Dozimetria
gyakorlatok – PILLE (BSc)
1. A
termolumineszcens doziméter működési elve
Az ionizáló sugárzást dokumentálhatóan mérő eszközök a film- és a szilárdest-doziméterek. Az utóbbiak csoportjából kiemelkednek a termolumineszcens kristályok, kis méretükkel, energia-függetlenségükkel és nagy érzékenységükkel.
A termolumineszcens detektorok működésének alapja, hogy az ionizáló sugárzás (általában gamma-sugárzás) hatására a kristályok egyes elektronjai gerjesztett állapotba kerülnek, majd a kristály szennyezőatomjainak helyén befogódnak, és onnan csak felmelegítés hatására lépnek ki és térnek vissza az alapállapotba. Az alapállapotba való visszatéréskor látható, vagy ahhoz közeli hullámhosszú fényt emittálnak. A kibocsátott fotonok száma - ami fotoelektron-sokszorozóval mérhető - arányos a doziméterben (a kristályokban) eredetileg elnyelt sugárdózissal.
1. ábra: a TLD fényhozamának időfüggése
(hőmérsékletfüggése) kifűtéskor
A kifűtés hatására a kristály hőmérséklete
nagyjából lineárisan változik. Az idő függvényében a fotonok kilépési
gyakorisága (a fényhozam) jellegzetes görbét (1) mutat
(1. ábra). Egy gyorsan lecsengő, kis hőmérsékletekhez tartozó csúcs (3)
után következik a nagyobb, szélesebb, és dozimetriai célokra használni kívánt
fényhozam-csúcs (2). A kifűtés végére a még gerjesztett állapotban levő
elektronok elfogynak, a görbe lecseng. További fűtés hatására már a
hőmérsékleti sugárzásból (izzás) származó fotonok (4) szólaltatják meg a
fotoelektronsokszorozót. Ezen kívül igen nagy dózisok esetén egy nagy
hőmérsékletekhez tartozó csúcs is megjelenik, amint az a 1. ábra jobb oldalán
látható. Ez utóbbi a labormérés alatt nem lesz lényeges. A mérés feldolgozása
abban áll, hogy a középső, dózissal arányos csúcs területét minél pontosabban
megállapítsuk. Ehhez a fénygörbét numerikusan integrálni kell az integrálási
határokat úgy beállítva, hogy a kis hőmérsékletű csúcs és a hősugárzás járuléka
minél kisebb legyen, de a dozimetrikus csúcsból minél nagyobb hányad közéjük
essen. Ekkor az integrál értéke arányos a besugárzás dózisával. A kettő közötti
arányossági faktort ismert aktivitású forrással elvégzett kalibráció során
állapíthatjuk meg. Ezt a faktort a kristály mennyisége (tömege), érzékenysége
és a fotoelektron-sokszorozó hatásfoka szabja meg, ezért minden doziméterre
eltérő. A faktor, valamint az intergálási határok a Pille dozimétereinek egyéni
memóriájába vannak programozva, de lehetőség van azok felülírására. A
kifűtéssel a dozimétert tulajdonképpen lenulláztuk, alig maradnak benne
gerjesztett állapotú elektronok. Ez a maradék-dózis a Pille doziméterek
esetén nagyon csekély, 1 nGy alatti.
2. A PILLE doziméter és kiolvasó felépítése
A
laboratóriumi gyakorlat során a KFKI Atomenergia Kutatóintézetében űrállomáson
való felhasználásra kifejlesztett PILLE dózismérőt fogjuk használni, amely két
részből áll:
A./ tetszőleges számú
(esetünkben négy) TL doziméterből, ami egy levákuumozott üvegcsőbe (búrába)
zárt kis fűtőtestre speciális üveggel ráragasztott termolumineszcens CaSO4:Dy
kristályszemcsékből áll; ezeket gerjeszti az ionizáló sugárzás.
B./ egy könnyű, kompakt,
hordozható TLD kiolvasó rendszerből, ami órával rendelkezik és programozható.
Így magában a készülékben, a mérőállásban hagyott doziméter segítségével
lehetővé válik a dózisteljesítmény időprofiljának meghatározása, akár operátori
beavatkozás nélkül is[1].
Természetesen a készüléktől távol besugárzott doziméterek kiértékelése is
lehetséges.
