RAD

Vízminták radontartalmának vizsgálata

1. A természetes radioaktivitás eredete

A Naprendszerünket felépítő stabil kémiai elemek többsége sok milliárd évvel ezelőtt egy felrobbanó csillagból (szupernóvából) kirepülve keletkezett sok rövid felezési idejű társával együtt, amelyek azonban azóta elbomlottak. A stabil elemek mellett fennmaradtak azok a hosszú felezési idejű nehéz magok is, amelyek egy része túl tudta élni a Föld kialakulásának hosszú történetét és rajta az élet kalandos keletkezését. Az urán és a tórium néhány izotópja például ilyen. Ezek megtalálhatók a Föld mélye mellett a felszínen is a bioszféra közvetlen közelében, a talajban és a kőzetekben. Így a Föld kialakulásának folyamata már úgy hozta, hogy környezetünk természetes módon tartalmaz radioaktivitást.

A földi bioszférát körülvevő természetes eredetű radioaktív sugárzásnak van még két összetevője. Az egyik azon izotópok sugárzása, amelyek nem milliárd évekkel ezelőtt a Földdel együtt keletkeztek, hanem azóta folyamatosan a kozmikus sugárzás hatására. A harmadik összetevő maga a kozmikus sugárzás, ami a légkört érő részecskesugárzás. Ennek eredete lehet a Napunk vagy azon kívüli a Tejútrendszer más részéről származó források (galaktikus komponens).

A urán és a tórium alfa-bomló atommagok, melyeknek az atommagja bocsát ki egy hélium atommagot a bomlás során. A keletkező ún. leányelemek maguk is radioaktívak, és tovább bomlanak, éppúgy mint ezen bomlások termékei is. Ezt az egymásba bomló elemek sorozatát hívjuk radioaktív bomlási sornak. A sor minden eleme hozzájárul a környezet radioaktivitásához. A sorok az ólom vagy a bizmut különböző stabil izotópjaira való bomlással fejeződnek be.

A elemek ősi keletkezése óta nemcsak az előbb említett 200-nál nagyobb tömegszámú radioaktív elemek maradtak fenn, hanem más, milliárd év nagyságrendű felezési idővel rendelkező izotópok is. Ilyen például a hétköznapi életben gyakran előforduló elem, a kálium radioaktív 40-es izotópja is. A kálium a stabil 39-es tömegszámú izotópon kívül 0,0118% gyakorisággal tartalmaz 40-es tömegszámú radioaktív káliumot. Ezen izotóp felezési ideje 1,227 milliárd év, ezért az ősi elemszintézis óta fennmaradt. Érdekes tény, hogy a leggyakoribb kálium izotóp tömegszáma 39, ezzel szemben az eggyel kisebb rendszámú argon pedig meglepő módon nem könnyebb, hanem nehezebb: 40-es tömegszámú. Ennek oka az, hogy a Földön található összes argon a radioaktív ⁴⁰K-ből keletkezett béta-bomlás során. A légkör 1%-a argon, ezért érthető, hogy akkor van elég sok ⁴⁰K is. Mindez már évmilliárdok óta így van, beleértve az élet kialakulásának időszakát is. Sőt, mivel a radioaktív elemek – ha lassan is – de az idők során elbomlanak, és emiatt az élet keletkezésének kezdeti időszakában a természetes radioaktivitás szintje még figyelemre méltóan magasabb is volt annál, mint ami napjainkban mérhető.

