Bővített sugárvédelmi ismeretek 1. Bevezetés, sugárfizikai ismeretek Dr. Csige István Dr. Dajkó Gábor MTA Atommagkutató Intézet Debrecen TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005.

Az előadások a következő témára: "Bővített sugárvédelmi ismeretek 1. Bevezetés, sugárfizikai ismeretek Dr. Csige István Dr. Dajkó Gábor MTA Atommagkutató Intézet Debrecen TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005."— Előadás másolata:

1 Bővített sugárvédelmi ismeretek 1. Bevezetés, sugárfizikai ismeretek Dr. Csige István Dr. Dajkó Gábor MTA Atommagkutató Intézet Debrecen TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra" 1

2 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 2 1.1. A sugárvédelem kialakulása, rövid fejlődéstörténete 1896 Becquerel felfedezte a természetes radioaktivitást. 1896Első közlések a röntgensugárzás okozta elváltozásokról. 1898 A rádium felfedezése. 1904Első haláleset amit ionizáló sugárzás hatásának tulajdonítottak. 1907 Zsebben hordott fotolemez sugárzás detektálására. 1915 Első sugárvédelmi ajánlások. 1928 Első sugárvédelmi szervezet (ICRP) megalakulása. 1942 Első magyar sugárvédelmi szabványok. 1965 Létrehozzák az Országos Személyi Dozimetriai Szolgálatot.

3 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 3 1.2. Az anyag és a sugárzás fogalma Az anyag: részecskék sokaságából áll, azok halmaza. Az anyagot felépítő kémiai részecskék: atom (töltéssel nem rendelkező, semleges részecske) molekula (töltéssel nem rendelkező, semleges részecske) ion (pozitív töltésű kation vagy negatív töltésű anion) Sugárzás: ennek során az anyag alkotó elemei elektromágneses rezgések, töltött, vagy töltetlen részecskék kibocsátásával változtatják meg tulajdonságukat, veszítenek energiájukból. Ionizáló sugárzás: az a sugárzás, amelynél elsődleges, vagy másodlagos folyamat révén ionok keletkeznek valamely anyagban. Sugárvédelmi értelmezésben: olyan sugárzás, amely biológiai anyagban ionpárokat keltenek.

4 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 4 1.3. Az anyag atomos szerkezete 1.3.1. Az atom és az atommag felépítése Az atom szerkezete: atommag elektronfelhő Az elektronok (-) elemi töltésűek.

5 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 5 1.3. Az anyag atomos szerkezete 1.3.1. Az atom és az atommag felépítése Az atommag felépítése: alkatrészei: protonok (p + ) (pozitív elemi töltéssel rendelkeznek) neutronok (n) (semlegesek) A protonok száma (+ töltés) az atommagban megegyezik a különböző héjakon (K,L,M, stb.) található elektronok (- töltés) számával, így az atom alapállapotban semleges.

6 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 6 1.3. Az anyag atomos szerkezete 1.3.1. Az atom és az atommag felépítése Rendszám: Z= protonszám A rendszám adja meg az adott atom helyét a periódusos rendszerben, egyúttal meghatározza annak kémiai tulajdonságait is. Tömegszám: A=protonszám+neutronszám Kis rendszámú atomok esetén a protonok és neutronok száma egyenlő. A rendszám növekedésével a neutronok száma egyre inkább meghaladja a protonok számát.

7 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 7 1.3. Az anyag atomos szerkezete 1.3.2. Stabil és instabil izotópok: Adott rendszámú (Z) elem különböző tömegszámú (A1, A2, stb.) atomjait az elem izotópjának nevezzük. Az izotópok lehetnek stabilak és instabilak. Az instabil izotópok lehetnek természetes eredetűek, vagy mesterségesen magreakcióval (reaktor, gyorsító) előállítottak.

8 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 8 1.3. Az anyag atomos szerkezete 1.3.2. Stabil és instabil izotópok: Ha az alapállapotban levő atommal valamilyen módon energiát közlünk, az atom gerjesztődhet, amikor is egy elektron egy magasabb energiájú állapotnak megfelelő héjra megy át. Ha elég nagy a közölt energia ionizáció is lejátszódhat, azaz az elektron elhagyja az atomot. Gerjesztés, vagy ionizáció bekövetkezhet akkor, amikor egy foton, vagy egy töltött részecske ütközik a héj egy elektronjával. Az atommag is kerülhet gerjesztett állapotba.

