Atommagfizika az oktatásban

Környezeti radioaktivitás vizsgálata és szemléltetése

Nuclear Physics in Education

Győrfi, Tamás

Raics, Péter

Fizikai tudományok doktori iskola

DE--TEK--Természettudományi Kar -- Kísérleti Fizikai Tanszék

2011-06-14T06:29:40Z

2011-06-14T06:29:40Z

2011

2011-06-24

atommagfizika

Nuclear Physics

TENORM

NORM

radon

gamma-spektrometria

gamma spectrometry

diffusion cloud chamber

diffúziós ködkamra

Fizikai tudományok

Természettudományok

Tudományos munkám során kapott eredményeket az alábbi tézispontokban foglalom össze: 1. Meghatároztam a PHYWE gyártmányú diffúziós ködkamra működésének jellemzőit, a nyomkialakulás folyamatát. A háttér¬sugárzásban és egyéb folyamatokban megfigyelhető részecskéket (alfa, proton, elektron, foton) hatótávolságuk, fékezőképességük illetve kölcsönhatásaik (nyomszerkezetük) alapján azonosítottam. A diffúziós ködkamrával a következő kísérleteket végeztem: müonok észlelése, elektronok (-részecskék) mágneses eltérítése, Rutherford-szórás Ag-fólián alfa-részecskékkel, 14N(α,p)17O mag¬reakció, neutron-proton szórás, valamint felezési idő meghatározása. A sugárzások nyomait videokamerák segítségével rögzítve a ma már elsősorban csak bemutatásra használt eszköz kvantitatív mérések végzésére vált (újra) alkalmassá. A különféle nyomkialakulásokról készült képekből és video¬felvételekből adatbázist hoztam létre, amely az oktatásban jól használható. A 2006-os debreceni „Radioaktivitás: a természet része” című kiállításon megtekinthető volt az általam készített felvételekből összeállított poszter. A Miskolci Egyetem Fizika Tanszékén is felhasználták a diffúziós ködkamráról készített felvételeimet. A bajai Eötvös József Főiskolán is bemutatott „Radioaktivitás: a természet része” című kiállítás megszervezésében, lebonyolításában, és a kiállítás ismeretterjesztő honlapjának elkészítésében meghatározó szerepem volt. 2. Kifejlesztettem egy képfeldolgozó programot a diffúziós ködkamra segítségével megfigyelhető sugárzások videofelvételeinek, fény¬képeinek kiértékelésére. A program a tömörített „avi” illetve „bmp” formátumú állományokban a pixelek színe alapján megkeresi a részecskenyomokat, megállapítja azok kezdő- és végkoordinátáját, majd ezekből a hosszúságot kiszámolja. A részecskenyomot alkotó pixelek száma megadja az adott nyom területét, a terület és a hosszúság hányadosa pedig a szélességét. A ködkamrában megjelenő nyomvonalak hosszúsága függ a részecskék energiájától és irányától. A nyomhosszúság méréséből a részecskék energiája meghatározható. Energia-eloszlás, hatótávolság-energia függés számolható az adatokból. A nyomok vastagságából (a ködfonal eltűnésének idejéből) a részecskék ionizációs képességére lehet következtetni. Készítettem egy honlapot ahol a diákok elsajátíthatják a radioaktivitás megértéséhez szükséges elméleti alapokat, bővíthetik tudásukat. Egy internetes közvetítést nyújtó IP-kamerával a diffúziós ködkamrában kialakuló folyamatok valósidejű megfigyelése is lehetséges. Animációk, képekből-, videofelvételekből álló adatbázisok állnak rendelkezésre, és útmutatók alapján lehetőség nyílik az egyes kísérletek adatainak egyéni vagy csoportos feldolgozására is. 3. A Hajós-Baja borvidék 11 borpincéjében vizsgáltam a levegő 222Rn-aktivitáskoncentráció változásait két éven keresztül. A pincékben a 222Rn aktivitáskoncentráció széles határok, 0,1-4,0 kBq∙m-3 között változott. Majdnem mindegyikben megfigyelhető szezonális változás, jellemzően téli maximummal és nyári minimummal. A 222Rn aktivitáskoncentráció négy pincében meghaladta a munkahelyekre vonatkozó 1000 Bq∙m-3 cselekvési szintet. A Hajós-Baja borvidék borpincéiben a dolgozók havonta átlagosan csak 1 hetet töltenek. Ennek és a szellőzésnek is köszönhetően, az éves radon-sugárterhelésük alatta marad annak, amit folyamatos munkavégzés mellett a korlátot jelentő 1000 Bq∙m-3-ben kapnának. 