Tehtävänä on vertailla eri säteilylähteiden säteilyvoimakkuutta (pulssia/min).

Transkriptio

1 TYÖ 66. SÄTEILYLÄHTEIDEN VERTAILU Tehtävä Välineet Tehtävänä on vertailla eri säteilylähteiden säteilyvoimakkuutta (pulssia/min). Radioaktiiviset säteilylähteet: mineraalinäytteet (330719), Strontium-90 (33055), säteilymittari: Alpha ix anturina ulkoinen Geiger-putki, mitta, statiivin jalusta + tanko, leukapuristin, yms. Kuva 1. Säteilymittari ALPHAiX (ks. käyttöohjeet moniste) Taustatietoja Säteily kokonaisuutena voidaan jakaa sähkömagneettiseen säteilyyn ja hiukkassäteilyyn. Sähkömagneettiseen säteilyyn kuuluvat muun muassa radioaallot, mikroaallot, infrapunasäteily, näkyvä valo, ultraviolettisäteily, röntgensäteily sekä gammasäteily (MAOL s. 87 (84). Hiukkassäteilyä ovat alfasäteily, beetasäteily sekä neutronisäteily. Radioaktiiviseksi aineeksi nimitetään ainetta, jonka atomiytimet lähettävät säteilyä. Kaikki vismuttia raskaammat ytimet ovat radioaktiivisia. Radioaktiivisia aineita esiintyy luonnossa riippumatta ihmisen toiminnasta, joten säteily kuuluu luonnollisena osana elinympäristöömme. Suurin osa ympäristössämme olevista radioaktiivisista aineista on luonnollista alkuperää. Noin puolet suomalaisten saamasta taustasäteilystä aiheutuu maaperän radonista. Muita luonnon säteilylähteitä ovat avaruudesta tuleva kosminen säteily, luonnon monien radioaktiivisten aineiden lähettämä taustasäteily sekä ihmisen kehon oma luonnollinen radioaktiivisuus. Ihmiset saavat ionisoivaa säteilyä avaruudesta (kosminen säteily), maaperästä, rakennuksista, ruuasta, oman elimistönsä radioaktiivisista aineista ja hengittämästään ilmasta. Ihmisen vanhenemista pidetään osittain ionisoivan säteilyn aiheuttamana. Ihmisen kehossa on radioaktiivisia aineita, jotka ovat peräisin luonnosta. Tällaisia aineita ovat mm. kalium-40, hiili-isotooppi C-14, uraani, torium ja radium. Maaperän ja rakennusten lähettämä säteily vaihtelee suuresti paikkakunnan ja asuinympäristön mukaan. Maaperä sisältää vaihtelevat määrät radioaktiivisia aineita. Maaperässä on suri määrä radioaktiivista kaliumia. Erityisen radioaktiivista on graniitti. Tonnissa graniittia on noin 3 g uraania sekä saman verran toriumia. Avaruudesta tulevan kosmisen säteilyn määrä on vakio ja se riippuu vain paikan korkeudesta. Vuoristossa säteilyn määrä on suurempi kuin meren pinnalla. Otsonikerros suojaa maapalloa auringon ultraviolettisäteilyltä. (ks. Lehto-Luoma: Energia yhteiskunnassa, s ). Suomen samoin kuin Ruotsin maaperässä radon on huomattava säteilyn lähde. Radon (Rn-222) on hajuton, mauton ja näkymätön

2 kaasu. Se ei aiheuta selvästi havaittavia oireita, ei esimerkiksi väsymystä tai huimausta. Ainoa keino radonin havaitsemiseen on mittaaminen. Suomessa muuta maata enemmän radonia on havaittu Itä-Uudellamaalla, Kymenlaaksossa sekä Etelä-Hämeessä. Soraharjuille rakennetuissa pientaloissa saattaa asuntojen radonpitoisuus olla huomattavasti korkeampi kuin ympäristön kallio- tai moreenialueilla (ks. F1, s. 105). Radonia (Rn-222) syntyy maaperän uraanin (U-238) hajotessa välivaiheiden (α, β -, β -, α, α-haj.) kautta lopulta radiumiksi (Ra-226): U Th Pa U Th Ra Radium hajoaa edelleen. Radium-222 on alfa-aktiivinen aine, jonka hajoamistuote on radonia (Rn-222): Ra Rn He Radon-222 on hajuton ja näkymätön kaasu, jonka isotooppi 86 Rn on riittävän pitkäikäinen, jotta se ehtii kulkeutua maaperästä huoneilmaan ennen hajoamistaan. Kyseisen isotoopin puoliintumisaika on 3,825 d (MAOL s. 105 (103)). Valtaosa radonista hajoaa maassa, ja tytärnuklidit jäävät maahan. Radon-222 muuttuu poloniumiksi (Po-218) alfahajoamisen kautta. Polonium-218 lähettää alfasäteilyä. Poloniumin jälkeen syntyy hajoamistuotteina lyijyä (Pb) ja vismuttia (Bi). Ne lähettävät beeta- ja gammasäteilyä; Rn Po Pb Bi 214 Pb Bi Bi Po Pb Bi Po Pb Radioaktiiviset hajoamisketjut päättyvät aina lyijyn (Pb) isotooppeihin, jotka ovat pysyviä (ks. F5, s ). Ilmassa hajoamisen takia muodostuneet polonium, lyijy ja vismutti tarttuvat kiinteinä aineina ilman pölyhiukkasiin ja kulkeutuvat hengityksen mukana keuhkoihin ja voivat lisätä keuhkosyöpäriskiä. Radon pääsee huoneilmaan betoniharkkojen läpi sekä putkien ja sähköjohtojen läpivientiaukoista. Sitä pääsee myös rakenteiden koloista ja halkeamista korvausilman mukana sekä radonpitoisen veden mukana. Myös porakaivojen vesi on merkittävä radonlähde (ks. F5, s. 129). Kuva 2. Radonin-222 synty ja kulkeutuminen huoneistoon. (F1, s. 105, F5, s. 129).

