TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1/7 40D. RADIOAKTIIVISUUSTUTKIMUKSIA 1. TYÖN TAVOITE 2. TEORIAA Työssä tutustutaan radioaktiiviseen säteilyn kuvaamisessa käytettäviin käsitteisiin ja fysikaalisiin lakeihin, säteilyn mittausmenetelmiin sekä säteilysuojaukseen. Sovelluksina määritetään eräälle absorboivalle materiaalille tietyn radioaktiivisen isotoopin lähettämän gammasäteilyn puoliintumispaksuus ja massa-absorptiokerroin sekä toisen isotoopin radioaktiivisen hajoamisen puoliintumisaika ja hajoamisvakio. Radioaktiivinen hajoaminen noudattaa hajoamislakia: hajoamisnopeus eli aikayksikössä tapahtuvien hajoamisten lukumäärä on suoraan verrannollinen näytteessä olevien radioaktiivisten ytimien lukumäärään: dn dt = λn. (1) Tässä N on näytteen radioaktiivisten ytimien lukumäärä ajanhetkellä t ja verrannollisuuskerroin on ko. hajoamisen hajoamisvakio λ ([λ] = s -1 ). Sekä N että λ ovat positiivisia ja lausekkeen miinusmerkki merkitsee sitä, että ytimien määrän muutos on negatiivinen: määrä N vähenee hajoamisen edetessä. Integroimalla tämä yhtälö saadaan lauseke, josta saadaan ajan t kuluttua jäljellä olevien radioaktiivisten ytimien määrä: λ. (2) Tässä N 0 on alkuperäinen eli ajanhetkellä t = 0 s näytteessä olleiden radioaktiivisten ytimien lukumäärä. Radioaktiivisten atomien lukumäärä vähenee siis eksponentiaalisesti ajan funktiona. Aikaa, jonka kuluessa puolet radioaktiivisista atomeista on hajonnut, sanotaan puoliintumisajaksi T ½. Yhtälöstä (2) saadaan puoliintumisajalle ja hajoamisvakiolle yhteys T 12 ln2 =. (3) λ Radioaktiivisen näytteen aktiivisuus A on näytteessä aikayksikössä tapahtuvien radioaktiivisten hajoamisten lukumäärä ([A] = Bq, becquerel, 1 Bq = 1 s -1 eli 1 hajoaminen sekunnissa). Aktiivisuus on siis täsmälleen hajoamisnopeuden vastasuure:. (4) Aktiivisuus noudattaa siten eksponenttilakia, jossa on sama aikariippuvuus kuin lausekkeessa (2), eli ajan myötä aktiivisuus vähenee samalla puoliintumisajalla kuin hajoavien ytimien määrä: λ. (5)
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 2/7 Gammasäteily absorboituu väliaineeseen kvantteina, ts. etenevät gammahiukkaset poistuvat etenemissuunnassaan säteilyvuosta yksitellen, samoin kuin hajoamista odottavien radioaktiivisten ytimien määrä vähenee yksittäin. Gammasäteilyn absorboitumissa sen kulkiessa aineen läpi voidaan siis kuvata lausekkeen (1) muotoisella lailla, jossa säteilyn intensiteetti I korvaa ytimien määrän ja hajoamisvakion korvaa väliaineen lineaarinen absorptiokerroin α. Ratkaisuna saadaan lausekkeen (2) kaltainen lauseke α. (6) Tässä alkuperäinen säteilyn intensiteetti I 0 on vähentynyt arvoon I(l), kun säteily on kulkenut l:n paksuisen ainekerroksen läpi ([l] = m). Lineaarinen absorptiokerroin α ([α] = m -1 ) riippuu läpäistävästä aineesta ja gammasäteilykvanttien energiasta. Aineen absorptiokyky riippuu siitä, kuinka tiheässä siinä on ytimiä säteilyn kulkureitillä: ohut kerros tiheää ainetta voi absorboida säteilyä yhtä paljon kuin paksu kerros harvaa. Eri aineiden absorptiokykyjä voidaan vertailla, kun ainekerroksen paksuuden l sijasta käytetään läpäistävän