4. A megengedettnél nagyobb 222Rn aktivitáskoncentráció okait vizsgálva, gamma-spektrometriai módszerrel megmértem a pincékből származó földminták NORM aktivitáskoncentrációját. A négy borpincében (és különösen az 5. számúban) mért kiugrón nagy 222Rn aktivitás¬koncentrációhoz nem tartozott a földmintákban magas NORM-aktivitás. Meg¬állapítottam, hogy a többi pincebeli minta sem mutat értékelhető korrelációt a radontartalommal az adott geokémiai körülmények között. A kapott eredményeket összehasonlítottam más területeken végzett mérések adataival és megállapítottam, hogy azok az itthon és a Föld más országaiban végzett mérések határai közé esnek (Fehér és Deme, 2010). Az egyik borpince légterében megmértem a 222Rn aktivitás¬koncentráció időbeli változását egy AlphaGUARD típusú ionizációs kamrás radonmérő műszerrel, továbbá ugyanezzel a műszerrel vizsgáltam az atmoszférikus légnyomás változását is. Azt tapasztaltam, hogy a 222Rn aktivitáskoncentráció ellentétesen változik a légnyomással. A jelenség értelmezésére a közreműködésemmel modellszámításokat végeztünk, amelynek során feltételeztük, hogy pórusgáz szivárog keresztül a pince befoglaló kőzetének falán az atmoszférikus légnyomás változásainak hatására. Modelleztem a gáz áramlását a kőzetben, valamint a pince légterében is. Figyelembe vettem a pince légterének a felszín felé való szellőzését is a pince bejáratán keresztül. A gázáramlás ismeretében modelleztem továbbá a 222Rn gáznak a befoglaló kőzetben, illetve a pince légterében való transzportját. Eredményeimet összehasonlítottam a méréssel nyert adatokkal. Megállapítottam, hogy a modell jól értelmezi a mért 222Rn aktivitáskoncentráció idősorokban megfigyelhető változásainak egy részét. A változásoknak azt a részét, amelyet ezzel a modellel nem tudtam értelmezni, más meteorológiai hatásoknak, például a külső és a belső hőmérséklet különbségből, a csapadék mennyiségtől, illetve a szélerősség változásaiból adódóknak tulajdonítottam. A radon aktivitáskoncentrációjában a pincék hossza szerinti eloszlás számított értékei és maratottnyom-detektoros adataim jól egyeznek a megfelelő keveredést mutató diffúziós állandó feltételezésével. 5. Gamma-spektrometriai módszerrel meghatároztam a Nyéki-Holt-Duna ágban lerakódott üledék korát, amelyből a felhalmozódási sebességet kiszámoltam [4]. A méréshez a 137Cs izotópot használtam. A meder¬területről származó talajszelvény elemzéséből megállapítottam, hogy a „száraz” mintában a 137Cs 35 cm körüli mélységben van most jelen, ez megfelel 58,3 cm-es mintavételi mélységnek. A vizsgált minta méretéből adódóan az 1950-es és 1960-as évek légköri atom¬bomba-robbantásaiból származó 137Cs-ot nem lehetett kimutatni. Ennek a valószínűsíthető mélysége 130 cm lehet (Braun et al., 2003). A 137Cs 1986-ban a csernobili baleset során szóródott a környezetbe, a mintavételezésre 2005-ben került sor. Lineáris modellt feltételezve, 19 év alatt az üledékképződés sebessége 3,1 cm/évnek adódik, feltéve, hogy közben a területet nem bolygatta senki és a víz sem mosta lejjebb. Ez jó egyezést mutat a geodéziai módszerrel ugyanott meghatározott 3,2 cm/év értékkel. A radioaktív szelvényezési módszert feltöltődési sebesség meghatározására mások is használták (Dezső et al., 2009). Az általam végzett mérés eredményének az említett független (Mátrai, 2010), nem-nukleáris módszerrel való jó egyezése viszont a módszer használhatóságának bizonyítását jelenti. A vizsgált minta NORM aktivitáskoncentrációja a szokásos talajok értékeit mutatta. 6. Meghatároztam a vörösiszap-katasztrófából származó minta száraz tömegre vonatkozó TENORM aktivitáskoncentrációját gamma-spektrometriával. Értéke 232Th és 238U esetén 5-6-szor nagyobb mint a NORM-aktivitásoké. (Egy gyors, kvalitatív röntgen-fluoreszcenciás analízist is elvégeztem, amely az egyéb nehéz elemek jelentős feldúsulását mutatta.) 