök felerősítik, és olyan alakúvá formálják, hogy valamely jelfeldolgozó rendszerrel, például egy személyi számítógéppel azt megfelelően kezelni tudjuk. Így a GM-csöveket össze lehet kapcsolni egy PC-vel. Programmal irányítva a mérés idejét, számát és egyéb részleteit, a program feldolgozza az adatokat, és az eredményeket fájlban tudjuk menteni.

3. ábra: A GM cső vázlata

3.2. A RAD7 detektor működése

A RAD7 nevű berendezés a radon és a toron radioaktív nemes gázok aktivitás-koncentrációinak meghatározására használatos hordozható alfa–spektrométer.

A RAD7 egy szilárdtest félvezető detektort használ, amely egy kis beépített Si félvezető. Ez alakítja át az α–sugárzás energiáját elektromos jellé. A félvezető detektor a RAD7 belsejében egy 0.7 liter félgömb alakú cella központjában van elhelyezve. E félgömböt, belülről elektromos vezető réteggel vonták be, amelyet magas feszültséghez, 2000-2500 V-hoz csatlakoztatnak. Ez a feszültség elektromos teret hoz létre a félgömb alakú cella belsejében.

A levegővel keveredett ²²²Rn gázt egy pumpa szívja be a detektorba. Mielőtt ez a levegő beérne, egy finom kis szűrő megszűri és nem engedi bejutni a levegővel keveredett szennyeződéseket. A levegőt a detektorban másodszor is megszűrjük egy kis pórusú szűrővel. Ennek az a feladata, hogy kiszűrje a bejutáskor keletkezett radon leányelemeket, amelyek fémek. A radon, mint nemesgáz átjut ezen a másodlagos szűrőn is és bejut a detektor cellájába. Itt radon-gáz atommagjai bizonyos valószínűséggel elbomlanak és ²¹⁸Po keletkezik belőlük. A töltéssel bíró polónium atommagokat az elektromos tér az Si detektorra hajtja (irányítja), amire azok rátapadnak. A detektor aktív felületén a rövid felezési idejű (T_1/2 = 3,05 perc) ²¹⁸Po atommagok gyorsan elbomlanak. A keletkezett alfa részecskéket a detektor pontosan 50% valószínűséggel detektálja és a létrehozott elektromos jel nagysága arányos a ²¹⁸Po α-jának energiájával. Az ezt követő bomlás béta-részecskéket ad, amelyek nem keltenek összetéveszthető jeleket, a további α-bomlások energiája pedig markánsan más. Ezeket a jeleket a RAD7 elektronikus berendezése felerősíti, kiszűri az elektromos zajoktól, és rendezi a nekik megfelelő amplitúdók szerint.

A radon aktivitás-koncentrációját a RAD7 detektor kétféleképpen tudja meghatározni.

· Szippantási módban, amelynél a radon gyors beszippantásával a detektor viszonylag gyors választ ad a radon koncentrációjának változásáról. Ez úgy történik, hogy a kis felezési idejű ²¹⁸Po atommagokból (3,05 perc) származó alfa részecskék számlálásával a detektor meghatározza a radon aktivitás-koncentrációját a 6,00 MeV energiacsatornában, Bq/m³-ben vagy pCi/l-ben. Ez a mód rövid idejű mérésekre szolgál, és nagy érzékenységet mutat.

· Normál módban, amely helyhez kötött hosszú idejű méréseknél, a radon koncentráció meghatározására figyelembe veszi épp úgy a ²¹⁸Po által kibocsátott alfa részecske energiáját, mint a második leányelem ²¹⁴Po alfa részecskéjének energiáját, a 7,69 MeV energiacsatornában. Kétszer több elektromos jelünk lévén a mérés közben, a mérés pontossága megnövekszik. Ezt a módot folytonos, több mint 3 órás méréseknél szokták alkalmazni.

Ilyenformán láttuk, hogy a RAD7 a radon és toron leányelemeinek alfa részecskéit detektálja, és azok energiáját méri. Több, különböző energiájú részecske detektálása egy spektrumot eredményez. A RAD7 α energia-spektrumában (amely 0-tól 10 MeV-ig terjed) megtalálhatjuk a radon és toron leányelemei α–sugárzását a 6-tól a 9 MeV-ig terjedő tartományban. Négy alapvető α–energiacsatornát különböztetünk meg, melyek a következők.