9 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 9 1.3. Az anyag atomos szerkezete 1.3.3. Természetes és mesterséges radioaktivitás: Egyes kémiai elemek atommagjai külső hatás nélkül átalakulnak más elemek atommagjaivá nagy energiájú sugárzás kibocsátása közben. Spontán jelenség, amikor az instabil (radioaktív) atommagok radioaktív bomlással igyekeznek stabil atommagokká alakulni.

10 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 10 1.3. Az anyag atomos szerkezete 1.3.3. Természetes és mesterséges radioaktivitás: Az átalakulás során többfajta radioaktív bomlás is lejátszódhat. Ha atommagokat elemi részecskékkel bombázunk, új magok jöhetnek létre, vagyis az atommag mesterséges úton átalakítható. Az így keletkező magok gyakran nem stabilak és radioaktív bomlás során egy másik elemmé alakulnak át. Az ilyen mesterséges eljárás során létrejövő radioaktív sugárzást nevezik mesterséges radioaktivitásnak.

11 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 11 1.3. Az anyag atomos szerkezete 1.3.4. Bomlástörvény, aktivitás, felezési idő, egységek: dN/dt = A = λN ahol a dN a dt időintervallum során bekövetkező spontán magátalakulások várható száma. λ: bomlási állandó (1/s) A: aktivitás (bomlás/s) Mértékegysége: becquerel (Bq) kBq, MBq, GBq, TBq

12 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 12 1.3. Az anyag atomos szerkezete 1.3.4. Bomlástörvény, aktivitás, felezési idő, egységek: Hagyományos mértékegysége: curie (Ci) 1 Ci = 37 GBq 1 mCi = 37 MBq 1 µCi = 37 kBq Az A időben nem állandó. Az aktivitás időbeni változása: A(t) = A 0 e -λt A 0 : az aktivitás értéke a t=0 időpillanatban A(t): a t időpontban mérhető aktivitás

13 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 13 1.3. Az anyag atomos szerkezete 1.3.4. Bomlástörvény, aktivitás, felezési idő, egységek:

14 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 14 1.3. Az anyag atomos szerkezete 1.3.4. Bomlástörvény, aktivitás, felezési idő, egységek:

15 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 15 1.3. Az anyag atomos szerkezete 1.3.4. Bomlástörvény, aktivitás, felezési idő, egységek: Bomlási sorok: Bomlási sorról akkor beszélünk, ha az anyaelemből keletkező leányelem is radioaktív. Három természetes bomlási sor van: a 235 U, 238 U és a 232 Th bomlási sora. Ezekben a leányelemek mennyiségét az anyaelem bomlása és a saját továbbalakulás együttesen határozzák meg.

16 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 16 1.3. Az anyag atomos szerkezete

17 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 17 1.4. A sugárzási tér leírása 1.4.1. Részecske- és energia-reprezentáció Sugárzási teret bármilyen típusú sugárzás alkothat. A sugárzási teret a sugárforrások és a térben lévő tárgyak és a sugárzás között létrejött kölcsönhatások alakítják ki. Részecskesugárzás alatt általában szubatomi részecskék áramlását értjük a térben, vagy az azt kitöltő anyagon keresztül.

18 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 18 1.4. A sugárzási tér leírása 1.4.1. Részecske- és energia-reprezentáció

19 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 19 1.4. A sugárzási tér leírása 1.4.1. Részecske- és energia-reprezentáció Ha az áramlás viszonylag szűk keresztmetszetben, egy irányban történik, akkor részecskenyalábról van szó. A hullám-részecske kettősség miatt azonban a nagyenergiájú elektromágneses sugárzásnak is van részecske természete. Ilyenkor beszélünk fotonokról, vagy gamma sugárzásról. A részecskesugárzás energiája a részecske mozgásából (és tömegéből) ered.

20 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 20 1.4. A sugárzási tér leírása 1.4.1. Részecske- és energia-reprezentáció Részecskesugárzás elsősorban radioaktív anyagokból, a világűrből, vagy részecskegyorsító berendezésekből származhat (lineáris gyorsító, betatron, ciklotron). A részecskesugárzás az elektromágneses sugárzástól abban különbözik, hogy a részecske olyan anyagot tartalmaz, melynek nyugalmi tömege nem zérus.

