Zracenje_radioaktivno

8/3/2019 Zracenje_radioaktivno

http://slidepdf.com/reader/full/zracenjeradioaktivno 1/10

SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKUELEKTROTEHNIČKI FAKULTET U OSIJEKU

SEMINARSKI RAD

ZRAČENJE (RADIOAKTIVNO)

Kolegij: Računala i procesi

MIRKO KÖHLER 1288

2005/2006



DEFINICIJA RADIOAKTIVNOSTI

• Radioaktivnost je svojstvo nekih vrsta atoma da im se jezgre spontano mijenjaju ipri tome emitiraju energiju u obliku zračenja.

• Ta se promjena jezgre naziva radioaktivnim raspadom.

• Radioaktivno zračenje mijenja strukturu i svojstva materijala kroz koji prolazi. Pritome je najznačajniji efekt ionizacija,odnosno izbijanje elektrona iz elektronskogomotača nekog atoma.

KORISNI UČINCI RADIOAKTIVNIH MATERIJALA

• Proizvodnja električne energije

• Istraživanja u medicini

• Proizvodnja lijekova i liječenje

• Razna medicinska snimanja

• Istraživanje svemira

• Industrija, pogon brodova,podmornica, sterilizacija hrane i ambalaže,…

ŠTETE OD ZRAČENJA

• Radijacija je štetna po zdravlje. Radioaktivni materijal u ljudsko tijelo ulazi prekohrane, vode za piće ili zraka, ili je moguće direktno ozračivanje.

• Zračenje oštećuje stanice u ljudskom organizmu. Velika apsorbirana dozazračenja raspoređena po cijelom tijelu uzrokuje smrt. Nešto niže lokalne dozeuzrokuju oštećenje kože i lokalnog tkiva i ta su oštećenja vidljiva već za nekolikodana ili sati.



VRSTE ZRAČENJA I DOZE

Danas poznatih109 kemijskih elemenata javlja se u više od 2000 razli

čitih radioaktivnihizotopa. Oni se raspadaju na različite načine: alfa, beta, gama, neutronski ili protonski.

Također, promjene u atomskom omotaču jezgre izazivaju emisiju X - zračenja (isto što igama, tj. elektromagnetsko zračenje, samo je manje energije).

1. Alfa zračenje

Kod alfa zračenja nestabilna atomska jezgra emitira električki pozitivno nabijenu alfačesticu s nabojem dva puta većim i masom približno četiri puta većom od protona(sastoji od dvaju protona i dvaju neutrona). To znaći da su alfa čestice jezgre helija.Brzina alfa zraka je oko 15000 km/s, a energija nekoliko MeV. U zraku, pri normalnomtlaku njihov doseg iznosi tek nekoliko centimetara, što znaći da alfa čestice relativnobrzo gube svoju energiju i neutraliziraju se, tj. zahvačanjem elektrona iz okolicepretvaraju se u atome helija.Ako atomska jezgra neke tvari emitira alfa česticu, ona nužno doživljava promjenu, štoznači da alfa zračenjem nastaje nova jezgra i stvara se nov element. Na primjer, jezgra226Ra radij sadrži 88 protona i 138 neutrona i ima ukupni maseni broj 226. Raspada sealfa raspadom (emisija čestice - jezgre helija) i nastaje novi element radon - 222.Masenibroj jezgre u alfa raspadu smanji se za 4 a redni broj za 2. Radon (222Rn) je također nestabilan i dalje se raspada.

2. Beta zračenje

Beta (-) zračenje je raspad jezgre u kojem se neutron u jezgri raspada na proton ielektron. Proton ostaje u jezgri, a elektron se emitira iz jezgre s različitim energijama.Beta (+) raspad je raspad jezgre u kojoj se proton raspada u neutron i pozitron i dolazido emisije pozitrona.Na primjer, 14C ugljik se raspada beta (-) raspadom na 14N dušik i elektron a 22Nanatrij raspada se beta (+) raspadom na 22Ne neon i pozitron.Maseni broj jezgre u beta raspadu se ne mijenja, a redni broj se povečava ili smanjuje uovisnosti o tome da li je riječ o - ili + beta raspadu.

3. Gama zračenje

Radioaktivna jezgra može prelaziti iz jednog energetskog stanja u drugo i pritom dolazido emisije elektromagnetskog vala (fotona). U tom raspadu ne mjenja se ni maseni niredni broj jezgre.Promjene položaja elektrona u elektronskom omotaču jezgre praćene su emisijomelektromagnetskog zračenja (fotona) mnogo manje energije nego je energija fotonaemitiranih iz jezgre. Takvo zračenje naziva se X - zračenje (rendgensko).