3 Ulkoilman radonpitoisuus on noin 10 Bq/m 3, huoneilman Bq/m 3. Maassa olevassa huokosilmassa on radonista (Rn) johtuvaa aktiivisuutta Bq/m 3. Uusien asuntojen radonista johtuva aktiivisuus ei saa ylittää arvoa 200 Bq/m 3. Asunnon radonkorjausraja on 400 Bq/m 3. suomessa keskimääräinen radonpitoisuus pientaloissa on noin 145 Bq/m 3 ja kerrostaloissa 80 Bq/m 3. Työpaikoilla radonista johtuva aktiivisuus ei saa ylittää arvoa 400 Bq/m 3. Vesilaitosten veden ja elintarvikkeissa olevan veden radonpitoisuus saa olla korkeintaan 300 Bq/l. ihmisen elimistön kalium sisältää radioaktiivista kalium-isotooppia muutama tuhat becquerelia. Suomalaisissa on radioaktiivista cesiumia keskimäärin muutama sata becquerelia. Rakennusten radonpitoisuutta voidaan pienentää radonkorjaamisella, jonka tarkoituksena on pyrkiä estämään radonin pääsy huoneistoon että pyrkiä poistamaan huoneistoon päässyt radonkaasu. Radonkorjaamisessa käytettyjä keinoja ovat ilmanvaihdon tehostaminen, rakenteiden tiivistäminen (asuinrakennuksen tiivis alapohja) sekä kellarin tuuletuksen parantaminen. Talon alla olevaan huokoiseen maakerrokseen voidaan rakentaa hyvä ilmanvaihto, jota lisäksi voidaan parantaa puhaltimilla. Korjausrakentamisella on onnistuttu pienentämään radonpitoisuuksia kymmenenteen osaan alkuperäisestä. Radonin määrää voidaan mitata ns. mittauspurkeilla (ks. kuva 3). Purkin reikien kautta ilma pääsee purkissa olevalle muovikalvolle. Alfasäteet aiheuttavat muoviin jälkiä, jotka saadaan näkyviin. Jälkien määrä on riippuvainen radonin määrästä ja mittausajasta. Kuva 3. Radonin Mittauspurkki. Kuva 4. Eräitä aktiivisuuksia.