21 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 21 1.4. A sugárzási tér leírása 1.4.1. Fluxus, fluens, irány és energia szerinti eloszlások Fluxus: Az egységnyi felületen egységnyi idő alatt átáramló részecskék száma, vagy a részecske fluxus φ(r,E,Ω,t), a részecskék sűrűségének és a részecskék sebességének szorzata. A fluxust értelmezhetjük úgy is, mint egy adott normálissal jellemzett egységnyi felületen, egységnyi idő alatt átáramló, adott irányban mozgó részecskék száma.

22 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 22 1.4. A sugárzási tér leírása 1.4.1. Fluxus, fluens, irány és energia szerinti eloszlások Fluens: Dozimetriai szempontból tekintve a sugárzások legfontosabb jellemzője a részecske fluens (Φ): Φ = dN/da ahol a da elemi felület merőleges a beeső részecskék irányára és dN a bomlásra képes, azonos minőségű nuklidok számának megváltozása.

23 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 23 1.4. A sugárzási tér leírása 1.4.1. Fluxus, fluens, irány és energia szerinti eloszlások Részecskék energiaeloszlása: Az E és E+dE energiaintervallumba eső részecskék számának és az energia-intervallumnak a hányadosa. Részecskék irányeloszlása: A Ω és Ω + dΩ térszög intervallumba haladó részecskék fluxus sűrűségének és a térszög intervallumnak a hányadosa.

24 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 24 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük

25 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 25 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.1.Elektromágneses (ionizáló, nem ionizáló) sugárzás Gamma (γ) sugárzás A magok alfa és béta bomlásakor a létrejövő gerjesztett állapotú mag energiafeleslege a részecske kibocsátást követően elektromágneses gamma (γ) sugárzás kibocsátásával szűnik meg. A mag gerjesztett állapotaihoz meghatározott energiaszintek tartoznak, ezért a kibocsátott gamma sugárzás energiaeloszlása vonalas szerkezetű.

26 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 26 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.1.Elektromágneses (ionizáló, nem ionizáló) sugárzás Röntgen sugárzás Karakterisztikus: magasabb gerjesztett állapotból alacsonyabb energiájú állapotra ugró elektronok esetén lép fel.

27 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 27 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.1.Elektromágneses (ionizáló, nem ionizáló) sugárzás Röntgen sugárzás Fékezési: az elektronok a mag erőterében fékeződve folytonos energiájú röntgen sugárzást bocsátanak ki. A két elektromágneses sugárzás között a csak keletkezésük módjában van különbség.

28 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 28 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.1.Elektromágneses (ionizáló, nem ionizáló) sugárzás Az ionizáló sugárzások fajtái: közvetlen ionizáló részecskék, melyek elektromos töltéssel rendelkeznek (proton, elektron, alfa, hasadvány) közvetett ionizációt okoznak azok a töltetlen részecskék (fotonok, neutronok), melyek a mozgási energia átadásával ionizáló – töltött részecskéket szabadítanak fel, vagy magátalakulásokat hoznak létre.

29 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 29 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.2. Töltött részecske sugárzások (alfa, béta, nehéz ionok) Alfa (α) sugárzás A magerők a Coulomb taszítás ellenében már nem tudják ”stabilizálnia” a magot (A>170). A>170 esetén nő a valószínűsége annak, hogy a magból egy kétszeresen ionizált He atommag kilépjen. A bomlás során a mag tömegének és a töltések számának csökkenésével a Coulomb taszítás csökken, a magerők hatékonysága nő.

30 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 30 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.2. Töltött részecske sugárzások (alfa, béta, nehéz ionok)

31 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 31 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.2. Töltött részecske sugárzások (alfa, béta, nehéz ionok)

32 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 32 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.2. Töltött részecske sugárzások (alfa, béta, nehéz ionok) Alfa (α) sugárzás 226 222 4 ++ Ra → Rn + He (α részecske) 88 86 2 222 Rn → Rn + γ 86 86 Következmények: a rendszám (Z) kettővel csökken a tömegszám (A) néggyel csökken A kilépő α részek erősen ionizálnak, hatótávolságuk levegőben < 10 cm. A természetes bomlás α energiáinál nagyobb energiák gyorsítóban állíthatók elő.

33 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 33 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.2. Töltött részecske sugárzások (alfa, béta, nehéz ionok) Béta (β) sugárzás negatív β bomlás n → p + + e - Oka: neutron bomlásával az atommag erősebb kötésű állapotba kerül. 32 32 - P → S + β +γ 15 16

34 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 34 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.2. Töltött részecske sugárzások (alfa, béta, nehéz ionok) Béta (β) sugárzás

35 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 35 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.2. Töltött részecske sugárzások (alfa, béta, nehéz ionok) Béta (β) sugárzás Amennyiben a leányelem gerjesztett állapotú: 32 S → S + γ (izomer átalakulás) 16 A negatív béta bomlás következményei: a rendszám (Z) eggyel nő, a tömegszám (A) nem változik, a magból ionizáló sugárzások lépnek ki (β,γ) Nagy energiájú elektronok elektrongyorsítóval állíthatók elő.

