Dozimetria gyakorlatok

1. Miért van szükség sugárvédelemre[1]?

Az a tény, hogy ionizáló sugárzások (röntgensugarak, magsugárzások) biológiai ártalmakat okozhatnak, már nem sokkal 1895-ben történt felfedezésük után nyilvánvalóvá vált. A sugárvédelem területén az első jelentős lépést már 1928-ban megtették. Ekkor definiálták a besugárzási dózis fogalmát, megadták meghatározásának módját és megtették az első javaslatot a gyakorlati sugárvédelem megszervezésére. A megengedhető dózis fogalmát úgy értelmezték, mint azt a besugárzást, „melyet az emberi szervezet utólagos sérülések nélkül tolerálni képes”. Azóta az egységek definícióját több ízben helyesbítették, a „megengedett sugárzási szinteket” is több ízben változtatták – minden esetben lefelé. Napjainkban a még a második világháború előtt létrehozott Nemzetközi Sugárvédelmi Bizottság (International Commission on Radiological Protection – ICRP) foglalkozik a sugárvédelem alapvető problémáival.

Az ionizáló sugárzások felhasználási területe az elmúlt évszázadban óriási ütemben és mindvégig töretlenül nőtt. Példaként említjük, hogy csak az elmúlt évtizedben is tanúi lehettünk nagy hatékonyságú, modern diagnosztikai módszerek meglepő gyorsaságú elterjedésének. Ilyenek például a computer-tomográfok (CT), vagy a pozitron-annihiláció jelenségét alkalmazó PET (Positron Emission Tomography) eljárás. Így a hivatásszerűen ionizáló sugárzással foglalkozók száma is állandóan nőtt. Magyarországon ma kb. 15 ezer embert ellenőriznek hatóságilag az éppen a jelen laboratóriumi gyakorlatban bemutatott film-doziméterrel.

Mi ellen védekezünk?

A ma élő ember több forrásból folyamatosan ki van téve származó ionizáló sugárzástól származó terhelésnek. Ezek eloszlását az 1. ábrán mutatjuk be.

1. ábra: Az emberiséget érő sugárterhelés megoszlása.

A természetes sugárterhelés fele abból adódik, hogy a zárt helyiségekben az építőanyagból és a talajból radon kerül a levegőbe. Így az innen származó sugárterhelés a szabad levegőhöz képest több nagyságrenddel is megnövekedhet. Ezért a radon az egyetlen természetes sugárterhelés, ami ellen védekezünk a Földön.

A mesterséges eredetű sugárterhelés 95%-a az orvosi diagnosztikai- és terápiás eljárások következménye. A maradék 5%-ot elsősorban a légköri kísérleti atomrobbantások máig ható következményei okozzák. Ezután következik csak a nukleáris technológiákból adódó sugárterhelés.

A társadalom nukleáris technológiákkal kapcsolatos hozzáállása ellentmondásos. Mindenki szívesen veszi az orvosi-diagnosztikai módszerek elterjedését, a nukleáris energiatermelésből adódó áramot (Magyarországon ez a teljes elektromos energia 40%-a), de azt a tényt, hogy ezekben az esetekben az előnyökért a társadalom tudatos kockázatvállalására van szükség, amelyet az előnyök és a hátrányok szakszerű mérlegelésével lehet felvállalni, még csak kevesekben tudatosodott. Nyilvánvaló, hogy a társadalom egésze a tudományos technikai fejlődés során semmiképpen sem, vagy csak nagy áldozatok árán mondhat le azokról az eredményekről és előnyökről, amelyekhez a sugárforrások, sugárzó anyagok és az atomenergia felhasználásával jut.

Ugyanakkor az élővilág, így az emberiség sugármentesítése elérhetetlen illúzió is: a kozmikus tér és a természetes radioaktív anyagok háttérsugárzásának a Föld lakói mindig ki voltak és ki lesznek téve. Az élet így alakult ki és maradt fenn rajta.

A radioaktivitástól való félelem bizonyos mértékig érthető, hiszen az ionizáló sugárzást érzékszerveinkkel nem vagyunk képesek felfogni. (A gamma- és röntgen-sugárzás ugyanúgy elektromágneses sugárzás mint a fény, de a kvantumainak energiája több nagyságrenddel nagyobb, mint a látható fényé.) A halálos dózis által átadott energia még egy fokkal sem emeli az emberi test hőmérsékletét, és klasszikus módszerekkel (hőmérővel) nem is lehetne kimutatni.

A ionizáló sugárzást megfelelő eszközökkel nagyon pontosan lehet detektálni. A legolcsóbb és legegyszerűbb GM-csöves detektorral a természetes sugárzási szint néhány százalék pontossággal követhető. A természetes sugárzási szintet folyamatosan mérik (Országos Sugárzásfigyelő Jelző- és Ellenőrző Rendszer – OSJER), az adatok az Interneten bárki számára hozzáférhetők (omosjer.reak.bme.hu, illetve a Országos Meteorológiai Szolgálat honlapján: www.met.hu). A már említett film-doziméteres ellenőrzésnél a természetes háttérsugárzástól való 25%-os eltérést már naplózzák, bár ez a dolgozókra megengedett érték kb. százada.

A jelen laboratóriumi gyakorlat célja az, hogy betekintést adjon a sugárvédelem céljaiba, megalapozásába, módszereibe és gyakorlatába. A mai energiapolitikai helyzetben különösen fontosnak tartjuk, hogy az atomenergia és a hagyományos energiaforrások sugárveszélyességéről, a természetes sugárterhelésről, a sugárdózisok mérésének módszereiről fizikus szakos hallgatóink pontos és szakmailag megalapozott ismereteket szerezzenek. A film-dozimetriai gyakorlat és a beltéri radon-koncentráció meghatározása pedig a gyakorlatban is lényegében azonos módon alkalmazott kísérleti eljárásokba ad betekintést.

2. Az ionizáló sugarak hatásai

2.1. Dózisfogalmak

2.1.1. Fizikai dózisfogalmak

Ahhoz, hogy a különböző sugárzások veszélyeiről, azokkal kapcsolatos kockázatokról beszélni tudjunk, meg kell ismerni a ma használatos dózisfogalmakat. Az (elsődlegesen és másodlagosan) ionizáló sugárzások dózisán valamely anyagban elnyelt sugárzási energiát értjük.

Az elnyelt dózis (D) az anyagban tömegegységenként elnyelt energia:

,

ahol dW az elnyelt energia, m az elnyelő anyag tömege V térfogatban, és ρ az anyag sűrűsége. Az elnyelt dózis egysége a gray:

[D] = 1 J/kg = 1 Gy (gray).

Elnyelt dózisteljesítmény az időegység alatt elnyert dózis (az elnyelt dózis idő szerinti deriváltja).

.

Egysége , a gyakorlatban használt egysége: μGy/h.

Pontszerű g-forrástól meghatározott távolságra az elnyelt dózis a következő összefüggés alapján számítható. Az A aktivitású forrástól r távolságra t idő alatt a levegőben tömegegységenként elnyelt dózis:

,

ahol K a forrásra jellemző érték, az izotóp dózisállandója. (A levegő átlagrendszáma nagyon közel esik az emberi test átlagos rendszámához.) Az alábbi táblázat néhány, gyakorlati szempontból fontos izotóp dózisállandóját tartalmazza:

Izotóp	Kγ [mGy·m^2/GBq·h]
^24Na	0,444
^22Na	0,282
^226Ra	0,200
^60Co	0,305
^137Cs	0,0799
^131I	0,054
^192Ir	0,0998

1. táblázat: Néhány gyakrabban használt izotóp dózisállandója.

2.1.2. Biológiai dózisfogalmak

Az ionizáló sugárzások biológiai hatásai bonyolult folyamatok eredményeként alakulnak ki. A testszövetet alkotó anyag és a sugárzás között először fizikai kölcsönhatások jönnek létre, amelyeket azután kémiai, biokémiai elváltozások követnek. A végeredmény a besugárzott élő szervezet biológiai elváltozása lehet.

Egyenérték-dózis (H_T) a sugárzás biológiai hatását leíró számított dózismennyiség. Az R típusú sugárzástól, T szövetben vagy szervben elnyelt dózis:

, ahol

D_T,R a T szövetben vagy szervben elnyelt dózis átlagértéke és w_R az R sugárzás károsító hatásának súlyozótényezője, az egyes sugárzásokra jellemző dimenzió nélküli szám. (Ma is többször találkozhatunk a Q-val jelölt minőségfaktorral (quality factor), ami megegyezik w_R-rel, ha a T szövet helyett az egész testről beszélünk. A minőségfaktort a korszerű sugárvédelem már nem alkalmazza.)

Ha a sugárzási teret különböző típusú, illetve eltérő súlyzótényezőjű sugárzások alkotják, akkor a teljes egyenérték-dózis:

A teljes egyenérték-dózis egysége a Sievert (Sv): [H] = J/kg = Sv (sievert).

Néhány ionizáló sugárfajta súlyozótényezője a 2. táblázatban található:

Sugárzás	wr
Fotonok	1
Elektronok és müonok	1
Protonok	5
Neutronok, energiától függően	5-20
a-sugarak, hasadványok, nehéz magok	20

2. táblázat: A sugárzási súlyozó tényezők különböző fajtájú sugárzásokra [4].

Az effektív dózis (E) a különböző szövetek eltérő kockázatnövelő hatását figyelembe vevő, egész testre vonatkozó, számított biológiai dózisfogalom. A egyenértékdózis számításakor ugyanis nem vettük figyelembe, hogy a különböző szervek, szövetek máshogy reagálnak ugyanarra a sugárzásra. Az effektív dózis:

, ahol

w_T a súlyozó tényező, amely a T testszövetből származó hatásokból eredő károsodás és a test egyenletes besugárzása esetén fellépő hatásokból eredő teljes károsodás aránya, H_T a szervekre számított egyenérték-dózis. Az effektív dózis egysége is a sievert, [E] =Sv=J/kg.

A testszöveti súlyozó tényezők a 3. táblázatban találhatók:

Ivarmirigyek	0,20
Vastagbél	0,12
Gyomor	0,12
Tüdő	0,12
Vörös csontvelő	0,12
Hólyag	0,05
Emlő	0,05
Máj	0,05
Nyelőcső	0,05
Pajzsmirigy	0,05
Csontfelületek	0,01
Bőr	0,01
Maradék	0,05
Összesen	1,00

3. táblázat. A testszöveti súlyozó tényezők [4].

2.2. Az embert érő sugárterhelések okai

Miután értelmeztük a különböző sugárzások mennyiségét és biológiai hatását, megvizsgáljuk, hogy honnan származnak ezek a sugárzások.

2.2.1. A természetes sugárterhelés

A bioszférát kialakulása óta érik különböző eredetű ionizáló sugárzások. Az emberi tevékenységtől független sugárterhelést természetes sugárterhelésnek nevezzük.

Az elsődleges kozmikus sugarak részben a Galaktikából, részben a Napból származnak. Jelentős részük nagy energiájú proton, de alfa-részecskék és röntgen-fotonok is előfordulnak közöttük. A Föld légkörének felső rétegeiben az elsődleges kozmikus sugarak magreakciókat és másodlagos részecskéket (neutronokat, mezonokat, stb.) hoznak létre. A másodlagos részecskék további reakciókat okoznak, és ez úton végeredményben egy sor radioaktív elem keletkezik (³H, ⁷Be, ¹⁰Be, ²²Na, ²⁴Na, ¹⁴C, stb.).

A Föld mágneses tere jelentős védelmet nyújt a világűrből érkező elektromos töltésű részecskék ellen, azokat a mágneses pólusok felé terelve. Emiatt a kozmikus sugárzás által okozott dózisterhelés függ a földrajzi helytől.

A kozmikus sugárzás által létrehozott radioizotópok a légkör keveredése révén lekerülnek a Föld felszínére, vagy az eső bemossa őket a Föld belsejébe. Így kerül pl. a trícium a vizekbe.

Magyarországon a lakosság évente átlagosan 0,3-0,35 mSv egyenérték-dózisú sugárterhelést kap a kozmikus sugárzástól.