A TL doziméterek töltőtoll formájú mechanikai elrendezésének keresztmetszetét az alábbi ábra mutatja be. A TL búra egy fényzáró, két koncentrikus hengerből álló kulcsszerű házban úgy van elhelyezve, hogy a mérőpozícióban a legcsekélyebb fény se juthasson bele kívülről. A kiolvasóba behelyezve és kulcsszerűen elfordítva (hasonlóan egy cilinderzárhoz) a belső henger is elfordul. Ebben az állapotban a doziméter fényrekesze nyitva van. A dózismérő kulcsot csak alapállapotban, visszafele elfordítva lehet kihúzni.
2. ábra: a TL doziméter
keresztmetszete.
A 2. ábrán mutatjuk be a termolumineszcens doziméter-kulcs felépítését: (a) levákuumozott üvegbúra. (b) TL kristály: CaSO4:Dy szemcsék rétegezve egy (c) megfelelő fajlagos ellenállású fémlemezre, ami elektromosan fűthető. (d) a tollformájú oxidált alumíniumból készült tartóba szerelt integrált programozható memória chip. Ez tartalmazza az egyéni kalibráló paraméterek azonosítóját. (e) a tartó alapállapotban rozsdamentes acél csővel lezárt nyílása. (f) a rozsdamentes cső, ami a búrát a fénytől és a mechanikai behatásoktól, továbbá az operátort a kiolvasás utáni forró búra érintésétől védi. Ez automatikusan hátracsúszik amikor a dozimétert behelyezik a kiolvasóba. A tartó egyik oldalán a (g) aranyozott kontaktusok gondoskodnak a fűtőáram bevezetéséről és biztosítják a memória chip hozzáférhetőségét. A tartó másik oldalán a (h) recés szélű fejen az a kód látható, ami kiolvasás alatt a memóriában tárolódik. A kiolvasás idején kívül a doziméter egy fém védőtokban helyezkedik el.
A TLD kiolvasó mikroprocesszorral (µP) vezérelt egysége biztosítja a doziméterek abszorbeált dózisának előzetes kiértékelését. A kiolvasó a TL anyagot a búrában előre meghatározott módon fűti, az ennek következtében leadott fénymennyiséget mérve, az abszorbeált dózis mérhető; értéke megjeleníthető és a kivehető memóriakártyán tárolható. A kártyán 8000 mérés adatai (dózis, a kiolvasó és a doziméter azonosító kódja, a dátum és idő, hiba kód, a mérés és kiértékelés paraméterei, és a digitális hevítési görbe) tárolhatók.
A kiolvasó főbb részei: mikroprocesszor (µP), a fűtés tápegysége, fotoelektronsokszorozó (PMT), szélessávú I/U és A/D konverter, memóriakártya meghajtó, nagyfeszültségű tápegység (HV). A kiolvasó logikai sémáját mutatja a 3. ábra.
3. ábra:
a kiolvasó egyszerűsített blokkdiagramja
4.
ábra: A kiolvasó keresztmetszete felülnézetben
A 4. ábrán látható a kiolvasó egység keresztmetszete: (a) a kiolvasó öntartó mechanikai szerkezete tart egy hosszanti tengelyű alumínium csövet, ebben helyezkedik el a PMT, a merőleges fényvédő rekesz tartójában (b) helyezkedik el a (c) doziméter. A csövet nyomtatott áramkörű kártyák veszik körül (d). Ezek az alkatrészek a kiolvasó vastagabb alumínium falába (e) vannak rögzítve. A NiCd elemek a kiolvasó hátsó szeparált részében (f) találhatók.
Figyelmeztetés: a Pille egy adott doziméterét soha ne fűtsük ki rögtön (5 percen belül) egymás után kétszer, mert az első fűtés után még le nem hűlt kristály a második fűtéskor károsodhat! Nagyon ügyeljünk rá, hogy a dozimétereket ne ejtsük le, nehogy az üvegbúrák eltörjenek. Az esetleg megsérülő doziméterek pótlásának költségei legtöbbünk anyagi lehetőségein túl vannak.
3. Hol járt eddig PILLE?
1980-ban Farkas Bertalan használta először sikerrel a Pillét, a Szaljut-6 űrállomáson, és ott is hagyta. Később szovjet űrhajósok mértek vele. 1983-ban már újabb, érzékenyebb változatot vittek fel a Szaljut-7-re. Ezt vitték át a Mir űrállomásra, ahol 1987-ben ezzel mértek először dózisterhelést az űrséta során. Már 1984–ben a NASA-val kötött együttműködési szerződés alapján az első amerikai űrhajósnő felvitt egy módosított Pillét a Challenger űrrepülőgéppel.