36 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 36 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.2. Töltött részecske sugárzások (alfa, béta, nehéz ionok) Béta (β) sugárzás pozitív β bomlás p + → n + e + 15 15 + O → N + β + γ 8 7 Következmény: a rendszám (Z) eggyel csökken a tömegszám (A) nem változik, a pozitron további ionizáló sugárzást hoz létre.

37 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 37 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.2. Töltött részecske sugárzások (alfa, béta, nehéz ionok) Nehézion sugárzás Nehézionoknak nevezzük a teljesen, vagy szinte teljesen ionizált, az alfa részecskénél nagyobb tömegű nehéz atomokat. Természetben a maghasadás során keletkeznek. Mesterségesen gyorsítókban állíthatók elő.

38 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 38 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.3. Neutronsugárzás Neutron sugárforrások radioaktív neutronforrás: Am-Be, Ra-Be, Pu-Be (Be-9) megengedett neutrontermelő magreakciók: 9 Be+α→ 13 C→ 12 C+n, 9 Be+α→ 8 Be+α+n, 9 Be+α→ 3 α+n Az utóbbi kettő kisenergiájú neutronokat eredményez, szerepük nem jelentős. A fenti források hozama 70n/s/MBq, energiájuk néhány Mev.

39 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 39 1.5. Sugárzások fajtái, jellemzésük 1.5.3. Neutronsugárzás Neutron sugárforrások Cf-252 A spontán hasadás gyakorisága 3,09 %. A hasadásonkénti átlagos neutronhozam 3,75. Neutrongenerátorok (d,D) (d,T) magreakciók. d+D → 3 He + n (2,45 MeV) (50%) → T + p (50%) d+T → 4 He + n (14,1 MeV) Ezek hozama 10 11 n/s. Atomreaktor: széles energiaspektrum, nagyon nagy fluxus

40 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 40 1.6. Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

41 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 41 1.6. Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal 1.6.1. Lineáris energiaátadás A lineáris energiaátadás (LET,L), vagy lineáris ütközési fékezőerő az anyagban az L = dE/dl formulával adható meg, ahol dE a részecske dl hosszúságú pályája mentén az elektronokkal való ütközések folyamán bekövetkezett átlagos energiavesztesége. Egysége: Jm -1 (keV/μm)

42 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 42 1.6. Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal 1.6.1. Lineáris energiaátadás Az alfa sugarak kétszeresen pzitív töltésük miatt erősen ionizálnak (LET-értékük sokkal nagyobb, mint a béta- és gamma sugárzásé). Mivel a béta részecskék elektromosan töltött részecskék, erősebb ionizáló hatásuk van, mint a gamma-sugárzásnak. Amikor áthalad egy anyagon, a részecske lelassul és kibocsát egy úgynevezett fékező, vagy lassító röntgensugarat.

43 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 43 1.6. Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal 1.6.2. Gamma és röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal Compton szórás - a foton rugalmatlan szóródása egy szabad, illetve gyengén kötött elektronon. Ebben az esetben a foton energiájának csak egy részét adja át az elektronnak. Fotoeffektus – egy atom elektronhéja elnyeli a fotont. A foton energiája teljesen egy elektron energiájává alakul át, amely így gerjesztett állapotba kerül, vagy elhagyja az atomot. Párképződés- az elnyelő anyag atomjainak, molekuláinak elektromágneses terében elektron – pozitron pár képződhet, ha a foton energiája meghaladja az 1,02 MeV-ot (az elektron – pozitron pár nyugalmi tömege).

44 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 44 1.6. Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal 1.6.2. Gamma és röntgensugárzás kölcsönhatása az anyaggal

45 TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt 45 1.6.3. A neutronok kölcsönhatása az anyaggal A neutronok közvetlenül nem ionizálnak. A gyors neutronok kölcsönhatása az anyaggal háromféle lehet: rugalmasan szóródnak az atommagokon, rugalmatlanul szóródnak az atommagokon, vagy magreakciót idéznek elő. A lassú neutronok magreakciót idéznek elő. 1.6. Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal