Mentor: Kandidat:
Doc.dr. Dušan Mrđa Aleksandar Radukin Kosanović
Novi Sad, novembar 2008
Diplomski rad Merenje koeficijenta difuzije radona kroz građevinske materijale
Sadržaj:
1. Uvod.........................................................................................................................................1
2. Opšti deo..................................................................................................................................2
2.1. Nastanak i karakteristike radona...................................................................................2
2.2. Radioaktivni nizovi.......................................................................................................4
2.2.1. Raspad radona.....................................................................................................6
2.2.2. Raspad torona......................................................................................................7
2.3. Faktori koji utiču na koncentraciju radona u zatvorenim prostorijama......................11
2.3.1. Zemljište kao izvor radona i poroznost zemljišta............................................11
2.3.2. Faktori koji utiču na povećanje koncentracije radona.................................... 13
2.3.3. Visinska raspodela koncentracije radona.........................................................16
2.3.4. Vremenska zavisnost koncentracije radona.....................................................17
2.3.5. Uticaj radona i radonovih potomaka na čoveka...............................................18
2.4. Problem radona u niskofonskim laboratorijama.........................................................20
2.4.1. Podzemna niskofonska laboratorija u Zemunu............................................... 21
3. Merenje koeficijenta difuzije radona kroz različite građevinske materijale...........................23
3.1.
Teorijska osnova računanja........................................................................................23
3.1.1.
Proces difuzije..................................................................................................23
3.1.2. Proces advekcije...............................................................................................24
3.1.3.
Koncentracija radona.......................................................................................25
3.1.4.
Ekshalacija radona iz zemljišta u otvoren prostor...........................................26
3.1.5.
Ekshalacija iz zemljišta u zatvoren prostor......................................................27
3.1.6.
Uticaj Darsijevog toka na ekshalaciju radona iz ploče....................................27
3.1.7.
Difuzija radona kroz materijal određene debljine............................................28
3.2.
Opis eksperimentalne aparature................................................................................31
3.2.1.
Alfa spektrometrijska metoda - RAD7 detektor.............................................31
3.2.2.
Eksikatorska posuda........................................................................................35
3.2.3.
Radioaktivni uzorak i specifična aktivnost radona.........................................36
3.2.4.
Ispitivani materijali.........................................................................................37
3.3.
Realizacija eksperimenta..........................................................................................40
3.3.1.
Metodologija merenja i objašnjenje eksperimentalne postavke.....................40
3.3.2.
Dnevnik rada...................................................................................................44
3.4.
Podaci dobijeni merenjem.........................................................................................46
4. Zaključak................................................................................................................................68
5. Literatura................................................................................................................................69
Kratka biografija....................................................................................................................71
Dokumentacijska informacija................................................................................................72
Diplomski rad Merenje koeficijenta difuzije radona kroz građevinske materijale
2
2. OPŠTI DEO
2.1. astanak i karakteristike radona
222
86
Rn
Friedrih Ernst Dorn je otkrio 1900 godine. da radijum
226
88
Ra emanira gas, koji je
isprva nazvao ,,Niton” (od Latinske reči
nitens
koja znači sijati). Ovaj gas je kasnije
nazvan ,,radon” 1923. godine. Nešto ranije 1908. godine, Vilijam Ramsej i Robert Grej
su izolovali radon i odredili njegovu gustinu, a to je tada bila najveća gustina od svih
poznatih gasova. Radon je prirodan radioaktivan gas bez ukusa i mirisa, čija je gustina
sedam i po puta veća od gustine vazduha. Nastaje
α - raspadom radijuma
226
88
Ra ,
rastvorljiv je u vodi i može lako da difunduje sa gasovitom i vodenom fazom i na taj
način obrazuje značajne koncentracije, što i čini radioaktivno zagađenje nekog prostora
sa radijumom. Sa stanovišta nuklearne fizike, radon spada u
α -emitere: vreme
poluraspada radona je
3.824
τ
≈
dana i emituje
α - česticu energije
α
E =5.5MeV , što je
energija dovoljna da se izvrši jonizacija nekoliko hiljada atoma, dok sa stanovišta
medicinske fizike bitne osobine su: vreme polueliminacije radona iz pluća je 30 minuta, a
iz ostalih tkiva vreme polueliminacije je 15 minuta. Zbog energije emitovane
α -čestice
α
E =5.5MeV radon u tkivu živih bića vrši jonizaciju oko trideset hiljada atoma u ćeliji
živih bića, što ima najveći efekat na tkiva respiratornog sistema kod čoveka.