1994-ben az új generációs mikroprocesszoros, és egyre fejlettebb változatai repültek az ASA Euromir programja keretében, a Mir-en a NASA4 misszió során. Sok sikeres mérést végeztek velük többek között űrséták során is. A legújabb változat 2001 márciusában jutott fel az egyik űrrepülőgéppel az Nemzetközi Űrállomás (International Space Station, ISS) amerikai moduljára, 2003-ban pedig az igények szerint módosított példány felkerült az ISS orosz laboratóriumába is. 2007-ben Charles Simonyi is használta az űrutazása során.
Létezik a PILLÉ-nek földi, de szintén hordozható változata is (PorTL), amelyet széles körben alkalmaznak a környezeti sugárzás monitorozásra, pl. Pakson is. Ezek a fejlett doziméter-kiolvasó egységek korrigálni tudnak a környezet hőmérsékletének tág határok közötti ingadozásaira is.
4.
Mérési feladatok a PILLÉvel a laborgyakorlaton
Először az adaptert
csatlakoztassuk a hálózatra, majd a kiolvasóegységet kapcsoljuk be a bal
oldalán elhelyezett kapcsolóval. Ekkor megjelenik a READY kiírás a Pille
kijelzőjén. A méréseket a Pille99k.exe program segítségével végezzük. A
programot elindítva a főlap jelenik meg (5. ábra). Ha a doziméter kalibrációs
adatait is át akarjuk majd programozni (erre a laborgyakorlat során általában nincs
szükség), akkor itt az [O]ptions-ra kattintva az utolsó két sort be kell
x-elni, hogy az átprogramozásra az engedélyt megkapjuk. Ezt OK-val
nyugtázzuk (5/a. ábra), és a főlap újra megjelenik. Ekkor lépünk be a [P]ille
Glow Curves (kifűtési görbék) c. menüpontba. Ekkor a 6. ábrán látható
nyitóképet látjuk.
5. ábra: a Pille
kezelőprogramjának kezdőlapja
5/a ábra: az TLD adatainak
felülírását így engedélyezhetjük
6. ábra: a kifűtési
görbék menüpont kezelőfelülete
Itt a jobb oldali oszlopban a Data Pi[l]le via
COMport/File mezőre kattintva a Serial
Port:COM(1) sort kell választani a kiolvasóegységgel történő
kapcsolatfelvételhez, ekkor megjelenik a legutóbb felvett fénygörbe (7. ábra).
7. ábra: a kapcsolatfelvétel
után megjelenik a legutóbb felvett fénygörbe
4.1. Menüpontok a Pille Glow Curves képernyőn
A képernyőn a legfelső és a legalsó mezőben látható a program neve és verziószáma (U2.75). A bal felső és alsó mezőben jelennek meg a memóriakártyán tárolt adatok. A felső mező adatai rendre:
1. Source: a megjelenített adatfile illeve online kapcsolat neve
2. AvailableBlocks:
az adott adatfileban illetve a memóriakártyán lévő blokkok száma
3. BlockNumber: az adott blokk sorszáma
4. BulbID: a dózismérő memóriachipjének gyári azonosítója és a dózismérőbe a program segítségével beírt azonosító szám
1. ErrorCodes: az esetleges hibakódok
2. CardID: a memóriakártya sorszáma
3. Last ReadOut: az adott dózismérő legutolsó korábbi kiolvasásának időpontja
4. Date: az adott kiolvasás időpontja
5. Points: a kifűtési görbe mérési pontjainak száma
6. DeviceID: a készülék azonosító száma
7. SamplingSpeed: a fénymérés mérési pontjai között eltelt időlépés
8. Temperature: a készülékben elhelyezett hőmérő adata
9. MeasuredDose: a mért dózis
10. DoseRate: a legutóbbi mérés időpontjától számított átlagos dózisteljesítmény
11. IrradiationTime: a legutóbbi mérés időpontjától eltelt idő
Az előzőekben felsorolt 15 adat a program segítségével nem módosítható.
Az alsó mező adatai rendre:
1. EvalStart: a dóziskiértékelés (integrálás) kezdőcsatornája. A kezdőcsatorna helye a középső mezőben lévő kifűtési görbén látható, fehér függőleges vonal jelöli.
2. EvalLength: a kiértékeléshez (integráláshoz) használt csatornák száma. A fénygörbe integrálásához használt tartomány színe zöld.
