Masurarea nivelului de radioactivitate

Masurarea nivelului de radioactivitate

Radiatiile nucleare

T        rezulta in urma proceselor ce se produc la nivelul nucleului atomic

T        sunt compuse din particule ce au masa, energie cinetica sau sarcina

T        sunt de mai multe tipuri, printre care:

particulele alfa, adica nuclee de heliu (m 4 uam, q = 2 e

protonii sau nucleele de hidrogen (m 1 uam, q = e

particulele beta, adica electroni sau pozitroni (m 0, q = e

neutronii (m 1 uam, q = 0)

radiatiile gamma, compuse din fotoni de inalta energie (m 0, q = 0)

T        atunci cand traverseaza un mediu pot interactiona cu acesta, interactiunea fiind mai puternica daca radiatia este compusa din particule incarcate electric

Ionizarea este procesul in cursul caruia, prin interactiune directa cu alt atom sau molecula sau prin interactiune cu campul electromagnetic, un atom sau o molecula primeste sau cedeaza unul sau mai multi electroni, devenind astfel un ion negativ sau pozitiv.

Recombinarea este procesul contrar ionizarii.

Atunci cand o particula nucleara traverseaza cu rapiditate un mediu gazos ea interactioneaza cu moleculele de gaz, rezultand prin ionizare perechi ion pozitiv-electron. Acest proces este mai intens in cazul particulelor alfa, moderat in cazul particulelor beta si slab pentru radiatiile gamma. Dupa trecerea particulei nucleare, in timp, ionii se recombina treptat cu electronii.

Contorul Geiger-Muller :

T        este un dispozitiv utilizat pentru detectarea radiatiilor nucleare

T        este recomandat pentru observarea radiatiilor alfa sau protonilor, dar poate fi folosit si pentru detectia particulelor beta sau radiatiei gamma

T        este proiectat in asa fel incat sa asigure declansarea unei descarcari electrice in avalansa

T        Descarcarea in avalansa :

incepe cu aparitia unui curent electric intr-un mediu gazos

se poate produce daca sarcinile electrice in miscare (in special electronii) determina prin ciocnirile cu moleculele neutre aparitia unor noi perechi formate din ioni pozitivi si electroni, astfel incat sarcina electrica libera se mareste exponential

are ca rezultat ionizarea aproape totala a gazului

T        consta dintr-un tub din sticla, inchis, care contine :

un gaz pur (Ar, He) la presiune redusa (p 0,01 atm)

molecule cu rol extinctor, in concentratie redusa

anodul, sub forma unui fir metalic subtire, asezat in pozitie centrala

catodul, sub forma unui strat conductor depus pe peretele tubului

necesita alimentarea la o tensiune electrica continua de ordinul sutelor de volti

Iradierea naturala este datorata in primul rand fondului cosmic de radiatii si apoi caracteristicilor mediului inconjurator. Atmosfera constituie un scut pentru radiatia cosmica. In functie de altitudine, debitul dozei naturale variaza intre 0,1 mrem/zi la nivelul marii si 16-20 mrem/zi in podisul Tibet. Doza naturala este influentata de radiatiile emise de elementele radioactive ce se gasesc in scoarta Pamantului, materialele de constructii, apa de baut sau alimente (carbon-14, potasiu-40, radiu-226), precum si de gazele radioactive din atmosfera (radonul si toronul care sunt produsi de dezintegrare ai radiului si torului din scoarta Pamantului). In conditii obisnuite iradierea naturala se ridica la circa 0,5 mrem/zi. Aceasta doza de radiatii nu are consecinte somatice importante, iar efectul genetic asigura fondul permanent de mutatii necesar evolutiei speciei

Efectul biologic al radiatiilor

A masura, sau a caracteriza cantitativ, efectul radiatiilor asupra unui organism viu este o sarcina extrem de dificila daca luam in considerare urmatoarele trei aspecte:

T        nu exista doua organisme absolut identice ca structura sau ca reactie la stimuli externi si chiar acelasi organism isi modifica in timp parametrii functionali.

T        modificarile induse de radiatii in organism nu sunt in general constientizate de subiectul investigatiei, deoarece radiatiile nu reprezinta stimuli pentru organele de simt.

T        efectul biologic al radiatiilor se poate manifesta, in cazul dozelor mici, dupa intervale lungi si foarte lungi de timp.

Din aceste motive, efectul biologic al radiatiilor poate fi inteles doar ca o marime statistica, referitoare la o medie efectuata pe ansamblul unei populatii sau al unui segment de populatie (de exemplu personalul care asigura functionarea unei centrale nucleare). Efectele biologice ale iradierii se pot insuma in timp, dar nu in mod mecanic, deoarece organismele vii poseda o capacitate de regenerare, care poate elimina dupa o anumita perioada unele din consecintele imediate ale iradierii

Sistemul roentgenologic se bazeaza pe masurarea ionizarii generate de radiatie in aer. El se poate aplica pentru evaluarea efectului biologic al radiatiilor Roentgen si gamma, cu energii per foton inferioare valorii de 3 MeV.

Marimea principala a acestui sistem de unitati de masura se numeste doza de ioni si este definita ca raportul dintre sarcina totala Q a ionilor de un anumit semn, generati direct sau indirect de radiatie, si masa m a volumului de aer care ii contine:

In aceasta relatie s-a notat cu r densitatea aerului. Unitatea de masura a dozei de ioni poarta denumirea de roentgen, fiind doza de radiatii Roentgen sau gamma corespunzatoare separarii prin ionizare a sarcinii electrice de 0,25 mC pentru fiecare kilogram de aer uscat, in conditii normale de temperatura si presiune :

1 R = 0,25 mC/kg

Alaturi de doza de ioni se foloseste si marimea denumita debitul dozei de ioni, adica doza de ioni inregistrata in unitatea de timp :

Debitul dozei de ioni se masoara in mod curent in roentgeni pe ora (R/h) sau roentgeni pe secunda (R/s).