MJERNJE RADIJACIJE

1. Energija zra

čenja

Jedinica za energiju je džul (J), no ona je za opisivanje zračenja prevelika, pa se koristemanje jedinice: elektronvolt1 eV = 1,602xE-19 J = 3,826xE-23 kcal

Na primjer 226 Ra radij može se raspasti alfa raspadom u kojem čestica ima energiju4,59 MeV, slijedi gama raspad s emisijom fotona energije 0,187 MeV.

2. Poluvrijeme raspada

Vrijeme poluraspada ono je vrijeme u kojem se broj radioaktivnih jezgri u nekomradioaktivnom izvoru smanji na polovinu. U tabeli 1 su prikazana poluvremena raspadaza nekoliko radionuklida.

Tabela 1: Poluvremena i vrste raspada nekih radionuklida:

Radionuklid Poluvrijeme raspada Vrsta raspada

torij-232 1,405x1010 god alfa

uran-238 4,47x109

god alfa

kalij-40 1,28x109 god beta(-)

uran-235 7,04x108 god alfa

ugljik-14 5,74x103 god beta(-)radij-226 1,59x103 god alfa

stroncij-90 28,5 god beta(-)

tricij-3 12,35 god beta(-)

radon-222 3,82 dana alfa

polonij-218 3,05 minuta alfa, beta(-)

kisik-15 2 2 minute beta(+)

radon-220 55,6 sekundi alfa

polonij-214 1,64x10-4 sekunde alfa

3. Radioaktivnost izvora

Aktivnost je broj raspadnutih jezgri nekog radioaktivnog izvora u jedinici vremena.Ako se, na primjer, raspadnu u nekom izvoru 4 jezgre u vremenu od 4 sekunde, onda jeaktivnost tog izvora:N = 4 T = 4sA = N / T = 4/4 = 1 / s = 1 BqJedinica za mjerenje aktivnosti naziva se bekerel (Bq) i znači jedan raspad u jednojsekundi. Prije se koristila jedinica kiri (Ci) koja je mnogo veća od Bq i iznosi 3,7xE10raspada u sekundi.



Jedan gram čistog radija-226 (bez nuklida potomaka) ima aktivnost 3,67xE10 Bq(otprilike jedan kiri i od tuda i dolazi iznos te jedinice).U praksi se koristi i veličina: aktivnost po jedinici mase, ili specifična aktivnost (Bq/kg).

Specifična aktivnost prirodnog urana je 2,5xE7 Bq/kg.

4. Energetska doza

Ako se pred snop zračenja iz nekog radioaktivnog izvora postavi neki predmet, on ćeupiti (apsorbirati) energiju čestica (ili fotona) koji na njega padaju, odnosno prodiru unjega.Upijena energija zračenja po jedinici mase predmeta u kojem se događa upijanje nazivase energetska doza (D):W = 1 J m= 1kgD = W/m = 1J/1kg = 1 Gy

Jedinica za energetsku dozu je grey (Gy) i predstavlja apsorpciju energije 1 J u masi 1 kg.Prije je korištena jedinica rad, koja je sto puta manja od greja.

5. Ionizacijska doza

Kada zračenje pada na neko tijelo, u njemu izaziva ionizaciju, tj. rastavlja atome-molekule na dijelove pozitivnog i negativnog naboja. Ionizacijska doza definira se kaonaboj (kulona) oslobođen prelaskom zračenja u jedinici mase tijela u kojoj dolazi doioniziranja.Jedinica za mjerenje naziva se rendgen (R):

1 R = 2,58xE-4 C /1 kg zrakaJedan rendgen znači da je prolaskom zračenja oslobođen naboj od 2,58xE-4 C (kulona)u jednom kilogramu zraka.

6. Ekvivalentna doza

Biološko djelovanje zračenja, osim o energetskoj dozi (apsorbirana energija), ovisi odrugim činiocima. Oni se iskazuju faktorom kvalitete (Q). Stoga se definira ekvivalentnadoza (H) za živa bića (biološki objekt) kao umnožak energetske doze (D) ibezdimenzionalnog faktora kvalitete, ovisno o vrsti zračenja (Q):H = D x Q

Jedinica za mjerenje ekvivalentne doze naziva se sivert (Sv) i iznosi 1 Gy, pomnožen sfaktorom kvalitete. Faktori kvalitete za gama i beta (+/-) iznosi 1, dok za alfa iznosi 20.