Vannak a Föld felszínén olyan radioaktív elemek is, amelyek az előbb említett milliárd évekhez képest nemrég keletkeztek. Ilyen a hidrogén radioaktív béta-bomló izotópja a trícium (³H) valamint a szintén béta-bomló radiokarbon (¹⁴C). Ezek a felső légrétegekben jönnek létre a kozmikus sugárzás hatására. A nagyenergiájú kozmikus protonok, amik a Napból, vagy a Naprendszeren túlról érkeznek, a felső légrétegben az ott lévő anyaggal kölcsönhatva neutronokat hozhatnak létre. A neutronok semleges részecskék és nekiütközhetnek a légköri nitrogén molekuláknak. A neutronok egy ilyen molekula egyik atomjának atommagjából aztán bizonyos valószínűséggel ki tudnak ütni egy protont, vagy magukkal tudnak rántani még két nukleont, egy neutront és egy protont. Az első esetben a ¹⁴N izotópban egy proton helyét egy neutron foglalja el, ezzel a rendszám eggyel csökkent, és az 5730 év felezési idejű ¹⁴C keletkezik. – A második említett esetben kirepülő proton és két neutron alkotja a 3-as tömegszámú hidrogént, a tríciumot, miközben az igen stabil ¹²C marad vissza. A trícium felezési ideje 12,3 év. Mindkét radioaktív izotóp keletkezése után diffúzióval szétterjed az egész légkörben és az egyes légköri körforgási ciklusok résztvevőjeként beépülhet az elő szervezetekbe a hidrogén, illetve a szénatomok helyre, hiszen kémiai tulajdonságaik ugyanazok. A felszíni vizek ilyen módon természetes folyamatok miatt tartalmaznak radioaktivitást. Ezek a radioaktív izotópok az ember szervezetébe is beépülnek (már a kialakulásunk óta), így saját magunk is radioaktívak vagyunk, ha nem is nagy mértékben.

A radon és bomlási sora

A urán több izotópja is jelen van a felszíni kőzetekben. Ilyenek a 235 és a 238-as tömegszámú urán. A ²³⁵U felezési ideje 0,7038 milliárd év, míg a ²³⁸U-é 4.468 milliárd év. A ²³⁸U bomlási sorában van egy érdekes elem, egy radioaktív nemesgáz, a radon 222-es izotópja. Ennek az elemnek a felezési ideje 3,8 nap, és ez elegendően hosszú ahhoz, hogy ha a földfelszín alatt több száz méterre keletkezik is, bizonyos körülmények között eljuthat a felszínre. Itt azután képes felhalmozódni házakban, barlangokban és az ivóvízben. A radon alfa-bomló izotóp, leányeleme a ²¹⁸Po:

²²²Rn®²¹⁸Po+a (E_a=5,5 MeV)

A radon leányeleme is radioaktív, annak leányeleme is és még többklépésen keresztül ez így megy tovább. A radon utáni bomlások a ²³⁸U természetes radioaktív sorának elemei. Az első leányelem a ²¹⁸Po felezési ideje rövid: 3 perc és ez is alfa-bomló izotóp. Így a bomlási sor egy laboratóriumi gyakorlat keretei között is gyorsnak mondhatóan folytatódik. A következő elemek a 214-es tömegszámú Pb és Bi, melyek béta-bomlással bomlanak. Először a ²¹⁴Pb®²¹⁴Bi+e^–+bomlás megy végbe, majd a ²¹⁴Bi®²¹⁴Po+ e^–+. Ezek felezési ideje körülbelül fél órás. A ²¹⁴Po ismét alfa-bomló atommag, mikroszekundumos felezési idővel. Leányeleme a ²¹⁰Pb, ami 21 év felezési idejű. A vizsgált környezetfizikai esetek időléptékénél ez sokkal hosszabb, így a ²¹⁰Pb utáni bomlástermékeket nem lehet észrevenni a laboratórium során sem. Úgy mondjuk, hogy a radon bomlási sora itt megszakad. Néhány hét alatt minden radon elbomlik, és ²¹⁰Pb-vé alakul, ami lassan bomlik tovább béta-bomlással.

A radon közvetlenül a ²²²Ra-ból keletkezik: ²²⁶Ra®²²²Rn+a, ami az uránsor 6. eleme. A környezetünkben jelenlévő radon mindig rádiumtartalmú kőzetből, talajból, építőanyagból származik. Általában ehhez urántartalom is járul, de ez nem szükségszerű. Geológiai korú képződmények esetén, ha a rádium a helyét tekintve elválik az urántól, akkor kb. 6 ezer év alatt elbomlik. Emberöltő nagyságú időtartamú folyamatok esetén megjelenhet a rádium egyedül is, pl. termálvizek kiválásaiban. Ilyenekre jó példa Magyarország számos termálvizében keletkezett vízkő. Ezek a rádium bomlásával radont juttatnak a vizekbe.