A Földben vannak olyan radioizotópok is, amelyek még korábbi szupernóva robbanásból származnak és amelyek felezési ideje a Föld életkorával összemérhető. Ezekből adódik a földi eredetű természetes sugárterhelés. Ezeket a 4. táblázat foglalja össze:

Izotóp	felezési idő [év]
^40K	1,28·10^9
^87Rb	47,0·10^9
^238U és bomlási sora (^222Rn)	4,49·10^9
^235U és bomlási sora	7,04·10^8
^232Th és bomlási sora (^220Rn)	14,1·10^9

4. táblázat: A földi természetes sugárterhelést létrehozó izotópok.

A fentiekből a radon okozza (az egész Földre vonatkoztatva) természetes sugárterhelés felét úgy, hogy a (lakó)helyiségekben feldúsul [1]. A radon nemesgáz, az urán és a tórium leányeleme. A természetes sugárterhelés hazai megoszlásának részletes ismertetése a [2] irodalom 23. oldalán található.

A teljes természetes eredetű sugárterhelés Magyarországon 2 és 4 mSv/év között van.

Természetes sugárterhelést növelő tevékenységek: a repülés, a dohányzás és a széntüzelésű erőművek közelsége.

· Repülőgépen 10 km magasan 30 óra alatt 0,15 mSv járulékos dózisterhelést kapunk.

· Dohányzó emberek tüdejében mintegy 300%-al magasabb a ²¹⁰Pb és kb. 200%-al magasabb a ²¹⁰Po tartalom, mint a nemdohányzókéban. Ennek megfelelően az ezektől az izotópoktól származó, tüdőt ért sugárterhelés is ilyen arányban nő. A csontok ²¹⁰Pb tartalmában mintegy 75%-os növekedést idéz elő a dohányzás, ezért a vérképző rendszert is károsítja.

· A kőszén a talajjal kb. azonos koncentrációban tartalmaz radioaktív izotópokat. A pernyében azonban az urán és az ólom lényegesen feldúsul, s így a kéményen át távozó pernye a környezet radioaktív szennyeződését idézi elő, ami a lakosság többlet-sugárterheléséhez vezet. Egy átlagos szénerőmű pernyéjének fajlagos aktivitása kb. 1500 Bq/kg. Minden megtermelt MWév villamos energiára 11 MBq aktivitás kibocsátása jut. Emellett a salakban is földúsul az urán, ami fokozottan káros, ha lakóházak építésénél használják.

A természetes és mesterséges eredetű külső és belső sugárterheléseket a 5. táblázat összesíti.

Természetes sugárterhelés	67,7 %
Orvosi eredetű sugárterhelés	30,7 %
Nukleáris robbantások hatása (ma)	0,6 %
Különböző sugárforrások hatása	0,5 %
Sugárveszélyes munkahelyen dolgozók	0,35 %
Atomenergetika	0,15 %

5. táblázat. A sugárterhelésünk források szerinti megoszlása.

2.2.2. A mesterséges eredetű sugárterhelés

Egészségügyből adódó (diagnosztikai és terápiás) sugárterhelés

A lakosság természetes eredetű sugárterhelése után ez a terület adja a legnagyobb terhelést. Igaz, hogy itt a legnyilvánvalóbb mindenki számára a kockázatvállalás haszna. Meg kell azonban említeni, hogy csak akkor szabad a beteget sugárterhelésnek kitenni, ha a vizsgálat vagy terápia elmaradása nagyobb kockázatot jelentene, mint annak végrehajtása. Ez az esetek döntő többségében úgy teljesül, hogy a vizsgálat kockázata több nagyságrenddel kisebb, mint a haszon, amelyet hoz.

A lakosság orvosi alkalmazásokból eredő sugárterhelésének világátlaga 0,6 mSv, a fejlett országokban 2 mSv/év [2].

Televízió, számítógép, monitor

Elektromosságtanból ismert, hogy a gyorsuló töltés sugároz. A televízió vagy a monitor katódsugárcsöves képernyőjébe becsapódó elektron gyorsul, (negatív gyorsulás) ezért – a röntgenkészülékekhez hasonlóan, – sugárzást (ún. fékezési röntgen-sugárzást) bocsát ki. Az alkalmazott (20 kV körüli) csőfeszültség azonban eléggé alacsony, a csőben lévő elektronáram erőssége pedig eléggé kicsiny, ezért a képernyő felé az üveg vastagsága miatt általában nem jut ki röntgen-sugárzás, a képcső vékonyabb részein pedig árnyékolást alkalmaznak.

Atomerőművek, atomenergetika

Az atomreaktorok a mesterséges sugárterhelés forrásait jelentik, akár kutatási akár energetikai célokra használják is azokat. Teljesítményüknél fogva azonban az erőművi reaktorok terhelése mellett a kutatóreaktorok terhelése elhanyagolható. Az atomerőművektől származó sugárterhelés vizsgálatánál meg kell különböztetnünk a normál üzemi és az üzemzavari kibocsátásokat.

Normál üzemi kibocsátások

Normális üzem közben egy atomerőmű légnemű és folyékony halmazállapotú radioaktív anyagokat bocsát a környezetbe. Az előírások szerint ezek a kibocsátások csak olyan értékűek lehetnek, hogy a környéken élő lakosságnak ebből eredő többlet sugárterhelése nem érheti el az évi 0,25 mSv-et évenként 1000MW villamos reaktorteljesítményre vonatkoztatva [3]. Ennek betartását az erőművek köré telepített környezetellenőrző hálózat folyamatosan ellenőrzi.

Üzemzavari kibocsátások

A terjedés során a radioaktív anyag felhígul (szétterül), s ezért a távolabb élők kisebb terhelést kapnak, mint a közelben lakók. Az atomerőművektől távolabb lakókat csak a hosszú felezési idejű izotópok veszélyeztetik. A lakosság egyes rétegeit ért dózist ismerve meg lehet becsülni egy üzemzavar várható következményeit, kockázatnövelő hatását (a kockázatokról l. a 2.4. fejezetet).

A csernobili katasztrófa például a Magyarországon élőkre nézve azt jelentette, hogy a felnőtt lakosság 10 év alatt összesen átlagosan 0,47 mSv többletdózist kap. Ebből 0,33 mSv-et 1986-ban kapott ([2] 212.oldal). A kockázatnövekedés tehát: 5·10^-2 · 0.47·10^-3 = 2,35·10^-5 (azaz 23,5 mikrorizikó). Körülbelül ekkora kockázatot vállalunk (ld. 2.4. fejezet) 300 km-es kerékpározással is.

A társadalmi megítélésben lévő különbségek gyökere két okban rejlik. Egyrészt a dohányos és az autós kockázata önként vállalt kockázat, míg Csernobil kényszerített kockázat; másrészt pedig az előbbiek esetében a haszon – amiért a kockázatot vállalják – a kockázatvállalók számára nyilvánvaló, míg Csernobil esetében a kérdés összetettebb. Mint említettük, mind az előny mind a kockázat megítélésében nagy szerepet kap a szubjektivitás. Ezért ezekben a kérdésekben a társadalmi vita biztosan tovább fog tartani. Csak remélni lehet azonban, hogy az érzelmi érvek helyét előbb-utóbb elfoglalják az alapfogalmak és tények ismeretére alapozott racionális érvek.

A paksi 2003. április 10-11-i üzemzavar következtében a kibocsátás által okozott többletdózis 0,00013 mSv, miközben az éves dóziskorlát az egész atomerőműre 0,09 mSv.

A nukleáris fegyverkísérletek

Egy-egy nukleáris szerkezet felrobbantásakor jelentős mennyiségű hasadvány került a légkörbe. Ezek egy része a robbantás nem túl távoli környezetében visszaesik, más részét az uralkodó széljárás távolabbra is elviszi, egy harmadik része, a kis szemcseméretű aeroszolok pedig feljutnak a sztratoszférába, és az atmoszféra rétegeinek keveredése során esetleg csak évekkel később kerülnek vissza az alsóbb rétegekbe radioaktív szennyeződést okozva.

A robbantás környezetében a legerősebb a sugárterhelés, attól távolodva rohamosan csökken. A csökkenésnek az egyik oka az, hogy a kikerült radioaktív anyagok szétszóródása megkezdődik, és így a térfogategységre jutó anyagmennyiség csökken. A csökkenés másik oka pedig az, hogy az izotópok aktivitása időben csökken. A robbantástól időben távol már csak a hosszú felezési idejű aktivitások "felhígult" hatásával kell számolni.

A hosszú felezési idejű termékek közül sugárvédelmi szempontból az egyformán mintegy 30 éves felezési idővel rendelkező ⁹⁰Sr és ¹³⁷Cs a legjelentősebbek. A stroncium bétasugárzó, és a csontba épül be (kémiailag a kalciumhoz hasonló). Így a vérképzésben nagy szerepet játszó csontvelőt károsítja. A cézium béta- és gamma-sugárzó, és az izomszövetbe épül be (kémiailag a káliumhoz hasonló), ezért az egész test sugárterhelését idézi elő. Az 1963-as atomcsend egyezmény megkötése előtt a nukleáris kísérletektől származó légköri szennyezés kb. 1000-szer akkora volt, mint ma az egész világ atomiparának sugárszennyezése.

2.3. Ionizáló sugárzások biológiai hatása

A sugárzások biológiai hatásait a „kin? mikor? milyen?”, kérdések alapján osztályozzuk. Az osztályozást a 2. ábra tartalmazza.

2. ábra: Az ionizáló sugárzás biológiai hatásainak osztályozása.

A szomatikus, vagyis az egyedeken (és nem az utódokon) jelentkező biológiai hatás speciális esete a magzati korban kapott sugárterhelés. A sugárhatás itt azonnal jelentkezik, de (legkésőbb) csak kilenc hónap múlva lesz nyilvánvalóvá. A magzat ugyanakkor nagyon érzékeny a sugárterhelésre.

A determinisztikus- és sztochasztikus hatások dózisfüggését a 3. ábra mutatja. A baloldali ábrán magas dózisok, míg a jobboldali ábrán a kis dózisok tartományát mutatjuk. A baloldali ábrán az LD_50/60 a félhalálos dózis jelölése, a besugárzott emberek 50%-a 60 napon belül belehal a sugárterhelésbe.

3. ábra: Az ionizáló sugárzások biológiai hatásának dózisfüggése.

A determinisztikus- és sztochasztikus hatások összehasonlítását a 6. táblázat tartalmazza.

DETERMINISZTIKUS	SZTOCHASZTIKUS
A hatás csak küszöbdózis felett jelentkezik	Nincs küszöbdózis
A hatás súlyossága arányos a dózissal	A hatás valószínűsége arányos a dózissal
Vannak jellegzetes tünetek	Nincsenek jellegzetes tünetek
A hatás általában akut	A hatás mindig később jelentkezik

5. táblázat: A determinisztikus és sztochasztikus hatások összevetése.

A rendelkezésre álló tapasztalatok (a Hirosima és Nagasaki elleni atomtámadásokat túlélők adatai, röntgen-besugárzások alanyainak megfigyelése, stb.) szerint 1 Sv dózis elszenvedése a teljes népességre vonatkoztatva 5% valószínűséggel okoz halált, vagy halállal végződő más betegséget. A 3. ábra jobboldali görbéjének indulási pontja a magyarországi 0,33%-os éves rosszindulatú daganat miatti halálozási adat [5]. Az, hogy a hosszantartó, kismértékű dózisnövekedés (nagyobb háttérsugárzás) markánsan megemeli-e a betegség bekövetkezésének valószínűségét (felső vonal), vagy van egy stimuláló hatása (alsó vonal), az szakmai vita tárgya. Van adat arra, hogy kis dózisok elősegíthetik a szervezet hibajavító működését ([2] 126. oldal).