· Az un. új-radon csatorna (A csatorna) szippantási módban, amely a 3,05 perc rövid felezési idejű ²¹⁸Po alfa részecskéit érzékeli a 6,00 MeV energián.

· Az un. új-toron csatornája (B csatorna), amely a 0,15 sec rövid felezési idejű ²¹⁶Po bomlásából keletkező 6,78 MeV energiájú alfa részecskék impulzusait tartalmazza.

· A régi radon ²¹⁴Po csatornája (C csatorna), amelynek ugyancsak rövid felezési ideje van (165ms), és amelybe a 7,69 MeV energiájú alfa részecskék tartoznak.

· A régi toron csatornája (D csatorna), amelybe a 10 órás felezési idejű ²¹²Po alfa részecskéi tartoznak 8,78 MeV energián.

Az E, F, G, H csatornák hibajelző csatornák, amelyek vagy a radon leányelemei alfa energiáinál nagyobb energiákat észlelik, vagy az alacsonyabb energiájú zajszintet érzékelő csatornák. Ha ezek az előírt szintnél többet számlálnak akkor valószínűleg nem megfelelő környezetben mérünk, vagy az egész mérőrendszerünk nem megfelelően működik. Ezen négy csatorna együttesen egy O csatornát képez, amelyben ha a detektor által észlelt elektromos jelek száma meghaladja a 30%-ot, akkor helytelen mérésekhez jutunk, ugyanis a detektorunk rosszul működik.

4. Mérési feladatok

4.1. A radon jelenlétének kimutatása GM-cső segítségével

A radon jelenlétét egy lakószobában vagy a munkahelyen gyorsan, egyszerű eszközökkel ki lehet mutatni. Például megfelelő szűrőn (néhány réteg géz) porszívó segítségével egy szoba levegőjéből adott mennyiségű levegőt átszíva, a gézen az aeroszolok fennakadnak. A hozzájuk tapadt radon-leányelemek bétaaktivitását egyszerűen, akár egy GM–cső segítségével is meg lehet mérni.

A GM-cső hatásfokát, a szűrés hatásfokát, a porszívó teljesítményét hitelesítéssel elvileg meg lehet becsülni. A becslés pontossága, elsősorban annak a megbecslése, hogy az aeroszolok milyen méretű részecskéi milyen hatásfokkal akadnak fenn a szűrőnkön több, nem ismert tényezőtől is függ. Ez olyan bizonytalanságot hoz a mérésbe, hogy a radon-koncentrációt 2-5-ös faktoron belül lehet megbízhatónak venni. Ez olyan bizonytalanság, hogy a mérésünk lényegében csak a Rn jelenlétének kimutatására alkalmas. – Jó támpontot nyújthat azonban a Rn jelenlétére vonatkozólag, ha egymás után egy zárt helyiségben és a szabadban veszünk mintát és az azonos időkhöz tartozó beütésszámokat összehasonlítjuk.

A mérések tapasztalatai azt mutatják, hogy (a fenti okok miatt) a mérések reprodukciója nem jó. Ahhoz ugyanis, hogy a leányelemek aktivitásméréséből a radon jelenlétére következtessünk, ismernünk kell, hogy az adott helyiségben az adott időben milyen mértékben állt be a radioaktív egyensúly a radon és bomlástermékei között. Ez pedig nagymértékben függ a légcserétől és annak időbeli változásától. Feltételezzük, ami csak rosszul szellőző helyiségekre igaz, hogy a radioaktív egyensúly a ²²²Rn és bomlástermékei között már beállt. Ekkor a radon és bomlástermékei aktivitása rendre megegyezik.

4.2. Porszívózott géz aktivitása időfüggésének vizsgálata

A radon bomlástermékei aktivitásának időbeli változását a fent már említett GM-cső segítségével vizsgáljuk porszívózott gézmintán. A célunk az, hogy meggyőződjünk az összegyűjtött aktivitás exponenciális jellegű gyengüléséről és meghatározzuk az effektív felezési időt. A vizsgálatnak a következő lépései lesznek: mintavétel, mérés és kiértékelés.

A mintavételhez a porszívó szívócsövére helyezzünk el egy 3-4-rétegű kör alakú gézdarabot és működtessük a porszívót 2-3 órán keresztül. Ez az idő alatt a levegőt átszíva a gézen, az aeroszol porszemcsék fennakadnak a hozzájuk tapadt radon leányelemeivel együtt.