ainekerroksen pintatiheyttä σ, joka on läpäistyn ainekerroksen massa pinta-alayksikköä kohti ( ) säteilyn kulkusuunnassa ([σ] = kg/m2 tai g/cm 2 ). Tällöin absorptiolaissa (6) korvataan lineaarinen absorptiokerroin α massa-absorptiokertoimella β seuraavasti: α β σ. (7) Näin saadaan ainekerroksen σ läpäisseen säteilyn intensiteetille lauseke, jossa on samanmuotoinen eksponentiaalinen vaimennus kuin lausekkeessa (6), mutta nyt läpäistyn kerroksen pintatiheyden σ funktiona: σ βσ, (8) Koska aineen tilavuustiheys on σ, ([ρ] = kg/m3 tai g/cm 3 ) niin lineaarisen ja massa-absorptiokertoimen yhteys on toisaalta βσ. (9) Kun läpäisty ainekerros on niin paksu, että vain puolet säteilystä pääsee sen läpi (I = I 0 /2), niin kyseisen kerroksen lineaarista paksuutta l ½ ja vastaavaa pintatiheyttä σ ½ sanotaan ko. aineen lineaariseksi puoliintumispaksuudeksi ja massapuoliintumispaksuudeksi ko. säteilyn suhteen. Edellisistä kaavoista saadaan puoliintumispaksuuksien ja absorptiokertoimien välisiksi yhteyksiksi ½ ja ½. (10)
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 3/7 3. SÄTEILYN HAVAITSEMISESTA Radioaktiivisuuden havaitsemismenetelmät perustuvat säteilyn aineessa tuottamien reaktioiden havaitsemiseen. Eri säteilylajeilla nämä reaktiot ovat erilaisia ja toisaalta tietyn säteilylajin tuottamat reaktiot riippuvat myös säteilyhiukkasten energiasta. Kaikkien eri radioaktiivisuuslajien havaitsemiseen soveltuvaa yleismittaria ei siis ole olemassa, vaan eri tarkoituksiin on suunniteltava omat ilmaisimensa. 3.1. Ionisoivan säteilyn havaitseminen Ionisoivaan säteilyyn kuuluvat varatut hiukkaset (ionisoituneet atomit ja elektronit ja niiden vastahiukkaset positronit) sekä gammmasäteilykvantit. Alfahiukkaset ovat helium-ytimiä ja betasäteily on elektroneja tai niiden vastahiukkasia positroneja. Gammasäteily koostuu suurienergisistä sähkömagneettisen säteilyn fotoneista eli gammakvanteista. Varatut hiukkaset tuottavat ionisaatiota kulkiessaan väliaineessa eli ne irrottavat väliaineen atomeista elektroneja pitkin kulkureittiään, kunnes niiden kineettinen energia loppuu ja ne pysähtyvät väliaineeseen. Irronneet elektronit jättävät ilmaisimeen jollain keinolla havaittavan jäljen tai tuottavat heikon sähköpulssin, joka havaitaan ja rekisteröidään sopivalla laitteella. Gammakvantti törmää väliaineen elektroniin luovuttaen reaktiossa sille koko energiansa ja lakkaa siten olemasta. Reaktiossa syntyy suurienergiaisia elektroneja, jotka käyttäytyvät kuin tavallinen betasäteily, ja mahdollisesti matalaenergiaisempia gammakvantteja. Gammasäteilyn havaitsemiseen soveltuvat siten samantyyppiset ilmaisimet kuin alfa- ja betasäteilyjen havaitsemiseen. Ionisoivan säteilyn haitallisuus eliöille johtuu niiden kudoksissa tuottamasta ionisaatiosta: ne rikkovat solujen atomeja ja molekyylejä. Ionisoivalta säteilyltä suojautumisessa käytetään tiheydeltään suuria aineita, joilla saadaan aikaan voimakas absorptio (vrt. lausekkeet 6 9), esimerkiksi lyijyä, betonia tai kiveä. 