In sistemul radiobiologic se considera trei tipuri de marimi :

o marime fizica obiectiva, caracterizand absorbtia energiei in tesut, doza de energie

o marime relativa si subiectiva, caracterizand efectul biologic al radiatiei, efectivitatea biologica relativa

o marime biofizica, care leaga marimea fizica de marimea subiectiva, doza biologica

Ca marime fizica obiectiva, sistemul foloseste doza de energie, adica cantitatea de energie transferata de radiatie unitatii de masa a corpului iradiat :

Unitatea de masura a dozei de energie se numeste rad si reprezinta o energie transferata de 10 mJ/kg. Aceasta alegere inlesneste ca dozele de ioni, exprimate in roentgeni, sa fie aproximativ egale numeric cu dozele energetice.

Doza biologica se defineste prin relatia :

B h D

unde h este efectivitatea biologica relativa. Unitatea de masura a dozei biologice se numeste rem (roentgen equivalent man). Definitia sa este urmatoarea: remul este doza biologica primita de un kilogram de tesut care absoarbe de la radiatie o energie de 10/h milijouli.

In cazul in care radiatia incidenta este un amestec de radiatii diferite ca energie sau natura fizica, doza biologica se obtine prin insumarea dozelor biologice ale fiecarei componente a radiatiei, in parte :

     

Debitul dozei biologice b ( b = B/t ) se masoara in rem/h sau rem/s

Fie un contor Geiger-Muller si electrozii sai, alimentati la o tensiune electrica U. Campul electric generat intre electrozi are simetrie cilindrica. Valoarea campului electric este foarte ridicata in preajma electrodului central si mai slaba langa perete.

Sa presupunem ca interactiunea dintre o particula nucleara si o molecula de gaz determina aparitia unei perechi ion-electron. Fortele care actioneaza asupra electronului si asupra ionului sunt egale, determinand miscarea lor accelerata. Electronul se indreapta catre firul central, iar ionul catre peretele tubului. Avand in vedere ca masa ionului este de cateva mii de ori mai mare decat masa electronului, rezulta ca distanta pe care o parcurge acesta este neglijabila comparativ cu distanta parcursa de electron. Din acest motiv, putem considera ionul ca imobil. In schimb, electronul atinge foarte curand o viteza insemnata, astfel ca prin ciocnirea cu alta molecula este capabil sa genereze o noua pereche ion-electron. Acest proces se repeta de mai multe ori, furnizand o cantitate de electroni liberi din ce in ce mai mare. Pe masura ce descarcarea se amplifica electronii inainteaza catre firul central, iar ionii nu-si parasesc pozitiile, formand o sarcina spatiala pozitiva. Efectele descarcarii in avalansa sunt urmatoarele:

mai multi electroni ating firul central si se recombina cu sarcina pozitiva de pe acesta

ca urmare, campul electric slabeste, iar electronii inca liberi se recombina cu sarcina spatiala

ionii pozitivi din imediata apropiere a peretelui se deplaseaza catre acesta si se recombina cu sarcina sa negativa

in final, descarcarea se stinge, iar continutul tubului redevine neutru

in medie se transporta o anumita cantitate de sarcina Q de la firul central catre perete

sarcina transportata genereaza un curent electric prin rezistorul de sarcina si determina aparitia unei caderi de tensiune la bornele acestuia

caderea de tensiune este amplificata si inregistrata de un numarator electronic

in functie de numarul de pulsuri inregistrate in unitatea de timp, se poate determina debitul dozei de radiatii, marime care va fi indicata pe un cadran de acul aparatului de masura

Detectorul portabil de radiatii din dotarea laboratorului de fizica poate fi folosit pentru masurarea debitului dozei de radiatii atat in interiorul unei cladiri, cat si in spatii deschise. In acest mod, se poate compara intensitatea fondului cosmic de radiatii din afara cladirii cu acela inregistrat in spatiile interioare. Ne putem astepta ca peretii cladirii sa absoarba o parte din radiatiile incidente, astfel incat in interior nivelul radiatiilor sa fie mai scazut decat in exterior. Cu toate acestea, este posibil ca in spatiile neventilate din subsoluri nivelul radiatiilor sa depaseasca nivelul din exterior, pentru ca aici se pot acumula gaze radioactive emanate de sol.

M        detectorul de radiatii Doziport S37

se verifica daca starea de incarcare a bateriilor dozimetrului de radiatii este corespunzatoare

se fac masuratori ale debitului dozei radioactive atat in curtea cladirii, cat si la toate nivelurile acesteia (de la subsol, la etajul al treilea)

masuratorile se fac pe scala de 0,3 mrem/h

masuratorile se repeta de inca trei ori, la intervale de timp de cate un sfert de ora

se inscriu valori obtinute in tabelul de date si se calculeaza valorile medii

se reprezinta intr-o histograma (grafic cu bare) valorile medii corespunzatoare exteriorului cladirii si fiecarui nivel al acesteia

se calculeaza doza anuala de radiatii pentru fiecare punct de masurare cu urmatoarea formula

unde b este debitul dozei masurat in milirem pe ora

se trec valorile obtinute in tabelul cu rezultate

STUDENTI

SEMNATURA CADRULUI DIDACTIC