Ispitivanjima je utvrđeno je da se svi prirodni radioizotopi rednog broja Z>82
mogu grupisati u tri radioaktivna niza (porodice), a između članova jednog niza postoji
genetska veza. Od izotopa praroditelja, koji su na čelu niza i imaju veoma dug period
poluraspada, sukcesivnim radioaktivnim raspadima nastaju radioaktivni elementi
odnosno potomci. Poslednji član niza je jedan od stabilnih izotopa olova
206
82
Pb , koji ima
dvostruki magični broj i najveću energiju veze, gde se završavaju radioaktivni nizovi.
Ovaj izotop olova je i najstabilniji elemenat u prirodi i svi radioaktivni lanci, ali i sinteza
elemenata usled fuzije teže ovom izotopu. Prirodna radioaktivnost potiče prvenstveno od
tri prirodna radioaktivna niza čiji su rodonačelnici:
232
Th ,
238
U i
235
U , kao i od kalijuma
40
K . Slike 1, 2 i 3 pokazuju nizove, kao i odgovarajuće energije emitovanih gama
kvanata i čestica, ali i verovatnoću emisije po svakom raspadnutom članu niza.
Radioizotopi
232
Th ,
238
U i
235
U imaju ekstremno duge periode poluraspada, koji
su za nekoliko redova veličine veći od perioda poruraspada njihovih potomaka, dok se za
odgovarajuć izotop olova
206
82
Pb smatra da je stabilan i da se dalje ne može vršiti
radioaktivni raspad, sa ovim elementom se završavaju radioaktivni nizovi. Pošto postoje
velike razlike u periodima poluraspada pojedinih elemenata u okviru jednog
radioaktivnog niza, posledica je uspostavljanje sekularne radioaktivne ravnoteže, pri
kojoj je aktivnost svakog potomka jednaka aktivnosti rodonačelnika niza. Ovaj podatak je
u poglavlju 3.2.3. upotrebljen za određivanje aktivnosti radona, preko poznate specifične
aktivnosti radijuma. Neki potomak može da nastane kao rezultat dezintegracije pretka
koji se raspada i nekim drugim kanalom raspada. Aktivnost nastalog potomka je tada
Diplomski rad Merenje koeficijenta difuzije radona kroz građevinske materijale
3
konstantan deo aktivnosti rodonačelnika niza i zavisi od verovatnoće raspada njegovog
pretka po kanalu raspada u kojem posmatrani potomak nastaje.
Sva tri niza ima zajedničku osobinu da postoji dvojaka mogućnost raspadanja ( β i
α ), a druga zajednička osobina je da postoji prisustvo izotopa inertnog gasa radona koji
se u manjoj ili većoj meri emanira iz matrice u kojoj se generiše. Radon posle raspada,
jedan deo pređe u atmosferu, dok se drugi deo raspadne pre prelaska u atmosferu, tako u
atmosferi postoji određena koncentracija radona i njegovih kratkoživećih potomaka.
Za karakterizaciju kontaminacije atmosfere radonom i njegovim kratkoživećim
potomcima koristi se nekoliko fizičkih veličina:
•
ekvivalentna doza (DE)-veličina koja je uobičajena u zaštiti od zračenja i
predstavlja proizvod apsorbovane doze (D), distribucionog faktora (DF) i
faktora kvaliteta (QF). Apsorbovana doza je količina energije apsorbovana
u jedinici mase tkiva
DE
D DF QF
= ⋅
⋅
[
]
Sv
(2.1.1)
Definisana apsorbovana doza primenjuje se za proračune radiacionih oštećenja
izazvanih svim vrstama zračenja, a jedinica je Grej
1 Gy=100rad=1
J
kg
.
Distribucioni faktor (DF) je bezdimenziona konstanta koja u ekvivalentnu dozu
uvodi zavisnost biološkog efekta ozračenja od prostornog rasporeda izvora zračenja i
ozračenog sistema. Ova vrednost karakteriše uticaj radioaktivnog zagađenja na čoveka.
Faktor kvaliteta (QF) je bezdimenziona konstanta koja pokazuje koliko puta dato
zračenja izaziva veći efekat od
γ
-zračenja, koje se uzima kao referentno. Biološki efekat
ozračivanja zavisi i od tipa zračenja, odnosno, od gustine jonizacije koje proizvede
radioaktivno zračenje određene vrste. Konkretno za radon broj stvorenih jedinica po
jedinici pređenog puta je nekoliko hiljada, ukupno jedna upala čestica radona u plućima
stvara oko 30 hiljada jonskih parova. Jedinica za ekvivalentnu dozu je Sivert (Sv), koji je
dimenziono jednak Grej-u.