3.2. Neutronisäteilyn havaitseminen Ydinreaktioissa syntyvä neutronisäteily on myös eräs radioaktiivisuuden muoto, jonka vuorovaikutus väliaineen kanssa poikkeaa täysin edellä kuvatusta sähköisten hiukkasten vuorovaikutuksista. Neutronit ovat sähköisesti neutraaleja eivätkä ne tuota väliaineessa kulkiessaan ionisaatiota, eli ne pystyvät kulkemaan väliaineen atomien joukossa ja niiden läpi reagoimatta mitenkään. Tilanne muuttuu, jos neutroni osuu atomin ytimeen tuottaen ydinreaktion. Neutronireaktion laatu riippuu neutronin energiasta ja kohtioytimen massasta, mutta periaatteessa yleensä kohtioydin hajoaa. Nopeat neutronit reagoivat heikommin kuin hitaat ja reaktiot ovat rajumpia, kun kohtioydin on kevyt. Ilmiöitä voi kuvailla seuraavasti. Hitaat neutronit oleskelevat kohtioytimen luona pitempään kuin nopeat ja ehtivät siten saada aikaan rajumpia reaktioita kuin nopeat neutronit. Kohtioytimen massan vaikutus liittyy kappaleiden liikemääriin ja törmäysenergian jakautumiseen törmääjien kesken. Tilannetta voi verrata arkimaailman törmäyksiin, joissa toisaalta biljardipallo törmää toiseen biljardipalloon tai toisaalta biljardipallo osuu autoon: edellisessä tapauksessa kohtiopalloon kohdistuu paljon suurempi vaikutus kuin jälkimmäisen tapauksen kohtioautoon.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 4/7 Neutronisäteilyn ilmaiseminen perustuu sen aiheuttamien ydinreaktioiden tuloshiukkasten havaitsemiseen. Nämä reaktiotuotteet voivat olla raskaita varattuja ytimiä, jotka väliaineessa kulkiessaan ionisoivat sitä ja ovat havaittavissa siis samankaltaisilla menetelmillä kuin alfa- ja betasäteily. Osassa reaktioita voi syntyä myös gammakvantteja, jotka voidaan havaita omilla menetelmillään. Neutronisäteilyn haitallisuus eliöille perustuu siihen, että organismeissa on paljon vettä ja muita molekyylejä, joissa on runsaasti kevyitä ytimiä, jotka ovat herkkiä neutronisäteilyn vaikutuksille. Neutronisäteilyltä suojautuminen poikkeaa täysin ionisoivalta säteilyltä suojautumisesta: tarvitaan paksu kerros jotain keskimääräiseltä atomipainoltaan kevyttä ainetta, jonka kanssa neutronisäteily reagoi hanakasti, esim. vettä, grafiittia (eli hiiltä) tai parafiinia tms. hiilivety-yhdistettä. 3.3. Säteilyn tilastollinen luonne Radioaktiivinen hajoaminen on satunnainen tapahtuma: etukäteen ei voida sanoa, millä täsmällisellä ajanhetkellä jokin tietty ydin hajoaa, vaan kaikilla ytimillä on tietty todennäköiyys hajota tietyn tarkkailuajan kuluessa. Yhtälöt (1) - (5) ovat tilastollisia: ne antavat kyseisten suureitten keskiarvot, kun havainnointiaika on pitkä ja hajoamisia on ehtinyt tapahtua vähintään kohtuullisen paljon. Mittaustuloksissa tapahtuman tilastollinen luonne näkyy siten, että peräkkäisillä yhtäpitkillä havaintojaksoilla ei saada aivan samoja tuloksia, vaikka mittalaitetta tai mittaustapaa parannettaisiin, vaan niissä on aina hajontaa, joka noudattaa tiettyjä tilastollisia lakeja. Jos tietyn pituisena aikana havaitaan n pulssia, on pulssimäärän tilastollisen hajonnan suuruus eli standardipoikkeama ± n. Hajontaa voidaan pitää mittauksen tarkkuutena, ts. sen virheenä, joten mittauksen suhteellinen virhe on. Siis mitä enemmän pulsseja havaitaan, sitä pienempi on suhteellinen virhe ja sitä parempi