DETEKCIJA RADIOAKTIVNOG ZRAČENJA

• Danas se koriste različite metode da bi se otkrilo zra

čenje. One se zasnivaju napojavama vezanim za prolaz zračenja kroz materiju.

• Na primjer, zračenje ostavlja tragove u fotografskoj emulziji, pa se pomoću njemože otkriti. Zračenje izaziva ionizaciju u plinovima. Na toj pojavi zasnivaju sedetektori zračenja: ionizirajuća komora i Geigher-Mulerov brojač. Prolaskomzračenja kroz različite materije javlja se termoluminiscencija, pa se i ta pojavakoristi za detekciju. Prolaskom zračenja kroz neke kristale javljaju se bljeskovi, pase na toj pojavi zasnivaju scintilacioni brojači (za gama zračenje).

• Za precizno određivanje energije zračenja koriste se poluvodički detektori.Postoji niz najrazličitijih izvedbi mjernih uređaja za detekciju zračenja. Aktivnostizvora, energetska, ionizacijska i ekvivalentna doza izračunavaju se iz podatakadobivenih mjerenim uređajima, ili su već mjerni instrumenti baždareni tako da seneke od tih veličina mogu na njima izravno očitavati.

Ionizacijska komora

• Ionizacijska komora se sastoji iz posebne posude u kojoj se nalaze dvijeelektrode uključene na visoki napon. U posudi se nalazi neki, obično, plemenitiplin. Radioaktivno zračenje koje dospijeva u aktivnu zapreminu komore, ioniziraplin, pri čemu nastaju ioni oba znaka (teški pozitivni ioni i laki negativni ioni,odnosno elektroni).

• Pod utjecajem jakog električnog polja ioni se skupljaju na elektrodama. Rezultat je pojava električne struje kroz plinsku sredinu koja se poslije pojačavanjaregistrira mjernim instrumentom.

• Pomoću ionizacijske komore mogu se registrirati alfa- i beta- čestice, dok je zagama-zrake ovo suviše prozračan detektor.

Gajger-Milerov brojač

• Rad Gajger-Milerovog brojača je zasnovan na ionizaciskim efektima. On je vrlopogodan za upotrebu i relativno je jeftin. Staklen, iznutra posrebren, ili metalnaposuda cilindričnog oblika ispunjena je nekim plemenitim plinom pod visokimtlakom. Katoda je cilindričnog oblika, a anoda je tanka žica postavljena dužcilindra. Elektrode su priključene na izvor jednosmjerne struje, visokog napona,koji stvara jako električno polje.

• Pri prolasku radioaktivnog zračenja, plin u brojaču se ionizira. Ioni dolaze doelektroda (elektroni na anodu, a pozitivni ioni na katodu). Time se strujni krug ubrojaču zatvara i pojavljuje se naponski impuls. Uređajem za brojenje impulsa sebroje naponski impulsi nastali u određenom intervalu vremena. Na osnovu toga



dobija se informacija o intenzitetu zračenja. Pomoću Gajger-Milerovog brojačadetektiraju se alfa- i beta-čestice

Wilsonova komora

• Engleski fizičar Wilson prvi je 1912. godine konstruirao ovaj uređaj. Aktivnasredina komore je zasićena para, najčešće vode, helija, dušika ili argona. Izvor radioaktivnog zračenja postavlja se unutar aktivne sredine. Naglim povećanjemtlaka para se prvo sabije, a zatim smanjivanjem tlaka dolazi do širenja pare, pričemu se temperatura pare snižava i ona prelazi u prezasićeno stanje. Takva parase lako kondenzira u tekućinu. Prilikom prolaska samo jedne alfa-čestice, stvarajuse tisuće pari iona, koji postaju centri kondenzacije pare. Na taj način se formirajukapljice tekućine, koje stvaraju tragove koji su vidljivi golim okom. Na isti načinnastaje i vidljivi trag pare iza aviona na velikim visinama, samo što u tom slučaju,

čestice prašine dovode do stvaranja pare.