Először az uránbányákban dolgozók vizsgálata során derült fény a radon egészségi hatásaira. Ebben az esetben, a túlzott mennyiségben jelen lévő radioaktív gázt minden nap belélegző bányászok egészségét észrevehetően rontotta a tüdőbe került radon és leányelemeinek sugárzása. A radon ugyanis a légutakba kerülve éppen bennt elbomolhat, és a kirepülő alfa-részecske a légutak falának sejtjeinek ütközve ionizálják az ott lévő anyagot. Ez kis számú esemény esetén regenerálható, de hosszas nagy intenzitású sugázás esetén egészségügyi kockázattal jár. A radioaktív dózis első sorban a légutak kanyarulataiban történik, pl. ahol kettéválik egy légút (elágazáshoz ér). Itt a radon bomlástermékei fel tudnak halmozódni, majd az ezek által kibocsátott ionizáló sugárzás adja le a számottevő dózist. A radon bomlástermékei ugyanis már nem nemesgáz elektronszerkezettel rendelkező atomok. Ezek könnyen deformálható elektronszerkezete a fallal kölcsön tud hatni, és az atom kitapad.

Napjainkban az egyes gránit és más vulkanikus eredetű kőzetre épült falvak házainak lakótereiben okoz megemelkedett egészségi kockázatot az esetleg felhalmozódó radon. Elvi különbség van a hosszantartó besugárzás és a rövid hatás között. Ez utóbbira ugyanis a szervezet tud reagálni. Újabban bizonyos kutatási eredmények arra utalnak – ha csak rövid ideig és nem nagy mennyiségben kerül szervezetünkbe – a radon egészségi ártalmak helyett pozitív egészségi hatásokat is kiválthat. Számos gyógyfürdőben alkalmaznak Európában radonfürdőt, és a termálvizek szinte mindig meglévő radontartalmuk ellenére is évszázadok óta ismert módon gyógyítanak.

Ezek a földi és égi eredetű radioaktivitások évmilliárdok óta érik a Föld felszínét, ezért összességében nem tekinthetjük őket az emberiségre veszélyes körülménynek. Azonban intenzitásuk anomális megnövekedése vagy felhalmozódásuk eseteit célszerű megvizsgálni, ismerni és elkerülni.

Környezetünk védelmének fontos kutatási iránya, hogy ez a radioaktivitás hogyan kerülhet természetes módon felhalmozódva az emberi szervezet közelébe. Másrészt lényeges az is, hogy az emberi társadalom tevékenysége hogyan tudja az előbb említett természetes és más eredetű radioaktív elemek koncentrációját veszélyes mértékben mesterségesen megnövelni.

A jelen laboratóriumi gyakorlat célja az, hogy megismerkedjünk a természetes radioaktivitás vizekben való megjelenésének okaival és betekintést nyerjünk azokba a kísérleti módszerekbe, amelyekkel az aktivitások szintjét ténylegesen meg lehet állapítani. Rá kívánunk mutatni arra, hogy a természetes vizek kivétel nélkül mind – ha különböző mértékben is – de radioaktívak.