on mittauksen tarkkuus. Mittaustarkkuutta saadaan siis parannettua pidentämällä mittausaikaa, jolloin suhteellisen virheen lausekkeen nimittäjässä oleva n kasvaa. Jos pulssien laskentataajuus eli pulssien määrä aikayksikössä on suuri, niin hyvä tarkkuus saavutetaan nopeasti, kun taas pienellä laskentataajuudella voidaan joutua mittaamaan pitkän aikaa riittävän hyvän tarkkuuden saavuttamiseksi. Radioaktiivisesta säteilystä koituvien biologisten haittojen katsotaan ainakin osaksi olevan kumuloituvia eli koko elinaikana saadun säteilyn määrä ja vaikutukset summautuvat. Niiden haittaa voi siis vähentää lyhentämällä säteilylle altistumisen aikaa ja siten sen kuluessa kertyvää säteilyannosta. Hitaasti kertyvän säteilyannoksen määrää seurataan säteilylle alttiissa työpaikassa työskentelevien kantamilla dosimetreillä, joilla joiden tallentamat säteilyannokset mitataan jälkikäteen. Lukemien tulee pysyä sallittujen rajojen sisällä. Muuten ryhdytään työympäristön säteilysuojauksen parantamiseen. Toisaalta tiettyjen ammattiryhmien työntekijät saavat pitää ylimääräisiä säteilylomia, joilloin altistumisesta pidetään toipumistauko (esim. röntgenhoitajat). 3.4. Mittausgeometrian vaikutus Säteilylähde emittoi (lähettää) säteilyhiukkasia satunnaisesti ja tasaisesti koko avaruuteen ympärilleen, jollei sitä ole kapseloitu sellaiseen säiliöön, josta säteilyä pääsee vain johonkin tiettyyn suuntaan. Säteilyilmaisimissa on samoin jokin ikkuna, josta säteily
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 5/7 tunkeutuu helpoiten ilmaisimeen. Ilmaisin asetetaan tietylle etäisyydelle lähteestä, jolloin ilmaisimeen voi osua se osa säteilystä, joka lähtee siihen avaruuskulmaan, joka ilmaisimen ikkuna peittää (ks. kuva 1.). Jos ilmaisimen ikkunan pinta-ala on A ja se on etäisyydellä r säteilylähteestä, tämä avaruuskulma on. Tällöin siis lähteen lähettämästä täyteen avaruuskulmaan 4π lähettämästä säteilystä havaitaan osa π eli se osa r-säteisen pallon pinnasta, jonka ilmaisimen ikkuna peittää. Useimmissa radioaktiivissa hajoamisissa ja reaktioissa syntyy sekä ionisoivia hiukkasia että gammasäteilyä, jotka tuottavat GM-putkessa reaktion, joten GM-putkia voi käyttää radioaktiivisen säteilyn yleisilmaisimena. GM-putkella ei voi erotella sitä, minkälajiset hiukkaset pulsseja tuottavat, vaan kaikki summautuvat yhteen. Gammasäteilyn absorptiota tutkittaessa putken ikkunan ja näytteen väliin lisätään absorbaattoriainetta ja mittauslaitteisto laskee pulssit, jotka näytteestä tulevat säteilyhiukkaset (lähteestä riippuen pelkästään gamma- tai gamma- ja betahiukkaset) tuottavat tietyn pituisina aikaväω Rekisteröityvä osuus kokonaissäteilystä vähenee siis voimakkaasti näytteen ja ilmaisimen välimatkan kasvaessa. Tähän perustuu myös yksi säteilyltäsuojautumismenetelmä: menemällä kaksi kertaa kauemmas lähteestä siitä osuvan säteilyn määrä vähenee neljänteen osaan. Kuva 1. Mittausgeometria. 