A genetikai sugárhatások azt jelentik, hogy a magsugárzások a csírasejtek kromoszómáiban és génjeiben öröklődő degenerációkat hoznak létre. A kiváltott mutációk általában kóros elváltozásokat eredményeznek, amelyek csökkentik az utód életképességét (pl. süketség, vakság). A mutációk majdnem mindig recesszív jellegűek, vagyis nem a sugárártalmat elszenvedett egyén közvetlen utódainál jelentkeznek, hanem csak későbbi leszármazottaknál, ha azonos mutációjú kromoszómák találkoznak az utódnemzésnél. Nyilvánvaló, hogy mindaddig, amíg a társadalom csak kis része van kitéve a háttérsugárzás feletti fölötti besugárzásnak, addig a jelenség nem túl nagy fontosságú. Ha azonban a népesség jelentős hányada kerül kapcsolatba magsugárzásokkal, a genetikai sérülések valószínűsége megsokszorozódat.

A Hirosima és a Nagasaki elleni atomtámadásokat túlélők vizsgálatánál nem tudták kimutatni a szülőket ért sugárterhelés genetikai hatását a később fogant gyerekekben. A vizsgálatok azonban nem zárták ki a sugárterhelés genetikai hatását.

2.3.1. A sugárzások biológiai hatását befolyásoló tényezők

A sugárhatást fizikai-, kémiai- és biológiai tényezők befolyásolják ([2] 73. oldal).

A sugárzások hatását módosító fizikai tényezők: a sugárzás fajtája (2. táblázat), a dózisteljesítmény, az, hogy a dózist milyen részletekben közöljük (dózisfrakcionálás), valamint a hőmérséklet.

A kémiai tényezők közül a legjelentősebb az oxigén sugárérzékenységet fokozó hatása. A biológiai hatást elsősorban a sejtek és szövetek eltérő sugártűrése (3. táblázat), az életkor és az egyéni érzékenység – akár időbeli – különbözősége is befolyásolja. A sejtek és szövetek sugárérzékenységét a sejtbiológiai folyamatokban résztvevő szabályzó mechanizmusok befolyásolják. Az egyéni sugárérzékenység sok biológiai tényezőtől, köztük az életkortól is függ.

2.4. A kockázatokról

A kockázat fogalmának bevezetésére azért van szükség, hogy az embert érő különböző káros hatásokat össze lehessen hasonlítani. (Az Egyesült Államokban például minden évben meghal egy-két ember a rázuhanó repülőgéptől, az ilyen halál kockázata (ott) 1/100000000 év körül járhat. Ezt azonban a köznapi vélekedés elhanyagolhatónak (gyakorlatilag zérusnak) ítéli. A radioaktivitásból származó ionizáló sugárzás kockázatának elemzése előtt tekintsük át a mindennapok egyéb kockázatait.

A kockázat (rizikó) matematikai értelmezése a következő:

R = W·K,

ahol W a bekövetkezés valószínűsége, K pedig a következmény súlyossága. Bizonyosság esetén W = 1, halálesetben K = 1.

Ha N személyt teszünk ki ugyanakkora R kockázatnak, akkor a kollektív kockázat – a várható halálesetek száma – N ^. R. Vezessük be a mikrorizikó fogalmát! Ez

R=1/10⁶

kockázat, azaz pl. egyetlen áldozat várható 1 mikrorizikó kockázatnak kitett egymillió ember közül. Nemzetközi statisztikák szerint kb. ekkora kockázattal jár:

2500 km utazás vonaton,

2000 km utazás repülőn,

80 km autóbuszon,

65 km autón,

12 km kerékpáron,

3 km motorkerékpáron,

egy cigaretta elszívása,

két hónap együttélés egy dohányossal,

meginni egy palack bort,

kövér embernek még egy vajas szendvicset enni,

egy órán át Budapest belvárosában lélegezni,

egy hétig házban aludni,

öt éven belül méhcsípéstől meghalni és

tíz éven belül villámcsapást kapni.

Tevékenység, foglalkozás	mikrorizikó/év-ben kifejezett kockáztat
Kereskedelmi munka	2-3
Gyári munka	10-100
Hivatásos autóvezetés	400
Építőipari munka	400
Szénbányászat	800
Elektromos távvezeték építés	1200
Mélytengeri halászat	800
Gyilkosság, Magyarország	30
Öngyilkosság, Magyarország	490
Dohányzás okozta halálesetek, Magyarország	3000

6. táblázat: Különböző tevékenységek kockázatának összehasonlítása.

2.5. Sugárvédelem

2.5.1. Kollektív sugárvédelem

A sugárvédelem alapelve az, hogy az emberi sugárterheléssel járó tevékenység okozta egészségkárosodás kockázatát elfogadható szinten kell tartani. Ez az elv képezi a Nemzetközi Sugárvédelmi Bizottság (ICRP) sugárvédelmi ajánlásainak és dóziskorlátozási rendszerének alapját. Ezt a dóziskorlátozási rendszert a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (International Atomic Energy Agency, IAEA) beépítette Sugárvédelmi Alapszabályzatába, és elfogadta számos ország illetékes szerve, így közöttük hazánk is. Ez a korlátozási rendszer állandó változásban van, hiszen az újabb felismerések alapján az ajánlásokat időnként módosítják, és ezek nyilvánvalóan a szabályzatok módosítását is maguk után vonják.

2.5.2. A sugárvédelem hármas alapelve

Indokoltság elve: Sugárzással járó tevékenységet csak pozitív nettó haszon esetén szabad folytatni.

Ez ad értelmet a sugárterheléssel kapcsolatos kockázatvállalásnak. Azt, hogy egy társadalom mit tekinthet ésszerű kockázatnak, nehéz meghatározni. A kérdésnek az az átfogalmazása, hogy „azok az előnyök, amelyekhez a társadalom egésze a sugárforrások felhasználásával jut, legyenek nagyobbak, mint a hátrányok”, további nehezen meghatározható fogalmakat tartalmaz. Itt már szakmai kérdéseken kívül társadalmi-, politikai- és morális problémákkal is találkozunk.

ALARA (As Low As Reasonably Achievable) elv: Minden indokolt sugárterhelést olyan alacsony szintre kell csökkenteni, amennyire az a gazdasági és társadalmi szempontok figyelembevételével ésszerűen lehetséges.

Dóziskorlátozás: Az egyéni sugárterhelés egyenérték- és effektív dózisa nem haladhat meg egy megállapított határértéket.

2.5.3. Dóziskorlátok

Foglalkozási sugárterhelés

Bármely dolgozó foglalkozási sugárterhelését úgy kell szabályozni, hogy azok a következő korlátokat ne lépjék túl:

1. 20 mSv effektív dózis évente, öt egymást követő évre átlagolva (100mSv/5év),

2. 50 mSv effektív dózis bármely egyetlen évben,

3. 150 mSv egyenérték dózis egy évben a szemlencsére, valamint

4. 500 mSv egyenérték dózis egy évben a végtagokra (kéz, láb), vagy a bőrre.

Lakossági sugárterhelés

A tevékenység következtében a lakosság érintett csoportjának becsült átlagos dózisa ne lépje túl a következő korlátokat:

1. 1 mSv effektív dózis egy évben,

2. különleges körülmények esetén nagyobb effektív dózis is megengedett egy évre, de csak úgy, ha öt év alatt az effektív dózis nem lépi túl az 5 mSv –et,

3. 15 mSv egyenérték dózis egy évben a szemlencsére, valamint

4. 50 mSv egyenérték dózis egy évben a bőrre.

A fenti lakossági korlátok kifejezetten a mesterséges eredetű tevékenységből eredő lakossági terhelésekre vonatkoznak, nem tartalmazzák a természetes eredetű és az orvosi eredetű diagnosztikai vagy terápiás dózisokat!

2.5.4. Védekezés a sugárterhelés ellen

Védekezés a külső sugárterhelés ellen

A szervezeten kívül elhelyezkedő sugárforrás hatását külső sugárterhelésnek nevezzük. Az ellene való védekezésnek három alapmódozata van: idővédelem, távolságvédelem és a sugárzást gyengítő anyagok használata.

Távolságvédelem: Egy pontszerű gammaforrástól (vákuumban) időegység alatt kapott dózis a forrástól mért távolság négyzetével fordított arányban csökken. Ezért a védekezés első módja a távolságtartás. Ezért tilos puszta kézzel megfogni bármilyen kis aktivitású sugárforrást, csak csipesszel, (manipulátorral) szabad dolgozni.

Idővédelem: Hosszú felezési idejű radioizotópoktól kapott dózis egyenesen arányos a besugárzási idővel. Ezért a sugárveszélyes helyen töltött idő csökkentésével az elnyelt dózis csökkenthető. Ennek érdekében a munkát gondosan elő kell készíteni, hogy a szükséges anyagok, eszközök a megfelelő időben azonnal kéznél legyenek. Ha bonyolultabb manipulációt igénylő sugárveszélyes tevékenységet kell végezni, azt sugárvédett helyen előre be kell gyakorolni.

Sugárzást gyengítő (árnyékoló) anyagok használata: A dózisteljesítmény a forrástól mért távolsággal négyzetesen csökken. Vákuumban ez az állítás minden, stabil részecskékből álló sugárzásra igaz. Ha a forrás és a személy közé valamilyen anyagot helyezünk, ez a törvény módosul, mert a sugárzás egy része a közbehelyezett anyagban elnyelődik. Ilyen közbe helyezett anyag lehet a levegő is.

Elektromosan töltött részecskék árnyékolása: Természetesen az árnyékoló hatás függ az anyag és a sugárzás kölcsönhatásának jellegétől. Az alfa-sugárzást – amelynek nagy a fajlagos ionizáló képessége – már vékony anyagrétegek is teljesen elnyelik (néhány cm-es levegőréteg, vastagabb papírlap, ruhaszövet, stb.). A béta sugarak fajlagos ionizációja kisebb mint az alfa-részecskéké, ezért az ellenük való védekezéshez is vastagabb anyagrétegre van szükség. Energiától és anyagtól függően szilárd anyagokban 0,1 mm-től 20-30 mm-ig terjed hatótávolságuk, a levegőben pedig akár néhányszor 10 cm-re is eljuthatnak.

Általában az elektromosan töltött részecskék gyengítése annál nagyobb, minél sűrűbb az abszorbens, és minél nagyobb az abszorbensben lévő részecskék átlagos ionizációs energiája. Ennek alapján a szilárd anyagok jobban árnyékolnak, mint a gázneműek, és a nagyobb rendszámúak jobban, mint a kisebb rendszámúak.

Elektromágneses sugárzások árnyékolása: A röntgen- és a gamma-sugárzás az anyagban lévő elektronokkal lép kapcsolatba, ezért a gamma-sugárzást is a nagy rendszámú, nagy sűrűségű anyagok (ólom, nehézbeton, stb.) gyengítik legjobban. A sugárzás intenzitásának csökkenését a következő összefüggés írja le:

,

ahol R_1/2 a felezési rétegvastagság.

Neutronok árnyékolása: a neutronok az anyagban lévő atommagokkal lépnek kölcsönhatásba. Ezért olyan anyagok a jó neutronárnyékolók, amelyeknél a magreakciók nagy valószínűséggel bekövetkeznek. A neutron-abszorpció nagyon függ a neutronok energiájától, a legnagyobb valószínűséggel a lassú (termikus) neutronok nye1ődnek el (n,g) reakció során bizonyos anyagokban (pl. kadmium). A gyors neutronok árnyékolása két lépcsőben történik. Először célszerű a neutronokat lelassítani, majd nagy abszorpciós hatáskeresztmetszetű anyagokkal elnyeletni. A neutronok lassítására a legalkalmasabbak a nagy hidrogéntartalmú anyagok (pl. víz, paraffin). A neutronok elnyeletésére bórozott, nagy víztartalmú, speciális betonárnyékolást, vagy – kisebb intenzitások esetén – bórozott paraffin-téglákból épített falakat alkalmaznak. A neutronok elnyelődése általában gamma kibocsátással jár, és ezért a neutronárnyékoló falakat még a másodlagos gamma-sugárzást gyengítő ólom- vagy vasréteggel szokták körülvenni.

Védekezés belső sugárterhelés ellen

Zárt radioaktív készítményekkel végzett munka során (a tanári gyakorlatban csak ilyenekkel szabad dolgozni) csak a külső sugárterhelés veszélyével kell számolni (bár mindig gondolni kell arra, hogy a preparátum burkolata megsérülhet).