2. Vizek természetes radioaktivitása

A vizek radioaktivitása mesterséges szennyeződés hiányában elsősorban a vízmolekula egyik hidrogénje helyére beépülő trícium miatt alakul ki. Az élő szervezetekbe beépülő aktivitás azonban elsősorban a radiokarbonnak köszönhető. A felső légrétegekben a másodlagosan keltett neutronok és a ¹⁴N atommagok ütközése során létrejövő radiokarbon és trícium izotópok keletkezésének valószínűsége nagy pontossággal állandó, a bomlásuk ütemét pedig az atommagokra jellemző felezési idők határozzák meg. Emiatt kialakul a trícium (³H) és a radiokarbon (¹⁴C) egyensúlyi koncentrációja a légkörben, ami a légmozgások és a diffúzió miatt nemcsak a légkörben, hanem az azzal állandó kölcsönhatásban lévő rendszerekben is fennáll. Így az élő emberi, állati és a növényi szervezetekben is kialakul egy egyensúlyi koncentráció. Az egyensúlyi arány a trícium esetében úgy fogalmazható meg, hogy minden 10¹⁸-odik hidrogén helyett trícium atom ül a molekulákban. A radiokarbon esetén ez az arány 5´10¹¹.

A felszín alatti vizek általában nem érintkeznek a légkörben keletkezett izotópokkal. Az ilyen vizek radioaktivitása a felszín alatti kőzetek urán- vagy tórium-tartalmának a következménye. A bomlási sorokban keletkező radioaktív izotópok vegyületeket alkotva feloldódhatnak (pl. rádium-klorid) vagy a nemesgáz radon beleoldódhat a vizekbe. (A folyamat alapvetően hasonló az akváriumok vizébe oldódó oxigéngáz esetével.) Ilyen folyamatok révén felszíni és felszín alatti vizeink természetes módon radioaktívak lehetnek. A mélyfúrású kutak vizeinek mérései alapján tudjuk, hogy a felszín alatti vizek általában radioaktívak, és az aktivitásuk legfőbb (sokszor egyetlen lényeges) összetevője az oldott radongáz. A felszínre kibukkanó felszín alatti vízáramlások a források, vagy felszíni kutak formájában ismerhetők fel. Ezek radontartalma is jól mérhető szinte minden esetben, és a 10 – 500 Bq/l tartományba esik. Összehasonlításul az EU ajánlása az ivóvíz maximális radontartalmára 100 Bq/l. A nagy radontartalmú vizek sűrűn előfordulnak, és vízkivétel utáni azonnali fogyasztásuk nem ajánlott rendszeresen. Sok esetben a vizek radontartalma kipárolog a vízből, amennyiben a víznek nyílt felszíne van hosszabb ideig.

A radioaktív bomlás törvényei

Egy egyszerű bomlással bomló radioaktív izotópokból álló minta aktivitása az egy másodperc alatt elbomlott atommagok száma (ha a lenyelemek nem bomlanak tovább):

.

A kifejezésében a mínusz előjel arra utal, hogy az aktivitás ugyan pozitív, de a rendszerben lévő radioaktív izotópok száma éppen a bomlás miatt csökken, megváltozása negatív. Ha a bomlási sor sokadik eleméről van szó, akkor az N(t) megváltozása (így deriváltja) nem csak a bomlás miatt lehetséges, hanem a keletkezés miatt is. Ezért ezen esetekbena fenti formula nem használható.

Az aktivitás arányos a jelen lévő izotópok számával. Ugyanis ha több izotópunk van, akkor abból több is fog elbomlani, amiatt hogy az egyes atommagok és azok folyamatai teljesen függetlenek egymástól. Másrészről nyilvánvaló, hogy az aktivitás arányos az atommagok számán kívül még azzal is, hogy mi a valószínűsége egy-egy mag időegység alatt bekövetkező elbomlásának. Így

_,

Az egyszerű bomlás során a radioaktív elmek száma egy adott rendszerben időben exponenciálisan csökken. Ez az exponenciális bomlástörvény. Ha kezdetben N₀ izotópunk van, akkor t idő múlva már csak

marad. Itt l arányossági tényező neve bomlási állandó, és mértékegysége 1/s. Ez megadja egy izotóp egy másodperc alatti elbomlásának valószínűségét.

Ez akkor igaz, ha az objektumaink egymástól függetlenek, és a bomlási állandó nem függ az időtől. Radioaktivitásnál ez mindig fennál. Ezzel meg tudjuk mondani, hogy egy ismert idő múlva hányad részére csökken a radioizotópok száma, vagy ellenkezőleg időben visszafele ki tudjuk számolni, hogy egy minta mennyivel volt aktívabb egy korábbi időpontban. A felezési idő (T_1/2) az az idő, ami alatt a részecskék száma a felére csökken. A fenti bomlástörvény miatt ez éppen azt jelenti, hogy

.

Ha vesszük mindkét oldal logaritmusát, adódik a sokszor alkalmazott összefüggés:

_.

Az exponenciális bomlástörvény mindkét oldalának deriválásával jutunk a következő összefüggéshez:

A= –N’(t)= – (–l )N₀ exp(–lt)= lN(t)

Azaz: A=lN. Ez a nukleáris analitikai technikák alapösszefüggése. Az aktivitás méréséből ezen keresztül kaphatjuk meg a radioaktív izotópok számát.

3. Vizek radioaktivitásának meghatározása a folyadék-szcintillációs méréstechnikával

A radioaktív sugárzások anyagon áthaladva energiát adnak le, főként azáltal, hogy a pályájukat körülvevő atomokat ionizálják vagy gerjesztik. Az atomok és molekulák azonban nem maradnak sokáig gerjesztve, hanem rövid idő alatt visszajutnak a gerjesztés nélküli alapállapotukba. Eközben a fölös energiától valamilyen úton-módon megszabadulnak.

Szcintillációnak (felvillanásnak) azt a folyamatot nevezzük, amikor a gyorsan haladó töltött részecske által a közegben gerjesztett atmok vagy molekulák a gerjesztési energiájukat látható fény kibocsátásával vesztik el. A radioaktív bomlásban keletkezett részecske, például egy béta-bomlásban keletkezett elektron anyagon történő áthaladása során rengeteg molekulát vagy atomot tud gerjeszteni. Így egy jól szcintilláló anyag esetén egy radioaktív bomlás során hirtelen általában egyszerre sok látható foton keletkezik (felvillanás), és szalad szét a tér minden irányába. Amikor a közeg (detektoranyag) folyadék, akkor beszélünk folyadék-szcintillációról. Ilyenkor a szcintilláló közeget (tekintve, hogy általában több alkotóból áll) koktélnak hívjuk.

Fényhozam. Az egy bomlást követően pillanatszerűen felvillanó fotonok számát nevezzük fényhozamnak. Ezek a fotonok nem mind ugyanolyan színű látható fotonok, sőt egy részük UV-foton. A frekcencia-eloszlás azonban egy koktélra jelemmző állandó, a mintától független tulajdonság. A fényhozamnál így nem kell vizsgálnunk a fotonok frekvenciáját, hiszen nagy átlagban mindig ugyanaz az eloszlás keletkezik. A fényhozam nagyságát az határozza meg, hogy hány atomot vagy molekulát sikerült a koktélban gerjesztett állapotba hoznia a radioaktív sugárzásnak. Minél nagyobb egy adott sugárzás energiája (pl. alfa-sugárzásé) annál több foton villan fel egy bomlás után. Az alfa energiája arányos a fényhozammal. Ezért a fényhozam mértékegysége is energia jellegű: keVee, azaz kiloelektronvolt-elektron-ekvivalens. Azt mondja meg, hogy az adott felvillanásban hányszor töb foton keletkezett, mint egy 1 keV energiájú elektron által keltett felvillanásban keletkezett volna. Egy 1 keV-es alfa-részecske sokkal kevesebb fotont kelt, mint egy 1 keV-es elektron, ezért a radon bomlása során nem 5,5 MeVee a fényhozam, hanem ennél sokkal kisebb, kb. 300 keVee. A kevesebb foton keletkezésének az az oka, hogy az alfa részecske sokkal intenzívebben ionizálja a közeg molekuláit. Így megnyílik más energialeadási módoknak az esélye is a látható fény kibocsátása mellett. Ez utóbbi a „finom gerjesztések” után valószínűbb. Így például egy intenzíven ionizált közeg többször adja le ütközéssel az energiáját, vagy mágneses momentumainak kölcsönhatásai által.

A folyadék-szcintillációnak vizes minták mérésekor az a nagy előnye van, hogy a szcintilláló anyag elkeveredik a radioaktív izotópokat tartalmazó folyadékkal, és így nagyon kis hatótávolságú sugárzások is észlelhetők. A radon alfa-bomlásának hatótávolsága vizes oldatokban néhány mikrométer, a folyadékszcintilláció kifejezetten alkalmas a radon detektálására.

A fotoelektron-sokszorozó

A sugárzások detektálásánál általában azt a feladatot kell megoldani, hogy a sugárzás által leadott energiát valamilyen módon elektromos jellé alakítsuk. Ez alól csak az ún. vizuális, a részecske pályáját láthatóvá tevő detektorok a kivételek, amelyeknél a leadott energia olyan makroszkopikus változást hoz létre, ami optikai úton rögzíthető, pl. le lehet fényképezni. (Például ködcsíkot húz a részecske.) A szcintillációs detektorokban létrejövő látható fényfelvillanásokat a múlt század elején, a nukleáris méréstechnika kezdeti időszakában még szabad szemmel számolták, ami persze nagyon megnehezítette, körülményessé tette a méréseket. A XX. század közepén fejlesztették ki az első olyan berendezést, ami az emberi szemnél érzékenyebb és a fotonokat elektromos impulzussá alakítja. Ez a fotoelektron-sokszorozó, vagy (nálunk is meghonosodott angol kifejezéssel) fotomultiplier. A működésének lényege az, hogy a megszámlálandó fotonok egy vékony fémmel (pl. berilliummal) bevont üvegablakra esnek, és e fémből foto-effektussal elektront löknek ki. Ezeket az elektronokat néhány száz volt feszültséggel felgyorsítjuk, és befókuszáljuk egy speciális fémfelületre, az ún. dinódára. A dinóda olyan anyag, melyre az elektronok becsapódva, ott újabb elektronokat löknek ki. Egy becsapódó elektron kb. 3 másik, de kisebb energiájú, vagyis lassúbb elektront hoz létre. Ezeket aztán újra felgyorsíthatjuk, és egy újabb dinódára vezethetjük, ahonnan már ~ 9 elektron fog kirepülni. A sort tovább lehet folytatni. A gyakorlatban 8-12 dinóda alkalmazásával egy fotonból kb. egymillió elektront is sokszorozhatunk, és ha ezek egy ellenálláson rövid idő alatt áthaladnak, akkor egy jól megfigyelhető áramimpulzust kapunk. Ezt elektronikus egységekkel fel lehet dolgozni. Például meg lehet számolni, hány ilyen impulzus érkezett, vagy meg lehet vizsgálni egyenként az áramlökések nagyságát is. – Jegyezzük meg, hogy a fotoelektron-sokszorozó egy igen kis zajú erősítőnek tekinthető.

4. Mérési eljárás: vizek radon-tartalmának meghatározása

1. Mintavétel

Először a megvizsgálni kívánt vízből mintát kell vennünk egy jól meghatározott mintavételi eljárás keretében. A mintavételi eljárás során a vízből minél inkább a vízfelszín alól 10 ml-t egy fecskendőbe szippantunk. A mintavétel után minél hamarabb a mintát a mérő-küvettába kell juttatni. A mintavétel utáni szállításnál ugyanis radonveszteség léphet fel kipárolgás és radioaktív bomlás miatt. 4 napig meg nem mért minták esetén az aktivitásnak már csak a felét tudjuk megmérni, és ez a kimutathatóság alsó határát pl. növeli.