3.5. Geiger-Müller putki Tässä työssä radioaktiivinen säteily ilmaistaan ns. Geiger-Müller putkella (GM-putki), joka on ns. kaasuionisaatioilmaisin. Kaasuionisaatioilmaisimet ovat harvalla kaasulla täytettyjä säiliöitä, joissa kahden elektrodin (johtimen), yleensä säiliön kuoren ja säiliön keskellä olevan metallilangan välille kytketään käyttöjännite, joka ilmaisimesta riippuen on muutamia satoja voltteja tai kilovoltteja. Kaasutilaan tunkeutuvat säteilyhiukkaset ionisoivat täytekaasua, ts. ne irrottavat elektroneja kaasuatomeista tai molekyyleistä. Irronneet elektronit alkavat kiihtyä ilmaisimen sähkökentässä ja törmäävät sitten suurella nopeudella seuraaviin kaasuatomeihin, joita ne ionisoivat jne. Syntyy ketjureaktio, jossa elektronien lukumäärä moninkertaistuu nopeasti. Lopulta syntynyt elektroniryöppy osuu positiiviselle elektrodille osittain neutraloiden elektrodien välistä jännitettä. Hetkellinen jännitteenlasku rekisteröidään elektronisesti ja tuloksena voidaan myös tuottaa äänipulssi. Pulssin jälkeen kestää hetken ennen kuin ilmaisimen sähkökenttä palautuu tarpeeksi voimakkaaksi, jotta seuraava pulssi voidaan rekisteröidä. Mikäli pulssitaajuus on suuri, voi tämä ilmaisimen toimintakyvyttömän ns. kuolleen ajan osuus kokonaismittausajasta käydä niin suureksi, että se vääristää mittaustuloksia. Tilanne on korjattavissa esim. lisäämällä ilmaisimen ja lähteen välimatkaa.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 6/7 4. TYÖN SUORITUS leinä. Näistä lasketaan tietyn absorbaattoripaksuuden läpäisseiden säteilyhiukkasten määrät aikayksikössä (joko minuutissa tai sekunnissa). Puoliintumisaikamittauksessa GM-putki ohjaa piirturia, jonka piirtämästä kuvaajasta nähdään pulssitaajuus, ts. näytteen aktiivisuus ajan funktiona. Työssä on kaksi osaa, joista ensimmäisessä tutkitaan tietyn gammalähteen säteilyn absorboitumista johonkin (valvojan määräämään) materiaaliin. Toisessa osassa määritetään jonkin radioaktiivisen isotoopin puoliintumisaika rekisteröiden sen lähettämää säteilyä riittävän pitkän ajan. Mittaukset voidaan suorittaa samanaikaisesti omilla laitteistoillaan. Mittaukset voidaan ajan säästämiseksi suorittaa sopivasti suunnitellen samanaikaisesti omilla laitteistoillaan. Laitteiden tarkemmat käyttöohjeet ovat työpaikalla. Kummallakin laitteistolla mitataan taustasäteilyn, ts. laitteiston ympäristöstä ilmaisimeen muualta kuin lähteestä tulevan säteilyn määrä omalla tavallaan. Tämä taustasäteily on peräisin sekä maaperästä ja ympäröivästä ilmasta sekä avaruudesta (kosminen säteily). Taustasäteily on usein niin vaikeasti eliminoitavissa, että on helpompi mitata se erikseen ja vähentää sen osuus varsinaisista mittaustuloksista. 4.1. Gammasäteilyn absorptio Laitteistolla mitataan ensin taustasäteilyn pulsseja vähintään 5 minuuttia, mielellään jopa 10 min. (Taustamittauksen aikana voi käynnistää puoliintumisaikamittauksen.) Sitten mittaustelineeseen lisätään tutkittava näyte, jonka valvoja antaa. Mitataan pulssitaajuudet tietyillä laskenta-ajoilla lisäten eripaksuiset absorbaattorikerrokset näytteen ja ilmaisimen väliin. Laskenta-aikojen ei tarvitse olla samat eri paksuuksilla, pikemminkin päinvastoin: paksummilla kerroksilla on hyvä laskea pitempään, jotta mittauksen tarkkuus pysyisi kohtuullisena, ts. kokonaispulssimäärän tietyllä paksuudella on ylitettävä