Nyitott radioaktív készítménnyel végzett munka során a radioaktív anyag párolgás, porlódás, elcsöppenés útján a környezetbe kerülhet, így létrejön az inkorporáció lehetősége.

Inkorporációnak nevezzük, amikor a sugárzó anyag belégzés, lenyelés, vagy bőrön át történő felszívódás útján a szervezetbe kerül, részt vesz a szervezet anyagcseréjében, és több- kevesebb ideig a szervezetben tartózkodik. A belső sugárterhelés elleni védekezés két legfontosabb módja a megelőzés és a dekorporáció.

A megelőzést szolgálják a sugárvédelemnek azok a szabályai, amelyek szerint sugárveszélyes helyre tilos ételt, italt bevinni, és tilos ott enni, inni, dohányozni, ott kozmetikumokat használni. Még zárt izotópokkal végzett munka után is kezet kell mosni, és a személyi higiéné szabályait fokozottan be kell tartani. A munkahely padlóját, asztalait, munkafelületeit, levegőjét rendszeresen ellenőrizni kell. Minden észlelt szennyeződést azonnal jelenteni kell a jogszabályban meghatározott illetékes sugárvédelmi felügyeletnek, akinek a szakemberei a szennyeződés okát megállapítják, és a szennyezés eltávolítását, az ún. dekontaminálást elvégzik.

A dekorporáció lényege, hogy a szóban forgó elem stabil izotópját bejuttatva a szervezetbe az aktív izotóp felhígul, kevésbé dúsul fel és hamarabb kiürül.

3. Film-dozimetriai gyakorlat

3.1. A film-doziméter

A gyakorlati sugárvédelem egyik alapvető feladata a sugárveszélyes munkakörben dolgozók által kapott dózisok rendszeres ellenőrzése. A sugárvédelmi gyakorlatban számos különböző típusú személyi dozimétert fejlesztettek ki. Ezek közül a legelterjedtebb, tömegesen felhasznált személyi dózismérő a film-doziméter (2. ábra). Az európai országokban használt személyi doziméterek körülbelül fele ilyen, a másik elterjedt eljárás a termolumineszcens dozimetria. A jelen gyakorlaton két hitelesítő filmdoziméter-sorozat kiértékelése után négy ismeretlen film esetében kell a filmet ért sugárzás dózisát és energiáját meghatározni.

4. ábra: A film-doziméter kazetta a benne lévő filmmel.

A film-dozimetria működési elve az, hogy az ionizáló sugárzások feketedést hoznak létre az erre érzékeny filmen. A sugárvédelemben használt érzékeny anyag – a fényképészeti filmeknél alkalmazottakhoz hasonlóan – zselatinba ágyazott ezüst-haloid kristályokból áll. Az érzékeny dozimetriai emulziókat nagy ezüsttartalmúra készítik. A film mindkét oldalát ellátják emulzióval, de a szemcsék átlagos mérete más a két oldalon, így az egyik réteg a kicsi, a másik a nagy dózisok mérésére szolgál. A kép kialakulása, az előhívás és a rögzítés a fényképészeti filmeknél megismerthez hasonló módon megy végbe. Az előhívott film feketedéséből következtethetünk a filmet (és így a viselőjét) ért dózisra. Baleseti szituációban az érzékenyebb oldalon hívás után az emulziót el lehet távolítani, így olyan esetben is meg lehet mérni a dózist, amikor a két oldal együttes használatával telítésbe megy a dózis-feketedés görbe.

A film-doziméter egyszerű, olcsó, kis méretű és mechanikai hatásoknak jól ellenáll. Viselési idejük általában egy-két hónap. A dozimétert úgy szokták kialakítani, hogy a mért feketedésekből a gamma ill. béta sugárzások lágy és kemény komponenseinek (valamint, ha erre az ellenőrzött munkahelyen szükség van, akkor a neutronok dózisára is) következtetni lehessen.

A film-dozimetria gyakorlatában nehézséget jelent, hogy a különböző gyártási sorozatú és eltérő használtsági fokú előhívóban kezelt filmek feketedése teljesen azonos besugárzás esetén sem egyforma. A problémát úgy oldják meg, hogy az ellenőrzés minden alkalmával azonos gyártási sorozatú, ismert körülmények között besugárzott filmekből hitelesítő sorozatokat készítenek, melyeket a kiértékelni kívánt filmekkel együtt hívnak elő. A filmek alapfeketedésének ismeretéről egy besugározatlan filmkocka (fátyol-, vagy nulltag) egyidejű előhívásával gondoskodnak. Az ismeretlen filmek adatainak meghatározása hitelesítő filmekkel való összehasonlítással történik.

A filmek feketedése azonos dózisok mellett energiafüggést mutat az ezüst energiafüggő abszorpciós együtthatója miatt.

3.2. A szűrőanalízis a film-dozimetriában

A legelterjedtebb mód a dózis mérésére a szűrőanalízis. Ennek lényege az, hogy a filmet használatkor különböző abszorbens rétegekkel fedik le. A film-doziméternél a szűrők használata kettős szerepet tölt be. Egyrészt biztosítja a dózis meghatározását széles energiatartományban, másrészt felhasználható a filmet ért sugárzás fajta- és energia-összetételének meghatározására is. Általában 3-5 szűrőt szoktak alkalmazni.

A film kazettája műanyagból (polipropilén) készült. A 3. ábrán bemutatott változatban egy ablakot és négy szűrőt alkalmaznak. A beeső gammasugárzás az ablak mögött gyakorlatilag energiaveszteség nélkül kölcsönhatásba léphet az emulzióval, de az intenzitása csökken.

Az egyes szűrőknek a következő szerepük van:

1. A vékony (50 mg/cm²) plasztik-szűrő közelítőleg ugyanarra a foton-energia tartományra nézve átlátszó, mint az ablak, de gyengíti a béta-sugárzást.

2. A vastag (300 mg/cm²) plasztik-réteg elnyeli a lágy fotonokat és a legnagyobb energiájú béta részek kivételével az elektronokat. Így az E_g=15 keV és E_β,=2 MeV energiájú sugárzásokra nézve már feketedés-különbség alakul ki a vékony plasztik-ablak tartományához képest.

3. A dural (nagyszilárdságú Al, Mg és Si ötvözet) szűrő erőteljesen elnyeli a 60 keV-nél kisebb energiájú fotonokat, és gyakorlatilag elnyeli a teljes béta-sugárzást. Az 1,02 mm szűrővastagságot úgy választották meg, hogy kis gamma-energiák felé a vastagabb plasztik, nagyobbak felé pedig az

4. ón+ólom szűrő alatti feketedésekkel összevetve lehessen következtetéseket levonni. (E_γ>45 keV esetén a vastag plasztik és a dural alatti, E_γ>1000 keV energiákra pedig a dural és az ón+ólom szűrők alatti feketedések hányadosa válik gyakorlatilag energia-függetlenné.)

A két plasztik szűrő szolgál a béta-sugárzás, a vastag plasztik és a két fém szűrő pedig a gamma-sugárzás mérésére. A gyakorlaton gamma-sugárzás dózisát határozzuk meg.

5. ábra: A szűrők elhelyezése és a kazetta felépítési vázlata

A fenti szűrökön kívül – elsősorban atomerőművek személyzetének ellenőrzésére, hazánkban Pakson – alkalmaznak még egy 0,3 mm vastag ólom és 0,7 mm kadmium lemezekből összetett szűrőt is a termikus neutronok dozimetrálására. Itt azt használják ki, hogy a kadmium befogási (n,g) hatáskeresztmetszete termikus neutronokra nagyon nagy. Az ólom az itt keletkező g-sugárzás intenzitásának csökkentésére szolgál, ami megfeketíti a filmet. A kazettákban indiumból készült fóliacsíkot is elhelyezhetnek, mely nagy termikus neutrondózis hatására mérhetően felaktiválódik. Az indiumfólia sugárzásának mérésével egy esetleges atomerőmű-katasztrófa rendkívüli körülményei között is van lehetőség a dózisok megbecslésére.

Mérési feladataink során ismert energiával és dózissal besugárzott filmeken végrehajtott feketedés-mérések eredményeiből összeállíthatjuk a kalibrációs görbéket. Az ismeretlen paraméterű besugárzáskor megfeketedett film kiértékelését ennek alapján végezzük el.

3.3. Általános és Személyre szabott Mérési feladatok

3.3.1. A filmek feketedésének meghatározása

A kiértékelés alapja a besugárzott filmek feketedésének meghatározása, ez általános esetben a bejövő és kimenő fényintenzitás hányadosának a logaritmusa. Jelen esetben egy fátyol (azaz be nem sugárzott) filmen áthaladó fény intenzitásához, I₀-hoz viszonyítjuk a vizsgált filmen áthaladó fény intenzitását, I-t. Így a film egy adott szűrő alatti feketedése:

.

3.3.2. A film-sorozatokkal kapcsolatos feladatok

A kobalt sorozat dózis-feketedés adatainak kimérése három szűrő alatt (tíz film)

Ez a sorozat ⁶⁰Co forrással különböző, ismert dózissal besugárzott filmekből áll. A izotóp két egymáshoz közeli foton-energiáját (1173 és 1333 keV) átlagolva egyetlen, 1250 keV effektív energiával vesszük számításba.

Energia-sorozat kimérése (hat film)

Itt különböző, ismert foton-energiával és dózissal besugárzott filmek szerepelnek, melyek feketedését mindhárom szűrő alatt meg kell mérni. Egy 1250 keV energiával besugárzott film is tagja a sorozatnak.

Ismeretlen filmek (négy film)

Ezeknek a filmeknek a dózisát és a besugárzási energiáját kell meghatározni.

3.3.3. Kiértékelés

A kobalt sorozatnál a dózis-feketedés adatok felvétele után mindhárom szűrőre ábrázolni kell az S(D) függvényt:

S_plasztik (D), S_dural (D), S_Sn+Pb (D) (1)

A mérési pontokra egyenest kell illeszteni – mindenkinek más-más pontokra a 3.3.3.5.-ben leírtak alapján.

3.3.3.1. A D^* és a relatív érzékenység

A különböző energiával besugárzott filmek feketedése a különböző szűrők alatt más és más. Az adott szűrőhöz tartozó bármely feketedéshez tudunk egy kobalt dózist számítani az (1) adatokra illesztett egyenes inverzéből, ezt nevezzük D*-nak. Tehát D^* az a ⁶⁰Co dózis, ami a film adott szűrője alatt ugyanakkora feketedést hozna létre, mint az eredeti besugárzás. A D*-ot minden film minden szűrőjéhez meg lehet határozni, nemcsak az energia-sorozat filmjeire, hanem az ismeretlen filmekre, sőt magára a kobalt sorozat filmjeire is.

Az energiasorozat kis energiával besugárzott filmjeit nézve feltűnő, hogy a különböző szűrők alatt mennyire más a feketedés mértéke. Az Sn+Pb szűrő alatti részt nézve olyan, mintha a film jóval kisebb dózist kapott volna a valóságosnál. Ez kevésbé áll fönn a dural szűrőnél, még kevésbé a vastag plasztiknál. Ugyanazon film esetén tehát három látszólagos dózisról beszélhetünk – ezek a D^*-ok – és persze a tényleges dózisról, a D-ről.

A D^* értéke tehát dózis-, energia- és szűrőfüggő. A valóságos dózissal vett aránya a relatív érzékenység:

, , . (2), (3), (4)

Ábrázolva ezeket az energia függvényében emelkedő-ereszkedő, jobb oldalon elnyújtott görbét kapunk. (Az emelkedő részen van ugyanis az ezüst K vonalának abszorpciós éle 25,52 keV-nél, e fölött az energia fölött a hatáskeresztmetszet monoton csökken.)