2. A minta és a berendezés előkészítése a mérésre

A vízminta 10 ml-ét a küvettába juttatjuk. Ez úgy történik, hogy a térfogat pontos beállítása után a vizet a küvettába bemért 10 ml folyadék-szcintillátor anyag (koktél), esetünkben OptiFluor O alá fecskendezzük. Az OptiFluor O ugyanis vízzel nem elegyedő folyadék. A készített minta nem lesz egyfázisú, hanem a szcintillációk a kevésbé sűrű szcintillátor fázisban történnek, míg maga a vízminta a sűrűbb alsó fázisba kerül. A folyamat során elkerüljük, hogy a radon a fecskendőbe került vízből a levegőbe távozhasson. (Egyébkent a radon szívesen szökik ki a vizekből.) A küvettát ezután gyorsan bezárjuk, és parafilmmel körültekerjük háromszor, hogy a benne lévő levegő megfelelően be legyen zárva.

A radon atomjai diffúzióval átmennek a szcintillátor fázisba, és néhány óra alatt kialakul a koncentrációk egyensúlya. Az OptiFluor O speciálisan olyan anyag, amely nemcsak hogy szcintillációra képes, de még a radont sokkal jobban is oldja, mint azt a víz teszi, ezért a radon-atomok többsége a szcintillációs fázisban lesz a diffúziós egyensúly beállta után. Az egyensúly beállását felrázással lehet gyorsítani. A felső fázisban elbomló radon alfa-részecskéi annyi szcintillációs fotont keltenek, mint egy kb. 300 keV energiájú elektron. A mérési tartományt ennek megfelelően kell majd beállítani.

Ezzel készen állunk a mérésre, melyhez egy TriCarb 1000 típusú folyadékszcintillációs spektrométert használunk. A műszer belsejében lévő két fotoelektron-sokszorozó a küvettákba helyezett koktélban (szcintilláló folyadékban) keletkező felvillanásokat megszámolják, és meghatározzák a percenkénti detektált bomlások számát a beállított fényhozam tartományban: CPM. Ezzel a módszerrel a vízminták radioaktivitása meghatározható.

A műszert úgy kell beállítanunk, hogy az a radon alfa-sugárzásának legjobban megfeleljen, és más dolgunk nincs, mint megszámolni a keletkezett áramimpulzusokat, más néven beütéseket egy adott idő alatt (ez általában 15 perc).

A radon fényhozamspektruma. A radon és leányelemeinek bomlása során a fentebb elmondottak alapján három alfa-bomlás is van. Ezek energiája különbözik. Eddig a ²²²Rn alfa-bomlásáról tudjuk, hogy az alfa-részecskék 5,5 MeV mozgási energiával hagyják el a bomlás szinterét. A ²¹⁸Po és a ²¹⁴Po alfa-energiája ennél nagyobb: 6,0 MeV ill. 7,7 MeV. A alfa-részecske minden bomlásban ennyi energiával rendelkezik, ami egyenesen arányos a fényhozammal. A ²¹⁴Po alfái nagyobb energiájúak, és így a fényhozamuk is nagyobb. A műszer az 5,5 MeV-es és a 6,0 MeV-es alfa-részecskéket nem tudja jól elkülöníteni a mindig fennálló mérési bizonytalanságok miatt. De a 7,7 MeV-esek jól elkülönülnek. A két másik 214-es tömegszámú izotóp a radon bomlási sorában béta-bomlással bomlik, és elektront bocsát ki az antineutrínók mellett. A béta-bomlásban a két kirepülő részecske energiájának összege adott, de a részarányuk mindig más. Az antineutrínó energiáját nem tudjuk a detektorunkkal meghatározni, csak az elektronét, így ez egy folytonos eloszlású rész lesz. A fényhozam maximuma kb. 600 keVee-nél van tiszta minták esetén. A kis fényhozamú beütések keletkezhetnek a háttérsugárzás által meglökött elektronok miatt, vagy trícium jelenléte miatt. Ezért alkalmazunk egy alsó fényhozam küszöböt is. A mérési beállítás: 25 keVee – 900 keVee, ez a műszerben a 6-os (előre beállított) protokollban van tárolva.