3. NormFact: a fénymennyiség (fotonok száma) és a dózis közötti normálási tényező
4. EvalS(20C): a 20 °C hőméréskletre vonatkoztatott kezdőcsatorna
5. EvalL(20C): a 20 °C hőméréskletre vonatkoztatott, kiértékeléshez használt csatornák száma
6. NormF(20C): a 20 °C hőméréskletre vonatkoztatott normálási tényező
7. EvalSTFact: a kezdőcsatorna hőfokfüggési tényezője
8. EvalLTFact:
a kiértékeléshez használt csatornák számának hőfokfüggési tényezője
9. NormFTFact: a normalizáló tényező hőfokfüggése
10. LeftPercent: az integrálás első csatornájának értéke a csúcs %-ában kifejezve
11. RightPercent: az utolsó kiértékelt csatorna értéke a csúcs %-ában kifejezve
12. ROI: a kiértékelt csatornák teljes fénymennyisége (az integrál értéke)
13. Peak: a csúcs helye
14. PeakValue: a csúcs csatornájában a fénymennyiség értéke
15. Dose: a kiértékelt fénymennyiség alapján számított dózis: 10×ROI/normálási tényező. (A dózis a kezdőcsatorna, a kiértékeléshez használt csatornák számának és a normalizáló tényezőnek a változtatásával módosul.)
16. CurPos: a mutató (kurzor) pozíciója
17. CursorValue: a mutató helyén a fénymennyiség értéke és annak %-os értéke a csúcshoz képest
18. CursorTemp: a mutató helyén a kristály hőmérséklete – a Pille készüléknél nem használjuk ezt az adatot.
A kezdő és végcsatorna helyzetét és a normálási faktort a jobb oldali mezőben lévő gombokkal (EvalStart, EvalLength, NF) tudjuk változtatni. A kezdő és végcsatorna helyzetét egérrel is lehet változtatni. A jelen mérésnél az integrálási határokat nem szükséges változtatni. A mutató helye a jobboldali mező Left és Right gombjaival, valamint a billentyűzet kurzorgombjaival is mozgatható. A kifűtési görbe magasságát az Up és a Down gombokkal, valamint a kurzorgombokkal lehet állítani. A mérések megjelenítésének változtatására szolgáló gombok a jobboldali mező első két sorában vannak:
19. 1stBlock: a memóriakártyán található első mérési blokk
20. Block++: a következő, nagyobb sorszámú mérési blokk
21. LastBlock: a memóriakártyán található utolsó mérési blokk
22. Block--: az előző, kisebb sorszámú mérési blokk.
Adott sorszámú blokkot a BlockNum mezőre kattintva lehet behívni. Ha a Pille készülékkel újabb mérést végzünk, akkor mindig a LastBlock-ra kell kattintani. A képernyőt a BitMap gomb segítségével lehet .bmp formátumban elmenteni, majd a jegyzőkönyvhöz csatolni.
4.2. A mérés menete
Minden mérés kifűtéssel kezdődik,
ezzel egyben az utolsó kiizzítástól eltelt időre (általában egy hétre)
vonatkozóan mérjük a háttérsugárzás átlagos dózisteljesítményét a doziméter helyén.
A kiizzításhoz (méréshez) a dozimétert ki kell venni a védőtokjából: a recés
fejet benyomva és balra elfordítva a bajonettzár kiold és a doziméter kivehető.
A kiolvasóba való behelyezésnél a végig nyitott horonyba kell hogy illeszkedjék
a pozícionáló csap, így betolva, jobbra elfordítva a doziméter kiizzításra ill.
mérésre kész. A készüléken a Measure kijelzés jelenik meg, majd a
doziméter azonosító száma. A mérés befejezésekor megjelenik a mért dózis uGy
egységekben. PC-s megjelenítéséhez a Last
Block gombra kell kattintani. A
dózisteljesítményt a tényleges besugárzási idő alapján kell kiszámítani, mert a készülék a két kifűtés közötti idővel
számol, ami nem ad számunkra helyes értéket, mivel az csak a háttér mérésénél
egyezik meg a besugárzási idővel!
A háttér mérését követően az alábbi források nyitott ólom tokja fölött mérünk:
· 22Na esetén kb. 30 percig (1275 és 511 keV-es fotonok);
· a röntgenfluoreszcencia-mérésben használt 241Am esetén: kb. 10 percig (60 keV).
A pozicionálás megkönnyítésére a doziméterek tokján fehér papír jelzi a kristály helyét, az ellenkező oldalon egy kék kereszt jelzi a kristályok középpontját. Besugárzásnál a fehér jelzés nézzen szembe a forrással.
A 22Na forrás (ez szabad szintű aktivitású izotóp) tartóját oldalára fektetve megmérhetjük a tokozás árnyékoló hatását 15 perces mérésekkel, forrástól távolodva, a gyakorlatvezető által kijelölt három ponton.