A besugárzási energiáról a kontrasztkülönbség (a különböző szűrőpárokra vonatkozó D*-arányok) energiafüggése ad információt, ezért ábrázolni kell a

és a függvényeket. (5), (6)

Látható, hogy durva közelítésben a kontrasztkülönbségeket egyszerűen a feketedés-arányok is jellemzik, de ezek az értékek bizonytalanabbak, mint az egyenes illesztésével számolt D^*-ok arányai.

Ezek hiperbolára emlékeztető görbék. Az energiatengelyt célszerű mindkét esetben logaritmikusra választani az ábrázolásnál, hogy a függvényeket az egész energia-tartományban át tudjuk tekinteni. Számoláshoz, interpolációhoz viszont lineáris energiaskálát kell használni! Az (5) függvényt csak a szigorúan monoton csökkenő szakaszában használhatjuk energia-meghatározásra. Kis energiák esetén előfordulhat a (6) függvény esetében, hogy negatív S vagy D* értéket kapunk, mert a fátyol filmeket nem takarta a szűrőket tartalmazó tok. Ezekben a pontokban tekintsük úgy, hogy nincs mérési adatunk. Ennek a függvénynek a kis energiájú pontja a feketedés nagyon alacsony értéke miatt egyébként is bizonytalan.

3.3.3.2. Az ismeretlen filmek adatainak meghatározása

Az ismeretlen filmek három szűrőjére vonatkozó D^* értékekkel képezve a fent említett

és

hányadosokat, az (5) és a(6) grafikonról a besugárzás energiája megbecsülhető. Előfordulhat, hogy az ismeretlen film D* hányadosa (hibahatáron belül) megegyezik a hitelesítő sorozat valamelyik energiájához tartozó hányadossal. Ekkor a két filmet a különböző szűrőkhöz tartozó D* értékek alapján összehasonlítva az ismeretlen filmet ért dózis közvetlenül kiszámítható, mert akkor a két film relatív érzékenysége is azonos. Különben az energia meghatározásánál a két szomszédos mérési pont közé történő lineáris interpolációval, vagy kis eltérések (15-20%) esetén extrapolációval az ismeretlen energia kiszámítható.

Ha valaki az egyes adatsorokra mégis görbét illeszt, ellenőrizze, hogy az egyes pontokat a görbe milyen pontossággal adja vissza!

Az energia ismeretében a (2), (3), (4)-ből szintén lineáris interpolácóval a relatív érzékenységek (N_rel) kiszámíthatók. Ezekből és a D^*-ból a besugárzási dózis mind a három szűrőre vonatkozóan meghatározható. Ezek átlaga az ismeretlen dózis.

3.3.3.3. Formai követelmények a mérési jegyzőkönyvvel kapcsolatban

Mivel a kiértékelés összehasonlításon alapszik, szükséges a mért illetve származtatott adatokat - S, D*, D*/D* (D_Pl/D_Du és D_Du/D_Sn), N_rel - egyetlen nagy táblázatban összefoglalni, ahol a hitelesítő filmek száma, energiája és dózisa is látható. Ezzel együtt kell feltüntetni a négy ismertetlen film sorszámát, a mért és származtatott S, D* ill. D*/D* (Pl/Du és Du/Sn) adatsorokat, a kiszámolt energiákat (két energia esetén ezek átlagát is), az ezek alapján számított N_rel értékeket és a dózisokat - a dózisok átlagával együtt. A számítások ellenőrzését megkönnyíti, ha az S(D) egyenesek paramétereit a táblázat mellett is feltüntetjük.

Az adatokat ne tüntessük fel se túlságosan kevés, se értelmetlenül sok tizedesjegy pontossággal! Az eredeti táblázatból a feleslegessé vált szövegeket ki kell törölni, az oszlopok szélessége csak akkora legyen, amennyit a számjegyek megkövetelnek. A táblázat akkor jó, ha egyetlen oldalon minden adat megtalálható!

3.3.3.4. A mérési eredmények ellenőrzésének lehetőségei

A Co sorozathoz tartozó filmek D* értékei megmutatják, hogy az egyenesillesztés milyen jól adja vissza az eredeti dózisértékeket.

A D*-arányok segítségével azonnal látható, hogy az ismeretlen energiák milyen ismert energiákhoz vannak közel, illetve milyen két energiaérték közé esnek. Figyelni kell arra, hogy a Pl/Du arányt megbízhatóan csak kb. 45 keV-ig tudjuk használni[2], míg a Du/SnPb arány csak 38 keV fölött megbízható, a kis feketedések nagy hibája miatt. Ha mind a két hányadosból lehet energiát meghatározni, akkor ezek átlagát kell használni.

Ha minden szűrőre van adatunk, akkor az energiák ismeretében három N_rel értéket tudunk meghatározni, és a besugárzási dózisokra is három értéket kapunk. Ha ezek között nagy a különbség, hibás számolásra is gyanakodhatunk. Ilyenkor célszerű ellenőrizni, hogy a táblázat cellái nem csúsztak-e el! Előfordulhat még az SnPb szűrő esetén, hogy a lényegesen kisebb feketedés miatt az N_rel hibája a többihez képest észrevehetően nagyobb, ilyenkor ezt az értéket ki lehet hagyni az átlagolásból, vagy csak megfelelően kis súllyal venni figyelembe.

3.3.3.4. Hibabecslés

Mivel a fátyol-film feketedését a mérés során többször is lemérjük, a kapott értékek eltéréséből megbecsülhető a feketedés mérési hibája. Tegyük fel, hogy a feketedés a többi filmre is hasonló pontossággal állapítható meg! A kobalt sorozatnál megadott dózisokat nagyon pontosnak tekinthetjük. Becsüljük meg a D* értékek hibáját! Próbáljuk ennek alapján nagyjából megbecsülni, hogy az ismeretlen filmek besugárzási energiáját és dózisát milyen pontosan mérhettük meg!

3.3.3.5. Személyre szabott feladatok

Első feladat:

Amikor a dózis-feketedés görbékre egyenest illesztünk, a mérőcsoport első tagja az első öt pontra illeszt és ennek alapján az 1. és 3. filmeket értékeli. Hasonlóan, a csoport második tagja az első hat pontra illeszt és a 2. és 4. számú filmeket értékeli, a harmadik tagja az első hét pontra illeszt és 2. és 3. filmet értékeli. A sorrendet a mérésvezető dönti el. Mindenkinek a mérési jegyzőkönyve első lapjára fel kell írnia, hogy melyik feadatot kapta!

Második feladat:

Az ismeretlen filmeket ért dózisok kiszámítása után állapítsuk meg, hogy az egyes filmeket viselő személyek a sugárveszélyes munkahelyen dolgozók éves (öt évre átlagolt) dóziskorlátjának hányszorosát kapták meg, ha feltesszük, hogy két hónapig viselték a filmeket, és az év során 11 hónapot dolgoztak, valamint hogy az őket ért besugárzás időben egyenletes volt!

Minden laborgyakorlatnál más fényerősségűre állítjuk be az átvilágításhoz használt fényforrást.

4. A levegő radon-aktivitásának mérése

A radont a gyakorlaton levegőben lévő aeroszolokra kirakódott bomlástermékein keresztül mérjük. Az aeroszolokat vákuumszivattyúval szűrőpapíron levegőt szívunk át az α-mérőfej számára. A Rn leányelemeinek alfa-bomlását úgy vizsgáljuk, hogy egy CsI(Tl) kristályban keletkező felvillanások számát (beütésszám vagy impulzusszám) mérjük az idő függvényében. Valamilyen időegység alatt észlelt beütésszám az intenzitás. Ahhoz, hogy az intenzitásból aktivitást (aminek mértékegysége a bomlás/sec) tudjunk meghatározni, a detektor hatásfokán, geometriáján kívül jelen esetben még a leányelemek bomlási adataira, bizonyos egyensúlyi feltételek teljesülésére, és a hosszú bomlási sor részletes analízisére is szükség van.

4.1. Hogyan jut a radon levegőbe?

A sugárzó izotópok nagyrészt a levegő portartalmára, az aeroszolokra adszorbeálódva szennyezik a levegőt. A légkörben a leggyakoribb sugárzó atommagok: ³H, ¹⁴C, ⁸⁵Kr, ¹³¹I, radon és toron, valamint bomlástermékeik.

A radon nemesgáz, a rádium leányeleme. A radioaktív bomlási sorok közül a ²³⁸U és ²³²Th sorozathoz tartozik a természetben megtalálható két hosszabb élettartamú Rn izotóp; a 3,82 nap felezési idejű ²²²Rn és az 55,6 sec felezési idejű ²²⁰Rn.

Az urán, rádium, ill. tórium átlagos előfordulása a földkéregben néhány ppm. Ezek az értékek nagy szórást mutatnak. Gránitban, palában a legmagasabbak az értékek, míg mészkőben, homokkőben az átlagnál 2-3-szor is alacsonyabbak lehetnek. A radon atommagja keletkezésének pillanatában kb. 100 keV visszalökési energiát kap, ami elegendő ahhoz, hogy a kőzet-mátrix kristályszemcséiből kijusson, majd a pórusokon átdiffundálva végül is szabaddá váljon. Az út, amit a Rn meg tud tenni, elsősorban a mátrix porozitásától, a geológiai jellemzőktől és meteorológiai tényezőktől függ. Így szerepe van pl. a talajvíznek, a nedvességtartalomnak, a hőmérsékletnek, a nyomáskülönbségeknek. A talaj minősége is erősen befolyásolja a Rn mozgását; például homokos talajban majdnem zavartalan, nedves agyagos talajban erősen gátolt a mozgása. A diffúzióval megtett úthossz szilárd testekben a ²²²Rn-re néhány cm-től néhány méterig, ²²⁰Rn esetében csak néhányszor 10 cm-ig terjedhet. Minden talaj, minden építőanyag, és általában a talajvíz is tartalmaz radont.

A levegőbe jutó Rn-t exhalációnak nevezik, amit Bq/m³/órá-ban adnak meg. A külső levegőben a radon koncentrációja hőmérséklettől, évszaktól és egyéb meteorológiai tényezőktől függően 2-20 Bq/m³.

A házakba a radon a talajból, vízrendszerből és az építőanyagokból kerül be. Egy adott, lakóhelyiség Rn koncentrációját a talaj és az építőanyagok Rn exhalációja mellett a légcsere értéke határozza meg. Régebbi házaknál az óránkénti egyszeres légcsere volt normálisnak tekinthető, napjaink energiatakarékos építkezése mellett ez az érték óránként csak 0,3 légcserét biztosít. Azonos exhaláció értéket feltételezve ez a körülmény a lakószobák radon-koncentrációjának emelkedéséhez vezet.

4.2. A radon hatása

Lakóhelyiségekben az európai átlag 40-50 Bq/m³, amivel a magyar átlag is megegyezik. Az értékek nagy szórást mutatnak, voltak olyan lakószobák, ahol az átlagos koncentráció többszörösét, akár egy nagyságrenddel magasabb értéket is mértek. Európában pl. az Alpok körzetében és Svédországban észleltek hasonlóan magas értékeket.

Az utóbbi években egyre többet hallhatunk a radon-problémáról. Felmerül a kérdés, hogy mi tette időszerűvé a radonnak az emberi környezetben megfigyelt jelenlétével való behatóbb foglalkozást, miért olvasható egyre több cikk ezzel kapcsolatban, miért vált olyan fontossá lakószobák radon-koncentrációjának ellenőrzése? Hiszen, érvelhetünk, az emberiség évezredek óta él együtt a természetes radioaktív anyagokkal. A felelet a radon sugárbiológiai hatásának újszerű megítélésében van. Erre az uránbányákban dolgozók esetében megfigyelt magasabb tüdőrák-előfordulás hívta fel a figyelmet. A Rn sugárbiológiai hatását régebben azért becsülték alá, mert nem vették tekintetbe, hogy rövid felezési idejű kémiailag aktív leányelemei nem az egész testre fejtik ki a hatásukat, hanem specifikusan a tüdőben adják le teljes energiájukat.

4.3. A radon radioaktív bomlása

6. ábra: A radon bomlási sémája.

A 6. ábrán feltüntettük a bomlási sor egyes tagjainak a radiológiában korábban általánosan használt jeleit is (RaA, RaB stb).