3. A minta radon-tartalmának meghatározása

Először azt határozzuk meg, hogy a mintánk hány elektromos jelet keltett percenként. Ennek nálunk is szokásos jele a CPM, azaz Counts Per Minute. Ez nem feltétlenül azonos a bomlások számával, mert a detektorunknak lehet 100%-nál kisebb hatásfoka is. A mérés során felhasználjuk egy korábbi olyan mérés eredményét, amikor ismert aktivitású radonos oldatok CPM-jét határoztuk meg. Ezen kalibrációs mérés eredménye a kalibrációs görbe, ami a CPM és a 10 ml-es minta aktivitását összeköti. A minta térfogata ismert, ezért az aktivitás-koncentráció is meghatározható. Ennek jele c, és

_,

ahol A a minta aktivitása (a mintában másodpercenként történő bomlások száma) és V a minta térfogata. Az aktivitás-koncentrációt Bq/l-ben mérjük. Ismert radon-koncentrációjú mintákkal elvégzett kalibráció eredménye a következő lett:

_.

A radon aktivitásából azután a benne lévő radon-atomok száma is meghatározható. Ennek alapja a már bevezetett A= lN összefüggés.

A mérés során a c aktivitás-koncentrációt kell meghatározni. Ez a méréskori aktivitás. A minta igazi tulajdonsága azonban a mintavételkori aktivitás. Ezt a radon időközbeni elbomlási részarányának kiszámolásával tudjuk meghatározni. Az exponenciális bomlástörvény alapján:

A t a mérés és a mintavétel között eltelt idő.

4. Mérési feladatok (ezekből lesz 4 személyre szabott feladat-egység)

4.1. Határozzuk meg a rendelkezésre álló minták mintavételkori radontartalmát. Ez általában a Rudas-fürdő Juventus-, Hungária- vagy Attila-kutjaiból származó (egyebként 10 Ft-ért vásárolható) vízminta, vagy egy 100 méter mélyből mesterséges fúrásból nyert vízminta.

4.2. Saját minták mérése is lehetséges. Ehhez a gyakorlat előtt nem régebben, mint 3 nappal vett vízmintákat kell megfelelő módon elhozni. Legjobb üvegpalackban, vagy minél vastagabb falú műanyag palackban hozni a mintát, de ügyeljünk arra, hogy mindig színültig töltsük a tartályt, és jól zárjuk le, hogy a radonveszteség minimális legyen. Aki előre bejelenti, az koktélt tartalmazó küvetát is kap, és egyenesen ebbe veszi a mintát. A mintavétel időpontját gondosan fel kell jegyezni, a mintavételi körülményekkel együtt. Abban az esetben, ha palackban érkezik a minta, akkor a küvetta elkészítése az első feladat: 10 ml minta + 10 ml OptiFluor-O összerázva (nem keverve). A mérendő küvetta elkészítése után végezzünk 10 perces méréseket. Állapítsuk meg a CPM-eket és becsüljük meg a mintavételkori radonkoncentrációt.

4.3. Vegyük fel a radonminta fényhozam-spektrumát. A spektrumot egy excellel beolvasható szövegfájlban a méréskor el lehet vinni. Ebben pontosvesszővel elválasztva helyezkednek el az adatok. Az első oszlop a fényhozam értéke keVee-ben, a töbi oszlopban az egyes spekrumok vannak.

4.3.1. Rajzoljuk ki a spektrumot úgy, hogy az érdekes részek jól látszanak (a pontok átlagolása segít). Értelmezzük a spektrum szerkezetét kvalitatíve kb. fél oldal terjedelemben!

4.3.2. Határozzuk meg a kisebb energiájú Gauss-görbe átlagos fényhozamát! Számoljuk ki ebből, hogy mekkora egy 1 keV-es alfa-részecske fényhozama!

4.4. Határozzuk meg, hogy hány darab radonatom van egy ismert mintában. (Számolási feladat)

4.5. Vizsgáljuk meg a radonminta mért detektálási intenzitása (CPM) bizonytalanáságnak és a mérés során összesen elbomlott radonatomok számának összefüggését! Hasonlítsuk össze a gép által kiírt bizonytanságot és a számolt bizonytalanságot. Milyen gondolatmenettel kapunk jó egyezést?