tietty minimi. Paksuimmilla kerroksilla lähes kaikki säteily absorboituu ja laskenta-ajat saavat olla samat kuin taustamittauksissa. Ohuemmilla kerroksilla lyhyempi aika riittää. Tuloksista lasketaan laskentataajuudet (pulssien määrä joko sekuntia, minuuttia tai 100 sekuntia kohti) taustasäteilylle ja kullekin absorbaattoripaksuudelle. Taustan osuus vähennetään näytteen laskentataajuuksista ja lopuksi näytteen laskentataajuuksista piirretään puolilogatrimipaperille kuvaaja, jossa esitetään ½-lg-asteikolla näytteen laskentataajuus absorbaattorikerroksen paksuuden funktiona. Kuvaajasta määritetään lineaarinen absorbtiokerroin (ks. kuva 2), josta lasketaan absorbaattorin tiheyden avulla ko. säteilyn massa-absorptiokerroin. Lineaarisen absorptiokertoimen virhe arvioidaan kuvaajan perusteella. Massa-absorptiokertoimen virhe lasketaan kaavasta α α. (11) 4.2. Isotoopin puoliintumisaika Työn tässä osassa tutkitaan neutroniaktivoinnilla tuotetun isotoopin hajoamista. Valvoja on aktivoinut näytteen etukäteen. Pulssitaajuus rekisteröidään piirturilla, jonka tarkemmat käyttöohjeet ovat työpaikalla. Aluksi piirretään piirturin nollaviivaa riittävän pit-
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 7/7 kään (GM-laskuriin ei ole kytketty virtaa eikä näyte ole paikallaan) ja sitten rekisteröidään taustan tuottama pulssitaajuus kytkemällä GM-putkeen virta. Sen jälkeen pyydetään valvojaa asettamaan näyte mittaustelineeseen (näytettä EI oteta omin päin aktivointikammiosta! Kammion kantta EI SAA AVATA!) ja aloitetaan varsinainen mittaus. Näytteen tuottamaa pulssitaajuutta rekisteröidään työpaikan ohjeen mukaisin asetuksin riittävän kauan (vähintään tunti). Piirturin piirtäessä voi tehdä gammasäteilyn absorptiomittauksia. Kun on todettu, että säteilyn aktiivisuus (tausta vähennettynä) on pienentynyt selvästi alle puoleen alkuperäisestä, pyydetään valvoja poistamaan näyte. Sitten mitataan (tarkistuksen vuoksi) taustan laskentataajuutta kuten alussa ja lopuksi GMputken virta kytketään pois ja mitataan ilmaisimen nollaviiva uudelleen. Piirturin piirtämän käyrän keskelle sitä myötäillen ja tasoittaen piirretään näytteen aktiivisuuskäyrä (HUOM. ei suora). Taustan keskiarvoja ja nollaviivaa esittävät vaakasuorat viivat piirretään viivoittimella ja tarkistetaan, ettei kumpikaan ole siirtynyt mittauksen aikana. Sitten kuvaajasta mitataan, missä ajassa (piirturin paperin siirtonopeuden avulla laskien) näytteen aktiivisuus on laskenut puoleen alkuperäisestä taustan laskentataajuus vähentäen. Puoliintumisajalle arvoidaan virhe kuvaajan perusteella. Puoliintumisajasta lasketaan hajoamisvakio virherajoineen ko. isotoopille (puoliintumisajan ja hajoamisvakion suhteelliset virheet ovat yhtäsuuret). Lopuksi näiden tietojen avulla pyritään tunnistamaan tutkittu isotooppi. I (1/min) V 1.2011 I 0 I 0 2 0 l ½ l (mm) Kuva 2. Pulssien lukumäärä absorbaattorikerroksen paksuuden funktiona. 5. KIRJALLISUUTTA Lisää tietoa löytyy esimerkiksi seuraavasta teoksesta: Toivonen, Harri, Rytömaa, Tapio, Vuorinen, Antti. Säteily ja Turvallisuus. Helsinki: Valtion Painatuskeskus ja Säteilyturvakeskus, 1988.