4 Säteilyn yksikkönä käytetään (keskimääräistä) aktiivisuutta A, joka määritellään tiettynä aikana näytteessä tapahtuvien hajoamisten lukumääränä jaettuna tällä ajalla; N A =. t 1 SI-järjestelmässä aktiivisuuden yksikkö on [ A ] = = Bq (becquerel). s Jos näytteen aktiivisuus A = 1 Bq, niin näytteessä tapahtuu keskimäärin yksi hajoaminen sekuntia kohti. Säteilyn yksiköitä on lukuisia muitakin, mutta niitä ei nyt tässä lähemmin tarkastella (ks. F1 s , F5 s ( ), MAOL s.67,70,101 (98)). RADIOAKTIIVISTEN SÄTEILYLÄHTEIDEN KÄSITTELYOHJEITA: Käytettävät säteilylähteet on hyväksytty opetuskäyttöön Säteilyturvakeskuksen tyyppitarkastuksessa (STUK 106/322/90). Säteilylähteitä on säilytettävä lukittavassa varastokaapissa, joka on mahdollisimman etäällä laboratoriossa työskentelevistä henkilöistä. Radioaktiiviset aineet on suljettu metallifolion sisään ja sitten peitetty metalliverkolla, joka suojaa lähdemateriaalia mekaanisilta vaurioilta estämättä kuitenkaan alfa- ja beetasäteilyn ulospääsyä. Käsittele lähteitä vain pitkillä pinseteillä siten, että lähteiden ikkunaosa on poispäin henkilöistä ja että lähteen ja käyttäjän välinen etäisyys pysyy vähintään 30 cm:nä. (Pinsetit on erityisesti suunniteltu tähän tarkoitukseen). Pane aina lähde lyijyllä vuorattuun säilytyslaatikkoonsa välittömästi käytön jälkeen. Kädet on hyvä aina pestä heti työvuoron päätyttyä. MITTAUSPÖYTÄKIRJA Suoritusohjeita Mitataan ensin taustasäteilyn suuruus annosnopeutena (µsv/h). Geigerputki voidaan sijoittaa pöydälle vaaka-asentoon. Sitten mitataan taustasäteilyn suuruus (pulssia/min) kolmen mittauksen keskiarvona. Geigerputki voidaan sijoittaa pöydälle vaaka-asentoon ja suorittaa kolme mittausta (IMP/min). Taustasäteilymittaukset kirjataan taulukkoon 1. Seuraavaksi mitataan viiden näytteen (neljä radioaktiivista mineraalinäytettä; 33071) ja Strontium-90 (33055) pulssimäärä (pulssia/min). Geigerputken ikkunan etäisyys säteilylähteestä voi olla esim. 4,0 cm. Radioaktiiviset mineraalinäytteet ovat 1. torberniitti, 2. monatsiitti, 3. autuniitti, 4. davidiitti. Nämä ovat uraania ja toriumia sisältäviä maametalleja, jotka lähettävät elektronisäteilyä ja gammasäteilyä. Strontium-90 säteilylähde (33055) sisältää 5 µci strontium-90 isotooppia tasapainossa tytärnuklidinsa yttrium-90:n kanssa seostettuna hopealevyyn, joka päästää suurimman osan beetasäteilystä lävitseen. Lähde on beetasäteilijä (185 kbq). Srontium-90:n puoliintumisaika on 28,5 a ja yttrium-90:n puoliintumisaika on 64,0 d (MAOL s. 104 (101)). Mittauslaitteisto on esitetty kuvassa 5.

5 Kuva 5. Mittauslaitteisto. Jokaisesta suoritetusta pulssimäärien (pulssia/min) mittauksista vähennetään kolmen taustasäteilymittauksen keskiarvo. 4 cm Mittaustulokset kirjataan taulukkoon 2. säteilylähde MITTAUSPÖYTÄKIRJA Taustasäteilyn suuruus (annosnopeus) on µsv / h. Taulukko 1. Taustasäteilymittaukset. Mittaus i pulssia/min Keskiarvo: x Taulukko 2. Mittaukset (säteilylähde, pulssimäärä minuutissa, etäisyys 4,0 cm). Säteilylähde Intensiteetti I o Intensiteetti I = I o - x (pulssia/min) (pulssia/min) Taustasäteily mukana. Taustasäteily vähennettynä. Näyte 1 Näyte 2 Näyte 3 Näyte 4 Sr-90 A. Mikä säteilylähde oli voimakkain ja mikä heikoin? B. Piirrä pylväsdiagrammi, jossa vaaka-akselilla on säteilylähde ja pystyakselilla intensiteetti I (taustasäteily vähennettynä). Säteilylähteiden vertailu, Liite 1.

6 Liite 1.

7 C. Kysymyksiä: Mikä on geigerputken ikkunan halkaisijan suuruus? mm. 2 Arvioi geigerputken ikkunan pinta-alan suuruus: π r = mm 2 = m 2 Arvioi kämmenesi kokonaispinta-ala: m 2. Arvioi laskemalla kuinka monta säteilykvanttia kulkee kämmenesi läpi minuutissa. VASTAUS:

8 KYSYMYKSIÄ: 1) Strontium-90 on β - aktiivinen. Kirjoita hajoamisreaktio ja nimeä syntyneet hajoamistuotteet. (ks. MAOL s. 104 (101)) ) Alfa-aktiivista amerikiumia ( 95 Am ), jonka puoliintumisaika on 458 vuotta, käytetään mm. palohälyttimissä. Kirjoita hajoamisreaktio. Minkä niminen on muodostuva tytärydin? (vrt. MAOL s. 106 (103)). 3) Millainen on radonkaasu ja miten sitä muodostuu? 4) Miten huoneilman radonpitoisuutta voidaan vähentää? 5) Mistä lähteestä ihmiset saavat keskimäärin eniten säteilyä?

9 6) Selosta lyhyesti, missä suhteessa seuraavat säteilylajit ovat samankaltaisia ja missä suhteessa ne eroavat toisistaan; a) alfasäteily ja beetasäteily b) röntgensäteily ja gammasäteily c) hehkulampun valo ja laserin valo d) mikroaallot ja ultraviolettisäteily. (YO-K2000-2). 7) Radioaktiivista ainetta voi joutua ihmisen elimistöön esimerkiksi ravinnon tai hengitysilman mukana tai isotooppihoidonyhteydessä. Mitkä seikat vaikuttavat siihen, kuinka vaarallista aine on elimistölle? (YO-S ).