Scintilacioni brojač

• Rad ovog detektora je zasnovan na svojstvu supstance da pod uticajemradioaktivnog zračenja emitira svjetlucanje malog intenziteta. Pri prolasku krozsupstancu, naelektrizirane čestice uzrokuju ionizaciju i prelazak atoma unormalno (osnovno) stanje, pri čemu atomi ispuštaju vidljivu svjetlost u oblikusvjetlucanja. Svjetlosni signali se zatim pretvaraju u električne impulse. Naosnovu broja i amplitude tih impulsa određuju se intenzitet i energija radiaktivnihčestica.

• Pomoću Scintilacionog brojača registriraju se brzi elektroni i gama-fotoni.



KONKRETNI SENZORI

CMA Geiger-Müller Ionizacijski sensor detektira male nivoe beta i gama zračenja. Imamogučnost da detektira pozadinsko zračenje jednako dobro kao i male nivoe radijacijeemitirane od strane radioaktivnog izvora. Senzor se može koristiti kao brojač za kontroluizvora radijacije ili kao mjerač napona narinutog na GM cilindar. Također izračunavavrijeme poluraspada za kratkotrajne radionuklide.Izvor napajanja za senzor je 5V preko sučelja za napajanje.Senzor sadrži halogen quenched cilindrični GM brojač koji detektira beta i gamaradijaciju s energijom većom od 0.4 MeV. Svaki novi brojački događaj popračen je sakratkim pozitivnim pulsom (5V, 0.265 ms) na pinu 1 BT konektora. Svaki taj događajvizualno se prikazuje paljenjem LED diode na senzoru i akustički 3kHz zvukom dužine84.5 ms.

Za njegovo korištenje koriste se slijedeća sučelja:- CoachLab II- ULAB- UIA / UIB (preko 0520 adapter-a)

CoachLab IIUzrokovanje:

- 12 bitna rezolucija- max. frekvencija 40kHz- ugrađeni sat

Inputi:

- 2 analogna BT konektora- 2 analogna 4mm konektora- Digitalni kanal za konekciju jednog ili dva

Output:- četiri 'push-pull' kanala za kontrolu raznih aktuatora-

Spajanje na računalo preko 9 pinskog D-konektora (ženski) ili preko USB-a.

LED indicator

ULAB je jednostavan, prenosivi, grafičko-podatkovni sistem, koji se koristi u raznim

uvjetima (kako u laboratoriju tako i na terenu).Sastoji se od:

• Grafičkog zaslona 128 * 64 piksela.

• Tipkovnice sa 10 tipki.

• Četiri analogna BT (British Telecom) ulaza.

• Dva digitalna ulaza za ultrasonic i digitalne senzore.

• Sabirnicu za USB i serisku konekciju.

• Sabirnicu za vanjsko napajanje.



Tehničke specifikacije:

Tube Neon-halogen quenched GM-tube with Fe/Cr cathode

Wall density 30 mg/cm2 Sensitive to Beta and gamma > 0.4 MeV Counter output Pin 1 of the BT connector Pulse height 5V Pulse width 0.265 ms Default high(operating)voltage

500 V

Default lowvoltage on 4-mmoutput

2.5 V

LED flash andacoustical beep 84.5 ms

Dead time Effective 0.33 ms

Sweep Range 300-650V

Sweep time10 minutes (in some GM sensors could be8.6 minutes)

Sensor box Length =8 cm; width =9 cm; height=2 cm

Connection

BT (British Telecom) plug4-mm output (output voltage 1.5 - 3.25V) for

measuring of the Operating Voltage appliedto the GM tube. To measure the actual valueof operating voltage the measured voltagevalue should be multiplied by factor 200.



ZANIMLJIVOSTI O ZRAČENJU

• Prema tvrdnjama znanstvenika, vjerojatnost umiranja zbog istjecanjaradioaktivnosti iz nuklearne elektrane jednaka je vjerojatnosti smrti zbog toga štovas je pogodio meteorit.

• Naše vlastito tijelo, zbog prisustva radioaktivnog kalija (40K) u organizmugodišnje zrači četrdeset puta intenzivnije nego da stanujemo u blizini nuklearneelektrane.

• Mršavi ljudi su “radioaktivniji” od debelih zato što imaju manje sala koje apsorbirazračenje iz vlastitog tijela.

• Jedan sat leta u zrakoplovu, gdje je intenzitet kozmičkog zračenja mnogo većizbog tanjeg atmosferskog štita no na površini mora, ozrači putnika približno četiriputa više nego cijela nuklearna industrija u godinu dana!

Documents

Zracenje_radioaktivno