•
efektivna ekvivalentna doza je doza koja predstavlja ekvivalentnu dozu
merenu osetljivošću različitih tkiva na radijaciju.
•
zapreminska aktivnost radona-predstavlja aktivnost radona u jedinici
zapremina i izražava se u
3
Bq
m
.
•
ukupna energija emitovanih
α
-čestica za jedan atom u lancu raspada
radona. Ova vrednost se može očitati sa tabela radioaktivnih lanaca
•
koncentracija potencijalne energije (PAEC) je suma potencijalnih alfa
energija svih atoma u metru kubnom vazduha bilo koje smeše
kratkoživećih radonovih ili toronovih potomaka. Jedinica za PAEC
(Potential Alpha Energy Concentration) je vansistemska jedinica WL-
Working level i iznosi
3
1
0.021
J
WL
m
=
. U jednom WL odgovara
oslobođena energija elfa zračenja od
14
3
1.3 10
eV
m
⋅
u vazduhu. Veličina WL
Diplomski rad Merenje koeficijenta difuzije radona kroz građevinske materijale
5
Drugi radioaktivni niz naziva se niz torijuma, jer počinje izotopom
232
Th , a isto se
završava stabilnim olovom
207
Pb , gde je karakterizacija izvršena preko formule 4k, gde je
k ceo broj između 52 – 58.
220
Rn je u ovom nizu značajni član, a dalje je praćen
212
Pb i
212
Bi sa svojim doprinosom u zagađenju vazduha. Ukoliko se inhaliraju u pluća
212
Bi i
212
Po vrše sa svojim alfa česticama značajnu kontaminaciju, jer te alfa-čestice imaju
energije od 6.05 MeV i 8.78 MeV.
Treći niz se naziva niz aknijuma. Ovaj niz počinje izotopom
238
U , a završava se
isto sa izotopom olova
232
Th , dok se karakterizacija vrši pomoću obrasca 4k+3, gde je k
koeficijent od 51-58
Svaki od tri prirodna radioaktivna niza sadrži po jedan radonov izotop:
1.
222
86
Rn je sa periodom poluraspada od 3.824 dana. Prisutan je u nizu
uranijuma
238
U (slika 1.) i predstavlja najznačajniji radonov izotop i pod
terminom ,,radon” podrazumevamo upravo ovu vrstu izotopa.
2.
220
Rn ovaj izotop radona ima period poluraspada 54.5 s. Prisutan je u nizu
torijuma
232
Th (slika 2.) i za njega se koristi specijalni naziv ,,toron”.
Uzima se u obzir u situacijama kada on ili njegovi potomci do dostižu
veće koncentracije kod merenja emanacije radona iz zemljišta i
pronalaženja mesta ulaska radona.
3.
219
Rn sa periodom poluraspada od 3.92 s. Prisutan je u nizu uranijuma
235
U i naziva se ,,aktinon”. On je vrlo malo zastupljen u prirodi (zbog
malog sadržaja izotopa urana
235
U ) i njegov doprinos u ozračenju ljudi je
neznatan.
Radon je primarni radioaktivni kontaminent u prirodi, za razliku od torona ili
aktinona, ali što se tiče eksperimentalnih merenja toron je takođe značajan doprinos
prirodnom fonu koji može da poveća grešku merenja kod niskofonskih merenja. U
metodama merenja u nuklearnim eksperimentima pomoću razlaganja radioaktivnih linija
možemo izvršiti selekciju linija radona u odnosu na linije torona, dok se aktinon
zanemaruje. Radon je inertni gas, koji napušta mesto generisanja procesom difuzije i
advekcije i dospeva u vazduh, a takođe procesom difuzije prolazi kroz građevinske
materijale u unutrašnjost građevinskih objekata vršeći radioaktivnu kontaminaciju
unutrašnjosti prostorija. Bitna osobina je težnja atoma radona da se veže za druge atome,
gradeći složenije molekule koji su hemijski stabilni. Uticaj radona na živi svet vrši se
primarno jonizacijom koju vrše atomi radona na atome u tkivima živog sveta. Uticaj
jonizovanih atoma na funkciju ćelije je veliki i ukoliko je veći broj atoma u ćeliji
jonizovan, dolazi do disbalansa u pojedinim funcijama ćelija. Manifestovanje negativnih
zdravstvenih efekata kod čoveka, usled jonizacije atoma u ćelijama, je pojava malignih
oboljenja, upravo usled promena u načinu funkcionisanja grupa ćelija.