A radon szerepének megértéséhez meg kell vizsgálnunk a Rn bomlását és leányelemeinek viselkedését. A sugárhatás 90 százalékáért felelős ²²²Rn (T_1/2=3,82 nap, E_α=5,49 MeV) leányelemei rendre (2. ábra): ²¹⁸Po (T_1/2=3,11 perc, E_α=6 MeV), ²¹⁴Pb (T_I/2=26,8 perc, E_βmax=0,67 MeV), ²¹⁴Bi (T_l/2=19,9 perc, E_βmax=3,3MeV), ²¹⁴Po (T_1/2= 16·10^-5 s, E_α=7,6 MeV). A radon bomlási termékeit tovább nem szükséges figyelembe venni, mert a ²¹⁰Pb felezési ideje 22,3 év, így ebben a közelítésben stabilnak tekinthető.

A beszívott radongázt nagy részben ki is lélegzi az ember, egy kisebb rész vízben történő oldódása révén a véráramba kerül és eljut a különböző szervekhez. A radon leányelemei viszont nagy kémiai affinitással rendelkező nehéz fémek és így nagy valószínűséggel kötődnek a levegő nem ülepedő szilárd mikrorészecskéihez, az aeroszolokhoz. Ezeket belélegezve a tüdőben megtapadnak a hörgők hámsejtjein, ahol 6-8 MeV-es alfa sugárzásuk révén helyileg nagy sejtroncsolást okozhatnak. Feltételezhető, hogy elsődlegesen ezek a jelenségek vezethetnek tumor kialakulásához.

A mi körülményeink között az emberek idejük 80%-át töltik zárt helyiségekben. Ez évi közel 7000 órát jelent, ami alatt egy átlagember kb. 7000 m³ levegőt és vele együtt 2,5.·10⁵ Bq radont lélegzik be. Ennél nagyobb terhelést okoz az aeroszolokon megülő és a tüdőt lassan elhagyó leányelemek sugárzása (3-4·10⁵ Bq évenként), ami átlagosan kb. 1 mSv egyenérték dózisnak felel meg. Az adat csak tájékoztató jellegű, az eltérések nagyok. Svájcban pl. ennek a duplájával lehet számolni. Az előbbi értékből látszik, hogy a természetes sugárterhelés nagy részét a radon adja, és ez célzottan a hörgők hámsejtjeit roncsolja. A magas radon-tartalom és a tüdőrák-gyakoriság korrelációjával kapcsolatban még nem rendelkezünk kellő információval. Az azonban bizonyos, hogy a rák kifejlődés valószínűségének felerősödése több, egy időben fellépő rizikófaktor hatására következik be. Ilyen pl. a dohányzás (akár aktív, akár passzív formában), ami a Rn rizikófaktorral összeszorzódik. A radon leányelemeinek transzportja a tüdőbe ugyanis a dohányzástól származó parányi kátránycseppecskék jelenlétében lényegesen megnövekszik. Német felmérések szerint az összes tüdőrákban történt elhalálozásnak (740 haláleset évente egy millió lakosra vonatkoztatva) mintegy 3-12 %-a írható a lakások magas Rn koncentrációjának számlájára.

Egészségügyi szempontból különböző országokban máshol állapítják meg azt a radon-koncentráció határt, ami felett már beavatkozás szükséges. Ez a határ az USA-ban pl. 150 Bq/m³-nél, Németországban 250 Bq/m³-nél van. Az intézkedések jelenthetik a pincék jobb szigetelését, azoknak elkülönített szellőztetését, a lakóhelyiségek légcseréjének növelését, olyan berendezések alkalmazását, ami valamelyes túlnyomással gyengíti a radon exhalációját.

A lakóhelységek és általában a környezet radon-koncentrációinak meghatározására több módszert is kidolgoztak. A mérési eljárások közül a legelterjedtebb a Rn levegő mintából történő mérése. Ennek egyik változatában aktív szénen kötik meg a radont néhány napos gyűjtéssel. Utána alfa, vagy gamma-sugárzás mérésével határozzák meg a Rn aktivitását.

A másik változatban egy, csak gázt áteresztő kis tartályba szilárdtest nyomdetektort helyeznek el. A filmeket néhány hónapi exponálás után megmaratva az alfanyomok összeszámlálásával a Rn koncentráció meghatározható. A fenti eljárások megfelelő hitelesítés esetén a szobák radon tartalmára megbízható adatokat szolgáltatnak.

4.4. A radon-koncentráció mérése

A radon jelenlétét kimutatni gyorsan, egyszerű eszközökkel is lehet. Például megfelelő szűrőn (néhány réteg géz, vagy gézanyag) porszívó segítségével egy szoba levegőjéből adott mennyiségű levegőt átszívva, a gézen az aeroszolok fennakadnak. A hozzájuk tapadt Rn leányelemek béta-aktivitását egy GM-cső segítségével meg lehet mérni. Amíg GM-cső hatásfokát hitelesítéssel meg lehet határozni, a szűrés hatásfokát sokkal nehezebb, ráadásul a porszívó teljesítménye nem tekinthető időben állandónak. Ezért a radon koncentráció értékére csak durva becslés adható meg, 2-3-as faktor bizonytalansággal. Másrészről ahhoz, hogy a leányelemek aktivitás-méréséből a radon-koncentrációt ki lehessen számolni, ismernünk kellene, 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.

A laboratóriumi gyakorlaton – elterjedt mérési eljárásnak megfelelően – levegő radon-tartalmára a rövid felezési idejű aeroszolokra tapadt bomlástermékek aktivitásából fogunk következtetni.

A mérés során a levegőt egy membránszűrőn szívatjuk keresztül, és ezúton felfogjuk a szennyezőket. A mintavétel után a membrán RaA és RaC alfa aktivitását határozzuk meg. A bomlási sor tagjainak aktivitása egyensúlyi kezdőfeltételből kiindulva kiszámolható. A számítások elvégzése nem része a laboratóriumi gyakorlatnak, és nem kell leírni a jegyzőkönyvben sem, de tanulságos és ajánlott gyakorlófeladat. Az alfa-intenzitás időfüggése a mintavétel befejezése után röviddel közelítőleg exponenciális lecsengésű lesz, 40 perc körüli effektív felezési idővel. Egyik leányelem felezési ideje sem hosszabb fél óránál, ezért a kb. két és fél órás mintavétel végére az aktivitás a szűrőn telítésbe kerül (nem növekszik tovább). A mintavétel befejezésétől számítva az időt, szcintillációs alfa mérőfejjel mérjük az alfa sugárzás intenzitásának időbeni változását, 5 perces mérésekkel. A mérést 40-50 percig folytatjuk. A szűrő mérése előtt és után is célszerű a háttér-sugárzás mérése.

Az eredményeket fél-logaritmikusan ábrázolva egyszerűen meghatározhatjuk a mintavétel befejezésére extrapolált intenzitást.

Részletes számolás alapján a levegőben lévő radon aktivitására a következő képletből nyerhetünk becslést:

A_Rn =0,0132(I_M -I_H )/(μ·ε·Q) [Bq/m³] = 3,56×10^-7(I_M -I_H )/(μ·ε·Q) [Ci/m³],

ahol I_M a mintavétel befejezésére extrapolált intenzitás beütés/perc egységben, I_H a háttér értéke (beütés/perc), a Q szívássebességet (m³/óra) méréssel kell meghatározni, μ=0,98 a membránszűrő szűrési hatásfoka és ε=0,27 az alfarészecskék detektálási hatásfoka. Ezen kívül, ha a mérőfej kisebb mint a szűrő szennyezett része, akkor korrigálni kell a mérőfej és a szűrő területének arányával is.

Mérési feladat

Határozzuk meg a levegő radontartalmát az előbbiekben ismertetett módszerrel, és eredményünket vessük össze a levegő radontartalmára megengedett értékkel! Sugárveszélyes munkahelyen dolgozók számára a megengedhető maximális aktivitás levegőben 1110 Bq/m³. Ez a szennyezés kb. 30 mSv évi tüdőterhelésnek felel meg. Az egész népességre ennek az értéknek a 30-ad része engedhető meg.

A mintavételhez egy névlegesen 5 m³/óra teljesítményű szivattyút használunk, a szívássebességet a mintavétel elején és végén ellenőrizni kell. A szűrőmembránt a szennyezés kis behatolási mélysége alkalmassá teszi az alfarészecskék aktivitásának meghatározására. Detektorként szcintillációs cézium-jodid alfa-fejet használunk. A detektor jeleit integrál diszkriminátorba vezetjük. Ennek szintjét állítsuk a zaj szint fölé. A detektorra 1200-1300 V-ot adjunk (vigyázat: a potenciométerről leolvasott feszültséghez 400V-ot mindig hozzá kell adni, tehát annak a 800 V-os állásában lesz 1200 V a feszültség).

A gyakorlatot az aeroszol mintavétel megindításával célszerű kezdeni. A mintavétel időtartama alatt a film-dozimetriai mérés elvégezhető. Ügyeljünk az aeroszol mérés időadatainak pontos feljegyzésére!

5. Személyi dozimetria a PILLE termolumineszcens doziméterrel

5.1. A termolumineszcens doziméter működési elve

Az ionizáló sugárzást dokumentálhatóan mérő eszközök a film- és a szilárdest-doziméterek. Az utóbbiak csoportjából kiemelkednek a termolumineszcens kristályok, kis méretükkel, energia-függetlenségükkel és nagy érzékenységükkel.

A termolumineszcens detektorok működésének alapja, hogy az ionizáló sugárzás (általában gamma-sugárzás) hatására a kristályok egyes elektronjai gerjesztett állapotba kerülnek, majd a kristály szennyezőatomjainak helyén befogódnak, és onnan csak felmelegítés hatására lépnek ki és térnek vissza az alapállapotba. Az alapállapotba való visszatéréskor látható, vagy ahhoz közeli hullámhosszú fényt emittálnak. A kibocsátott fotonok száma - ami fotoelektron-sokszorozóval mérhető - arányos a doziméterben (a kristályokban) eredetileg elnyelt sugárdózissal.

7. ábra: a TLD fényhozamának időfüggése (hőmérsékletfüggése) kifűtéskor

A kifűtés hatására a kristály hőmérséklete nagyjából lineárisan változik. Az idő függvényében a fotonok kilépési gyakorisága (a fényhozam) jellegzetes görbét (1) mutat
(7. ábra). Egy gyorsan lecsengő, kis hőmérsékletekhez tartozó csúcs (3) után következik a nagyobb, szélesebb, és dozimetriai célokra használni kívánt fényhozam-csúcs (2). A kifűtés végére a még gerjesztett állapotban levő elektronok elfogynak, a görbe lecseng. További fűtés hatására már a hőmérsékleti sugárzásból (izzás) származó fotonok (4) szólaltatják meg a fotoelektronsokszorozót. Ezen kívül igen nagy dózisok esetén egy nagy hőmérsékletekhez tartozó csúcs is megjelenik, amint az a 7. ábra jobb oldalán látható. Ez utóbbi a labormérés alatt nem lesz lényeges. A mérés feldolgozása abban áll, hogy a középső, dózissal arányos csúcs területét minél pontosabban megállapítsuk. Ehhez a fénygörbét numerikusan integrálni kell az integrálási határokat úgy beállítva, hogy a kis hőmérsékletű csúcs és a hősugárzás járuléka minél kisebb legyen, de a dozimetrikus csúcsból minél nagyobb hányad közéjük essen. Ekkor az integrál értéke arányos a besugárzás dózisával. A kettő közötti arányossági faktort ismert aktivitású forrással elvégzett kalibráció során állapíthatjuk meg. Ezt a faktort a kristály mennyisége (tömege), érzékenysége és a fotoelektron-sokszorozó hatásfoka szabja meg, ezért minden doziméterre eltérő. A faktor, valamint az intergálási határok a Pille dozimétereinek egyéni memóriájába vannak programozva, de lehetőség van azok felülírására. A kifűtéssel a dozimétert tulajdonképpen lenulláztuk, alig maradnak benne gerjesztett állapotú elektronok. Ez a maradék-dózis a Pille doziméterek esetén nagyon csekély, 1 mGy alatti.