40K-ra viszont csak egy átlagos 1,73-as arány adódott, ami ugyan növekedés, de a NORM mintáinknál a legnagyobb és legkisebb érték hányadosa is 1,75 volt. Az ugyanezen baleset más területeiről származó mintákhoz (Somlai et al., 2010) képest az általam mért NORM-aktivitások kb. feleakkorák, de a vörös iszapra jellemző értékhatárok (Jobbágy et al., 2009) közé esnek. Ezek egy 4-5-szörös tartományt fognak át, ami az alapanyagok, technológiák, valamint mintavételezési helyek különbözőségéből adódik. A vörös iszap radon-emanálóképessége mintegy kétszerese a sokkal szárazabb talajokénak. Ez a mintaszerkezetek (porozitás, szemcseméret, nedvességtartalom) különbözőségével magyarázható. Results of my investigations: 1. I determined the operational characteristics of the PHYWE made diffusion cloud chamber and the process of track formation. The particles (alpha, proton, electron, photon) were identified on the basis of their range, stopping power and interactions. I performed experiments with the diffusion cloud chamber as follows: detection of muons, magnetic deflection of electrons (-particles), alpha-induced reaction 14N(α,p)17O, Rutherford-scattering on Ag-foil by alpha-particles, neutron-proton elastic scattering, and determination of half-life. The tracks of the background and radioactive radiation were recorded with camcorders. Therefore the device used earlier mainly for presentation now is suitable (again) for performing quantitative experiments [12]. I prepared a database from pictures and videos which is very useful in education. The poster prepared from my own photos was displayed in Debrecen, 2006 in an exhibition called „Radioactivity: part of nature”. My pictures on the diffusion cloud chamber were used at the Department of Physics in Miskolc University. I played an important role in organizing and arranging the exhibition, called „Radioactivity: part of nature” which was presented in the Eötvös József College of Baja. I also prepared an educational homepage about this exhibition. 2. I have developed an image processing program for the evaluation of the video recordings and pictures of radiations which can be observed with the help of the diffusion cloud chamber. The program finds the particle tracks in the compressed „avi” and „bmp” files on the basis of the colors of the pixels. It determines their beginning and end co-ordinates and calculates the length. The number of pixels constituting the particle path gives the surface area of the given track, while the ratio of the surface area to the length gives the width. The length of the track appearing in the cloud chamber depends on the energy and direction of the particles. Measuring the track length the energy of the particles can be determined. Energy distribution and range-energy dependence can be calculated from the data. From the thickness of the tracks we can deduce the stopping power of the particles. I prepared a homepage where students can improve their knowledge about radioactivity. An internet broadcast on the processes in the diffusion cloud chamber is also available. Animations, databases containing pictures and videorecordings are prepared, too, and it is possible to process data by the help of a guide. 3. I have measured the 222Rn activity concentration of the air in 11 wine cellars in the Hajós-Baja wine region for two years. The 222Rn activity concentration in the cellars ranged between 0,1-4,0 kBq∙m-3. In almost each of them a seasonal change can be observed with a characteristics of a maximum in winter and a minimum in summer. In four cellars the 222Rn activity concentration exceeded the 1000 Bq∙m-3 action level regarding workplaces. In the wine cellars of Hajós-Baja workers spend only a week every month in average. Thanks to this fact and the ventillation their yearly radon radiation exposure remains under 1000 Bq∙m-3. 