A mérésnél a gézre tapadt radon leányelemek béta aktivitását mérjük. Ehhez egy GM–cső szükséges a számlálójával, és egy személyi számítógép (PC). Indítsuk el a GM cső számlálóját. Kössük össze a GM–csövet a számlálóval, és azt pedig a számítógéppel a párhuzamos kimeneten (porton) keresztül. Futtassuk a számítógépen azt a programot, amely a beérkező eseményeknek időfüggését fogja vizsgálni („gm.exe”). Minden detektált eseménynek megfelel egy elektromos jel, és ennek pedig egy detektált béta részecske. A program menüjének utasításait az F1-F10 funkcionális billentyűk segítségével hajthatjuk végre. A program kezelésére segítséget (help) az F9 billentyű lenyomásával kaphatunk. A GM–cső folyamatosan működésénél, végezzünk egy háttérmérést. Ehhez nyomjuk le az F1 billentyűt, miután a program kéri a háttér mérési idejét (másodpercben). Végezzünk egy 5 perces háttérmérést. Ezután állítsuk be az egyes mérések idejét és számát, az F2-es billentyű lenyomásával. Válasszunk 20 db. 5 perces (300 mp) mérést. A ciklusok száma és az idők beállítása után az ENTER billentyű egyszerű lenyomásával elindul a mérés. – A mérési eredmények a következők lesznek: a háttér-beütés (N_h) valamint ennek szórása (s_h) és az egyes mérések beütés értékei (N_i) és ezek szórása (s_i) (imp/300sec egysében). A radioaktivitás mérésekor a beütésszámok Poisson-eloszlást követnek, amelynél a szórás: . – A mérési eredményeket mentsük ki egy „név.gm” fájl-ban az F5 billentyű lenyomásával.

Miután befejeztük a mérést, a mérési eredmények kiértékeléséhez az F8 billentyű lenyomásával elérhetjük az éppen aktuális adatokat. Ezekre illesszünk egy alakú exponenciális bomlásgörbét. Az illesztést a kiértékelő program a legkisebb négyzetek módszerével az F7 billentyűparancsra végzi el a számítógép. Meg kell még adnunk a mintavétel vége és a mérés kezdete között eltelt időt másodpercben. Miután megtörtént az illesztés, a program kiszámolja a kezdeti (t = 0 mintavétel vége) időpontra az aktivitást. Ebből az aktivitásból a program levonja a háttér értéket, és az eredményt kiírja a képernyőre imp/300 sec egységekben. Ez az A₀ kezdeti időpontban az effektív aktivitással arányos mennyiség. Az arányossági tényezőt a szűrés és a detektálás pontosan nem ismert körülményei adnák meg. – A minta effektív felezési ideje fordítottan arányos lesz az effektív bomlási állandóval a következő összefüggés szerint: . (Ennek értéke a méréseinkre 30-40 perc között van.)

4.3. Szobalevegő radon tartalmának mérése:

Mérjük meg a laboratórium szobalevegőjének radon koncentrációját a RAD7 detektor segítségével az alábbiak szerint:

· Indítsuk el a detektort és várjuk meg, amíg üzemkész állapotban kerül.

· Állítsuk be a detektor mérési idejét, a mérési ciklusok számát, a mérési módot, a mérendő mennyiségek egységét, és a protokollt. Ezen beállítások a detektor négy billentyűjével, MENU, ENTER, ¬, ® történik. A beállításokkal kapcsolatosan, segítséget nyújt a mérésvezető.

· Mérés előtt végezzünk egy 15 perces detektortisztítást.

· Végezzünk három darab, 10 perces radon aktivitás-koncentráció mérést. (Fontos, hogy mérés közben a detektort ne mozgassuk.)

· Jegyezzük le a mért radon aktivitás-koncentrációkat és standard hibaértékeit
(C_i ± DC_i). A standard hiba nem haladhatja meg a mért érték 10-20 %-át.

· A kapott adatokból számoljuk ki a szobalevegő átlagos radon koncentrációját a következő összefüggéssel:

, és ennek hibáját: .

· Az így kapott átlagos radon koncentráció értéket ()hasonlítsuk össze a fent megadott lakáslevegő radon–aktivitás koncentráció értékekkel.

Irodalom:

1. Marx György: Atommag közelben (Mozaik Oktatási Stúdió, Szeged, 1996).

2. Kiss Dezső, Horváth Ákos, Kiss Ádám: Kísérleti Atomfizika (Egyetemi Tankönyv, Eötvös Kiadó, 1998)

3. RAD7 – Elektronikus radon–detektor (használati utasítás).