5.2. A PILLE doziméter és kiolvasó felépítése

A laboratóriumi gyakorlat során a KFKI Atomenergia Kutatóintézetében űrállomáson való felhasználásra kifejlesztett PILLE dózismérőt fogjuk használni, amely két részből áll:

A./ tetszőleges számú (esetünkben három) TL doziméterből, ami egy levákuumozott üvegcsőbe (búrába) zárt kis fűtőtestre speciális üveggel ráragasztott termolumineszcens CaSO₄:Dy kristályszemcsékből áll; ezeket gerjeszti az ionizáló sugárzás.

B./ egy könnyű, kompakt, hordozható TLD kiolvasó rendszerből, ami órával rendelkezik és programozható. Így magában a készülékben, a mérőállásban hagyott doziméter segítségével lehetővé válik a dózisteljesítmény időprofiljának meghatározása, akár operátori beavatkozás nélkül is[3]. Természetesen a készüléktől távol besugárzott doziméterek kiértékelése is lehetséges.

A TL doziméterek töltőtoll formájú mechanikai elrendezésének keresztmetszetét az alábbi ábra mutatja be. A TL búra egy fényzáró, két koncentrikus hengerből álló kulcsszerű házban úgy van elhelyezve, hogy a mérőpozícióban a legcsekélyebb fény se juthasson bele kívülről. A kiolvasóba behelyezve és kulcsszerűen elfordítva (hasonlóan egy cilinderzárhoz) a belső henger is elfordul. Ebben az állapotban a doziméter fényrekesze nyitva van. A dózismérő kulcsot csak alapállapotban, visszafele elfordítva lehet kihúzni.

8. ábra: a TL doziméter keresztmetszete.

A 8. ábrán mutatjuk be a termolumineszcens doziméter-kulcs felépítését: (a) levákuumozott üvegbúra. (b) TL kristály: CaSO₄:Dy szemcsék rétegezve egy (c) megfelelő fajlagos ellenállású fémlemezre, ami elektromosan fűthető. (d) a tollformájú oxidált alumíniumból készült tartóba szerelt integrált programozható memória chip. Ez tartalmazza az egyéni kalibráló paraméterek azonosítóját. (e) a tartó alapállapotban rozsdamentes acél csővel lezárt nyílása. (f) a rozsdamentes cső, ami a búrát a fénytől és a mechanikai behatásoktól, továbbá az operátort a kiolvasás utáni forró búra érintésétől védi. Ez automatikusan hátracsúszik amikor a dozimétert behelyezik a kiolvasóba. A tartó egyik oldalán a (g) aranyozott kontaktusok gondoskodnak a fűtőáram bevezetéséről és biztosítják a memória chip hozzáférhetőségét. A tartó másik oldalán a (h) recés szélű fejen az a kód látható, ami kiolvasás alatt a memóriában tárolódik. A kiolvasás idején kívül a doziméter egy fém védőtokban helyezkedik el.

A TLD kiolvasó mikroprocesszorral (µP) vezérelt egysége biztosítja a doziméterek abszorbeált dózisának előzetes kiértékelését. A kiolvasó a TL anyagot a búrában előre meghatározott módon fűti, az ennek következtében leadott fénymennyiséget mérve, az abszorbeált dózis mérhető; értéke megjeleníthető és a kivehető memóriakártyán tárolható. A kártyán 8000 mérés adatai (dózis, a kiolvasó és a doziméter azonosító kódja, a dátum és idő, hiba kód, a mérés és kiértékelés paraméterei, és a digitális hevítési görbe) tárolhatók.

A kiolvasó főbb részei: mikroprocesszor (µP), a fűtés tápegysége, fotoelektronsokszorozó (PMT), szélessávú I/U és A/D konverter, memóriakártya meghajtó, nagyfeszültségű tápegység (HV). A kiolvasó logikai sémáját mutatja a 9. ábra.

9. ábra: a kiolvasó egyszerűsített blokkdiagramja

10. ábra: A kiolvasó keresztmetszete felülnézetben

A 10. ábrán látható a kiolvasó egység keresztmetszete: (a) a kiolvasó öntartó mechanikai szerkezete tart egy hosszanti tengelyű alumínium csövet, ebben helyezkedik el a PMT, a merőleges fényvédő rekesz tartójában (b) helyezkedik el a (c) doziméter. A csövet nyomtatott áramkörű kártyák veszik körül (d). Ezek az alkatrészek a kiolvasó vastagabb alumínium falába (e) vannak rögzítve. A NiCd elemek a kiolvasó hátsó szeparált részében (f) találhatók.

Figyelmeztetés: a Pille egy adott doziméterét soha ne fűtsük ki rögtön (5 percen belül) egymás után kétszer, mert az első fűtés után még le nem hűlt kristály a második fűtéskor károsodhat! Nagyon ügyeljünk rá, hogy a dozimétereket ne ejtsük le, nehogy az üvegbúrák eltörjenek. Az esetleg megsérülő doziméterek pótlásának költségei legtöbbünk anyagi lehetőségein túl vannak.

5.3. Hol járt eddig PILLE?

1980-ban Farkas Bertalan használta először sikerrel a Pillét, a Szaljut-6 űrállomáson, és ott is hagyta. Később szovjet űrhajósok mértek vele. 1983-ban már újabb, érzékenyebb változatot vittek fel a Szaljut-7-re. Ezt vitték át a Mir űrállomásra, ahol 1987-ben ezzel mértek először dózisterhelést az űrséta során. Már 1984–ben a NASA-val kötött együttműködési szerződés alapján az első amerikai űrhajósnő felvitt egy módosított Pillét a Challenger űrrepülőgéppel.

1994-ben az új generációs mikroprocesszoros, és egyre fejlettebb változatai repültek az ASA Euromir programja keretében, a Mir-en a NASA4 misszió során. Sok sikeres mérést végeztek velük többek között űrséták során is. A legújabb változat 2001 márciusában jutott fel az egyik űrrepülőgéppel az Nemzetközi Űrállomás (International Space Station, ISS) amerikai moduljára, 2003-ban pedig az igények szerint módosított példány felkerült az ISS orosz laboratóriumába is. 2007-ben Charles Simonyi is használta az űrutazása során.

Létezik a PILLÉ-nek földi, de szintén hordozható változata is (PorTL), amelyet széles körben alkalmaznak a környezeti sugárzás monitorozásra, pl. Pakson is. Ezek a fejlett doziméter-kiolvasó egységek korrigálni tudnak a környezet hőmérsékletének tág határok közötti ingadozásaira is.

5.4. Mérési feladatok a PILLÉvel a laborgyakorlaton

Először az adaptert csatlakoztassuk a hálózatra, majd a kiolvasóegységet kapcsoljuk be a bal oldalán elhelyezett kapcsolóval. Ekkor megjelenik a READY kiírás a Pille kijelzőjén. A méréseket a Pille99k.exe program segítségével végezzük. A programot elindítva a főlap jelenik meg (11. ábra). Ha a doziméter kalibrációs adatait is át akarjuk majd programozni (erre a laborgyakorlat során általában nincs szükség), akkor itt az [O]ptions-ra kattintva az utolsó két sort be kell x-elni, hogy az átprogramozásra az engedélyt megkapjuk. Ezt OK-val nyugtázzuk (11/a. ábra), és a főlap újra megjelenik. Ekkor lépünk be a [P]ille Glow Curves (kifűtési görbék) c. menüpontba. Ekkor a 12. ábrán látható nyitóképet látjuk.

11. ábra: a Pille kezelőprogramjának kezdőlapja

11/a ábra: az TLD adatainak felülírását így engedélyezhetjük

12. ábra: a kifűtési görbék menüpont kezelőfelülete

Itt a jobb oldali oszlopban a Data Pi[l]le via COMport/File mezőre kattintva a Serial Port:COM(1) sort kell választani a kiolvasóegységgel történő kapcsolatfelvételhez, ekkor megjelenik a legutóbb felvett fénygörbe (13. ábra).

13. ábra: a kapcsolatfelvétel után megjelenik a legutóbb felvett fénygörbe

5.4.1. Menüpontok a Pille Glow Curves képernyőn

A képernyőn a legfelső és a legalsó mezőben látható a program neve és verziószáma (V2.75). A bal felső és alsó mezőben jelennek meg a memóriakártyán tárolt adatok. A felső mező adatai rendre:

1. Source: a megjelenített adatfile illeve online kapcsolat neve

2. AvailableBlocks: az adott adatfileban illetve a memóriakártyán lévő blokkok száma

3. BlockNumber: az adott blokk sorszáma

4. BulbID: a dózismérő memóriachipjének gyári azonosítója és a dózismérőbe a program segítségével beírt azonosító szám

5. ErrorCodes: az esetleges hibakódok

6. CardID: a memóriakártya sorszáma

7. Last ReadOut: az adott dózismérő legutolsó korábbi kiolvasásának időpontja

8. Date: az adott kiolvasás időpontja

9. Points: a kifűtési görbe mérési pontjainak száma

10. DeviceID: a készülék azonosító száma

11. SamplingSpeed: a fénymérés mérési pontjai között eltelt időlépés

12. Temperature: a készülékben elhelyezett hőmérő adata

13. MeasuredDose: a mért dózis

14. DoseRate: a legutóbbi mérés időpontjától számított átlagos dózisteljesítmény

15. IrradiationTime: a legutóbbi mérés időpontjától eltelt idő

Az előzőekben felsorolt 15 adat a program segítségével nem módosítható.

Az alsó mező adatai rendre:

1. EvalStart: a dóziskiértékelés (integrálás) kezdőcsatornája. A kezdőcsatorna helye a középső mezőben lévő kifűtési görbén látható, fehér függőleges vonal jelöli.

2. EvalLength: a kiértékeléshez (integráláshoz) használt csatornák száma. A fénygörbe integrálásához használt tartomány színe zöld.

3. NormFact: a fénymennyiség (fotonok száma) és a dózis közötti normálási tényező

4. EvalS(20C): a 20 °C hőméréskletre vonatkoztatott kezdőcsatorna

5. EvalL(20C): a 20 °C hőméréskletre vonatkoztatott, kiértékeléshez használt csatornák száma

6. NormF(20C): a 20 °C hőméréskletre vonatkoztatott normálási tényező

7. EvalSTFact: a kezdőcsatorna hőfokfüggési tényezője

8. EvalLTFact: a kiértékeléshez használt csatornák számának hőfokfüggési tényezője

9. NormFTFact: a normalizáló tényező hőfokfüggése

10. LeftPercent: az integrálás első csatornájának értéke a csúcs %-ában kifejezve

11. RightPercent: az utolsó kiértékelt csatorna értéke a csúcs %-ában kifejezve

12. ROI: a kiértékelt csatornák teljes fénymennyisége (az integrál értéke)

13. Peak: a csúcs helye

14. PeakValue: a csúcs csatornájában a fénymennyiség értéke

15. Dose: a kiértékelt fénymennyiség alapján számított dózis: 10×ROI/normálási tényező. (A dózis a kezdőcsatorna, a kiértékeléshez használt csatornák számának és a normalizáló tényezőnek a változtatásával módosul.)

16. CurPos: a mutató (kurzor) pozíciója

17. CursorValue: a mutató helyén a fénymennyiség értéke és annak %-os értéke a csúcshoz képest

18. CursorTemp: a mutató helyén a kristály hőmérséklete – a Pille készüléknél nem használjuk ezt az adatot.

A kezdő és végcsatorna helyzetét és a normálási faktort a jobb oldali mezőben lévő gombokkal (EvalStart, EvalLength, NF) tudjuk változtatni. A kezdő és végcsatorna helyzetét egérrel is lehet változtatni. A jelen mérésnél az integrálási határokat nem szükséges változtatni. A mutató helye a jobboldali mező Left és Right gombjaival, valamint a billentyűzet kurzorgombjaival is mozgatható. A kifűtési görbe magasságát az Up és a Down gombokkal, valamint a kurzorgombokkal lehet állítani. A mérések megjelenítésének változtatására szolgáló gombok a jobboldali mező első két sorában vannak:

19. 1stBlock: a memóriakártyán található első mérési blokk

20. Block++: a következő, nagyobb sorszámú mérési blokk

21. LastBlock: a memóriakártyán található utolsó mérési blokk

22. Block--: az előző, kisebb sorszámú mérési blokk.

Adott sorszámú blokkot a BlockNum mezőre kattintva lehet behívni. Ha a Pille készülékkel újabb mérést végzünk, akkor mindig a LastBlock-ra kell kattintani. A képernyőt a BitMap gomb segítségével lehet .bmp formátumban elmenteni, majd a jegyzőkönyvhöz csatolni.