4. I have measured the NORM activity concentration of the soil samples from the cellars with gamma-spectrometry to devise the reasons why some of them had radon concentration above the limits. The rather high 222Rn activity concentration measured in four cellars (especially in 5) was not combined with high NORM-activity in the soil samples. I found that non of the cellar samples show any appreciable correlation with the radon content in the given geochemical circumstances. The results were compared to the data of other measurements carried out at other locations. I found that they do not differ much from other results in different countries of the world (Fehér and Deme 2010). The variations of atmospheric pressure and of 222Rn activity concentration in the air of a wine cellar was measured with an AlphaGAURD type ionization chamber radon monitor. It was found that the 222Rn activity concentration varies inversely with pressure. To explain this behavior we have performed model calculations, in which we have assumed that variations in the atmospheric pressure induced flow of gases through the walls of the embedding rocks. We have calculated the gas flow in the rock matrix as well in the room of the cellar. We have taken into account the ventilation of the room through the entrance. Knowing the flow pattern of the carrier gas, we have modeled the transport of 222Rn both in the embedding rock and in the room of the cellar. We have compared the results of model calculations with the measurements. It was found that the model is capable to reproduce the variations of 222Rn activity concentration to some extent. Parts of the variation that could not have been associated to pressure induced variations are assumed to be induced by other weather parameters, such as indoor and outdoor temperature differences and precipitation. Calculated radon concentration distributions along the cellars agree with the results achieved by the edged detector radon monitors if adequate mixing is supposed with the appropriate diffusion parameter. 5. I determined the age of the sediment deposited in the branch of Nyék-Holt-Duna with gamma-spectrometry to the accumulation rate. I have used the 137Cs isotope for this measurement. Analyzing the soil profile from the area of the river bed I determined that 137Cs is present in the „dry” sample in a depth of 35 cm which is in accordance with the 58,3 cm sampling depth. From the size of the sample the 137Cs isotope could not be revealed originating from the atomic blast of the 1950s and 1960s. Its estimated depth may be 130 cm (Braun et al., 2003). The nuclide 137Cs spreaded into the atmosphere in 1986 after the Chernobyl accident. The sampling took place in 2005. Supposing a linear model during 19 years the speed of sedimentation is 3,1 cm/year presuming that the area remained undisturbed and it had not been washed off. This value is in good agreement with the value of 3,2 cm/year determined at the same place with the geodesic method. This radioactive profiling method was already used for determining the speed of sedimentation (Dezső et al., 2009). The results of my measurements correspond well with the independent, non-nuclear results, which proves the applicability of the method. The NORM activity concentration of the examined sample shows the values of usual soils. 6. I determined the TENORM activity concentration of a sample originating from the redsludge catastrophe with gamma-spectrometry. The activity concentrations of 232Th and 238U are 5-6 times higher than the NORM ones while 40K values differ with an average factor of 1,73 only. The latter result, however, is not too significant considering the ~1,75 range spread in our soil NORM data for potassium but the increase is obvious. Enrichment in heavy element concentration may clearly be observed in the present redsludge sample. Compared to samples originating from other areas of the same accident my results on NORM-activities are about half of them (Somlai et al., 2010), however they fall between the limits typical of red sludge (Jobbágy et al., 2009). They comprehend a quadruple or quintaple range which derives from the diversity of the basic materials, technologies and the areas of the samplings. The ability of radon-emanation of red sludge is about twice as much as of the drier soils. It can be explained with the differences of the sample structures (porosity, size of the small particles, moisture content).

magyar

application/pdf

application/pdf

application/pdf

application/pdf

116

application/pdf

application/pdf

application/pdf

application/pdf

http://hdl.handle.net/2437/109239