Az 241Am gyűrű-forrásnál a dozimétert a kialakított tartókba helyezve a kijelölt pontokon mérhetjük a dózisteljesítmény távolságfüggését, illetve az ólom-ólomüveg árnyékolás hatékonyságát.
4.3. Feladatok a PILLÉ-vel
A következő kérdésekre adjuk meg a választ a jegyzőkönyvben:
· Mekkora a természetes háttérsugárzás dózisteljesítménye az épület bejárata előtt és a P11 laborban? Mekkora az Országos Meteorológiai Szolgálat által Budapesten (Pestszentlőrincen), szabad téren ma mért gamma-dózisteljesítmény (www.met.hu Þ Megfigyelések, mérések Þ Gammadózis-értékek)? Melyik a nagyobb? (Használjunk nGy/h egységet!)
· Mekkora a 22Na, és 241Am forrás dózisteljesítménye árnyékolással és anélkül?
Mérje meg a gyakorlatvezető által kijelölt pontokon a dózisteljesítményt! Az eredményekből vonjuk le a háttérsugárzás megfelelő időre eső járulékát! (Mennyire jelentős ez?)
· A forrásoknál mért dózisteljesítmény hányszorosa a természetes háttérnek (árnyékolással és anélkül)? Legfeljebb mennyi ideig tartózkodhat a források közelében egy egyetemi hallgató, ha azt akarjuk, hogy a forrástól elszenvedett dózisa ne haladja meg az egynapi természetes háttérdózist (árnyékolással és anélkül)?
· Személyre szabott feladatok.
A mérőcsoport minden tagja külön mérést végez: 22Na dózisteljesítmény mérése árnyékolással és nélküle; 241Am dózisteljesítmény mérése árnyékolással és a nélkül. Az eredményeket meg kell osztani a mérőcsoport többi tagjával, így válnak összehasonlíthatóvá az egyes eredmények. Ezt a jegyzőkönyvben is dokumentálni kell.
A kiszámított illetve mért értékekhez mindenhol adjunk meg hibahatárokat is! A kalibráció szisztematikus relatív hibája a doziméterek esetén ±20%, a sztochasztikus relatív hiba pedig a mért dózissal csökken: [1+(33/D)2]1/2 %, ahol a D dózist uGy-ben kell megadni. Adjuk meg a kétféle abszolút hiba kvadratikus összegét, mint mérési hibát, a mért értékeink mellett! Használjunk uGy, uGy/h illetve nGy/h egységeket!
Az általunk használt radioaktív források
adatai (aktivitás, dátumok, gamma-energia) a P11 laborban lévő színes táblázatban megtalálhatók.
Irodalom
1. UNSCEAR 2000: Sources and Effects of Ionizing Radiation, United Nations
Scientific Comitee on the Effects of Atomic Radiation, Report to the General
Assembly, United Nations, New York, Sources
2.
Köteles György: Sugáregészségtan, Medicina Könyvkiadó Rt, Budapest,
2002
3.
7/1988 (VII.20.) SZEM rendelet, 10. sz melléklet: Magyar Közlöny 1988/33.szám
4.
16/2000. (VI. 8.) EüM. Rendelet Magyar Közlöny 2000/55 szám
5.
KSH 2001-es jelentése
6.
A Paksi Atomerőmű Rt. 2003.05.27.-i Beszámolója az Országgyűlés
Környezetvédelmi Bizottsága számára
Ellenőrző kérdések
1. Mi a termolumineszcens doziméter működésének alapelve?
2. Milyen
komponensekből áll egy TLD fénygörbéje?
3. Milyen mennyiség mérésével következtetünk a dózisra a
TLD esetén?
4. Milyen szabályt kell betartanunk egy TLD ismételt
kifűtésekor?
5. Hogyan célszerű
beállítani az integrálási határokat a TLD dózismérésénél? Mit integrálunk?
6. Milyen egységekben adjuk meg a dózisteljesítményt?
7. Mit jelent a maradék dózis a TLD-k esetében?
8. Milyen fontos műszert tartalmaz a TLD kiolvasó
egysége, és annak mi a szerepe?
9.
Honnan vegyük azt az adatot, amivel össze kell hasonlítani a laborban mért természetes háttérsugárzás értékét?
10.
Ismertesse A Tl doziméterek töltőtoll formájú mechanikai elrendezésének fontosabb részeit és működésének lényegét!
11.
Ismertesse a foglalkozási sugárterhelés összes (4) dóziskorlátját!
12.
Ismertesse a lakossági sugárterhelés összes (4) dóziskorlátját!