5.4.2. A mérés menete

Minden mérés kifűtéssel kezdődik, ezzel egyben az utolsó kiizzítástól eltelt időre (általában egy hétre) vonatkozóan mérjük a háttérsugárzás átlagos dózisteljesítményét a doziméter helyén. A kiizzításhoz (méréshez) a dozimétert ki kell venni a védőtokjából: a recés fejet benyomva és balra elfordítva a bajonettzár kiold és a doziméter kivehető. A kiolvasóba való behelyezésnél a végig nyitott horonyba kell hogy illeszkedjék a pozícionáló csap, így betolva, jobbra elfordítva a doziméter kiizzításra ill. mérésre kész. A készüléken a Measure kijelzés jelenik meg, majd a doziméter azonosító száma. A mérés befejezésekor megjelenik a mért dózis mGy egységekben. PC-s megjelenítéséhez a Last Block gombra kell kattintani. A dózisteljesítményt a tényleges besugárzási idő alapján kell kiszámítani, mert a készülék a két kifűtés közötti idővel számol, ami nem ad számunkra helyes értéket, mivel az csak a háttér mérésénél egyezik meg a besugárzási idővel!

A háttér mérését követően az alábbi források nyitott ólom tokja fölött mérünk:

· ²²Na esetén kb. 30 percig (1275 és 511 keV-es fotonok);

· a Compton mérésben használt ¹³⁷ Cs esetén: kb. 5 percig (662 keV),

· a röntgenfluoreszcencia-mérésben használt ²⁴¹Am esetén: kb. 10 percig (60 keV).

A pozicionálás megkönnyítésére a doziméterek tokján fehér papír jelzi a kristály helyét, az ellenkező oldalon egy kék kereszt jelzi a kristályok középpontját. Besugárzásnál a fehér jelzés nézzen szembe a forrással.

A nyitott ²²Na forrást megmérve, a kifűtés után a zárt Na forrás mellé is helyezzük el a dozimétert (30 percre), hogy ellenőrizzuk a tok védő hatását. Az ²⁴¹Am gyűrű forrásnál a dozimétert a kialakított tartóba helyezve, az ólomsapka levételével ill. visszatételével definiált kb. 10 perces mérést végzünk, majd ugyanazt a dozimétert visszahelyezve, fél órás méréssel ellenőrizzük az ólom védelem hatásosságát. A Korecz-laborban a nagy ¹³⁷Cs forrásnál is végzünk hasonló mérést; miután a mérő ólomhengerbe elhelyezték a forrást, a kollimátorlyuk elé kell tenni az „L” alakú ólomtéglát. A dozimétertartót a az asztalon bejelölt helyre csavarral rögzítjük, belehelyzzük a dozimétert. A besugárzás ideje a tégla elhúzásával kezdődik és visszatolásával végződik. A doziméter kiolvasása után a dozimétert az alumínium állványra kell helyezni a ¹³⁷Cs forrás ólomárnyékolásának teljes takarásába, ahol besugárzási idő fél óra. A fehér jel az ólom hengerre nézzen, így a forrás és a kristályok egy magasságban vannak. Ez a mérés is az adott berendezésnél az ólom árnyékolás hatásosságát mutatja meg. Három doziméter áll rendelkezésünkre, így megfelelő szervezéssel paralell méréseket is lehet végezni.

5.4.3. Feladatok a PILLÉ-vel

A következő kérdésekre adjuk meg a választ a jegyzőkönyvben:

· Mekkora a természetes háttérsugárzás dózisteljesítménye a P11 laborban? Mekkora az Országos Meteorológiai Szolgálat által Budapesten (Pestszentlőrincen), szabad téren ma mért gamma-dózisteljesítmény (www.met.hu Þ Megfigyelések, mérések Þ Gammadózis-értékek)? Melyik a nagyobb? (Használjunk nGy/h egységet!)

· Mekkora a ²²Na, ²⁴¹Am és ¹³⁷Cs forrás dózisteljesítménye árnyékolással és anélkül? Jegyezzük fel azt is, hogy a forrásoktól kb. milyen távolságban végeztük a mérést! Az eredményekből vonjuk le a háttérsugárzás megfelelő időre eső járulékát! (Mennyire jelentős ez?)

· A forrásoknál mért dózisteljesítmény hányszorosa a természetes háttérnek (árnyékolással és anélkül)? Legfeljebb mennyi ideig tartózkodhat a források közelében egy egyetemi hallgató, ha azt akarjuk, hogy a forrástól elszenvedett dózisa ne haladja meg az egynapi természetes háttérdózist (árnyékolással és anélkül)?

A kiszámított illetve mért értékekhez mindenhol adjunk meg hibahatárokat is! A kalibráció szisztematikus relatív hibája a doziméterek esetén ±20%, a sztochasztikus relatív hiba pedig a mért dózissal csökken: [1+(33/D)²]^1/2 %, ahol a D dózist mGy-ben kell megadni. Adjuk meg a kétféle abszolút hiba kvadratikus összegét, mint mérési hibát, a mért értékeink mellett! Használjunk mGy, mGy/h illetve nGy/h egységeket!

Az általunk használt radioaktív források adatai (aktivitás, dátumok, gamma-energia) a P11 laborban lévő színes táblázatban megtalálhatók.

Irodalom

1. UNSCEAR 2000: Sources and Effects of Ionizing Radiation, United Nations Scientific Comitee on the Effects of Atomic Radiation, Report to the General Assembly, United Nations, New York, Sources

2. Köteles György: Sugáregészségtan, Medicina Könyvkiadó Rt, Budapest, 2002

3. 7/1988 (VII.20.) SZEM rendelet, 10. sz melléklet: Magyar Közlöny 1988/33.szám

4. 16/2000. (VI. 8.) EüM. Rendelet Magyar Közlöny 2000/55 szám

5. KSH 2001-es jelentése

6. A Paksi Atomerőmű Rt. 2003.05.27.-i Beszámolója az Országgyűlés Környezetvédelmi Bizottsága számára

Ellenőrző kérdések (a félkövér betűvel szedett kérdésekre adott rossz válasz a mérés elvégzésének azonnali megtagadásával jár!):

1.) Honnan származik a Föld lakosságának természetes sugárterhelése?

2.) Honnan származik a Föld lakosságának mesterséges sugárterhelése?

3.) A Föld felszínére illetve a talajba lejutó kozmikus sugárzás által keletkezett radioaktív izotópok közül soroljon fel legalább kettőt!

4.) A földi eredetű radioaktív sugárzás milyen izotópoktól ered? Soroljon fel legalább hármat!

5.) Mennyi a természetes és mesterséges dózisterhelés aránya?

6.) A jegyzetben közölt összeállítás alapján állapítsa meg, hogy mi okozza a legnagyobb és a legkisebb sugárterhelést a mesterséges eredetű tényezők közül? Ezek nagyjából mennyire különböznek egymástól?

7.) Definiálja az elnyelt dózist és az elnyelt dózisteljesítményt! Mik ezek mértékegységei?

8.) Mi a dózisegyenérték/egyenérték dózis? Mi a mértékegysége?

9.) Mi az effektív dózis(egyenérték)? Mi a mértékegysége?

10.) Sorolja fel a sugárvédelem három alapelvét!

11.) Kinek a felelőssége az ALARA elv betartása a gyakorlatban?

12.) Mennyi lehet legfeljebb az éves dózisterhelése a sugárveszélyes helyen dolgozóknak

a) öt egymást követő évre vonatkozóan? Ez mekkora éves korlátot jelent átlagosan?

b) egyetlen évre vonatkozóan?

13.) Mennyi a szemlencsére vonatkozó évi dóziskorlát sugárveszélyes helyen dolgozóknak?

14.) Mennyi a lakosságra vonatkozó évi dóziskorlát? Ez magába foglalja-e a természetes sugárterhelést is?

15.) Mennyi a végtagokra és bőrre vonatkozó évi dóziskorlát sugárveszélyes helyen dolgozóknak?

16.) Mennyi a lakosság szemlencsére vonatkozó éves egyenérték dóziskorlátja?

17.) Mennyi a lakosság bőrre vonatkozó éves egyenérték dóziskorlátja?

18.) Hogyan lehet pontszerű forrás esetén az elnyelt dózist kiszámítani?

19.) Milyen módon lehet a külső sugárterhelés ellen védekezni?

20.) Mi az inkorporáció?

21.) Mik a sugárhatást befolyásoló tényezők?

22.) Sorolja fel a determinisztikus sugárhatás négy jellemzőjét!

23.) Milyen effektív dózis felett jelennek meg azonnal a káros hatások tünetei?

24.) Mi a félhalálos dózis, mennyi az értéke?

25.) Sorolja fel a sztochasztikus sugárhatás négy jellemzőjét!

26.) Ember esetében ki tudták-e mutatni a szülőket ért sugárterhelés öröklődését?

27.) Hogyan definiáljuk a kockázatot?

28.) Hogyan értelmezzük a kollektív kockázatot, és mi ennek az egysége?

29.) Soroljon fel néhány környezetünkkel és közlekedéssel kapcsolatos kockázatot!

30.) Ismertesse a feketedés általános meghatározását! Hogyan alakul ez filmek kiértékelésénél?

31.) Hogyan definiáljuk a D*-ot?

32.) A D* kiszámításához milyen adatok szükségesek?

33.) A hitelesítő filmek szűrőinek D* arányából az ismeretlen filmek melyik adatára lehet következtetni?

34.) Hogyan definiáljuk a relatív érzékenységet, és ebből mit lehet kiszámítani az ismeretlen filmekre vonatkozóan?

35.) A radon a periódusos rendszer mely oszlopába tartozik, s a gyakorlat során mért ²²²Rn melyik radioaktív sor tagja?

36.) Sorolja fel a ²²²Rn közvetlen anyaelemét és négy leányelemét, és ezek és a radon felezési idejének legalább a nagyságrendjét!

37.) Mi teszi a radon hatását különösen kártékonnyá nem tiszta levegő esetében?

38.) Hogyan lehet a levegő radon-koncentrációját megmérni?

39.) Hány mSv/év a lakosságot érő természetes eredetű sugárterhelés Magyarországon?

40.) Mi a termolumineszcens doziméter működésének alapelve?

41.) Milyen komponensekből áll egy TLD fénygörbéje?

42.) Milyen mennyiség mérésével következtetünk a dózisra a TLD esetén?

43.) Milyen szabályt kell betartanunk egy TLD ismételt kifűtésekor?

44.) Hogyan célszerű beállítani az integrálási határokat a TLD dózismérésénél? Mit integrálunk?

45.) Milyen egységekben adjuk meg a dózisteljesítményt?

46.) Mit jelent a maradék dózis a TLD-k esetében?

47.) Milyen fontos műszert tartalmaz a TLD kiolvasó egysége, és annak mi a szerepe?

---

[1]Javasoljuk, hogy a Minilexikon dozimetriával és sugárvédelemmel kapcsolatos címszavait tekintse át.

[2] mert - amint az saját ábránkon is nyomon követhető lesz - a kb. 45 és 123 keV közötti szakaszon kb. 10%-os ingadozásokkal gyakorlatilag energiafüggetlen konstans függvényt kapunk, amely 123 kev fölött még emelkedhet is.

[3] A közel egy hétig tartó, egy órás gyakoriságú automata mérések kiértékelése kimutatta a Van Allen övek Dél-Atlanti Anomáliájának napi kétszeri átszeléséből eredő többletdózist.