Gamaspektrické meranie

Metódy rádiometrie sú založené na meraní emitovaného žiarenia rádioaktívnymi prvkami obsiahnutými v horninovom komplexe.

Samostatným druhom rádiometrického prieskumu je spektrometria gama, pri ktorej sa stanovujú koncentrácie uránu, tória a draslíka, ako jednotlivé komponenty úhrnného žiarenia gama hornín v terénnych podmienkach.

V terénnych podmienkach sa toto meranie používa na stanovenie obsahov 40K, 238U, 232Th, ale aj niektorých umelých rádioizotopov pomocou gamaspektrometrov so scintilačnými detektormi NaI(Tl), BGO (zložením Bi4Ge3O12), CsI(Tl). Meranie je založené na skutočnosti, že veľkosť toku primárneho gama žiarenia veľkého zdroja je priamoúmerná koncentrácii rádioaktívneho žiariča v zdroji.

Koncentrácia K sa určuje na základe izotopu ⁴⁰K, ktorý sa nachádza v konštantnom pomere v prírodnom draslíku. Stanovenie K je priame, výsledky sa vyjadrujú v % K.

Koncentrácia U je udávaná nepriamo, na základe žiarenia rozpadu a to prvku ²⁴¹Bi (RaC), označuje sa eU, výsledky sa vyjadrujú v ppm eU.. Do správneho určenia U sa premieta jednak narušenie rádioaktívnej rovnováhy, ako i únik Rn z emanujúcej vrstvy charakterizovanej koeficientom emanácie.

Koncentrácia Th sa určuje podľa žiarenia ²⁰⁸Tl (ThC), udáva sa nepriamo, označuje sa eTh, výsledky sa vyjadrujú v ppm eTh.

Meranie spočíva v odčítaní impulzov N₁, N₂, N₃ vo vymedzených energetických oblastiach a to 1,46 MeV pre K, 1,76 MeV pre U a 2,62 MeV pre Th.

Ako kalibračný žiarič sa používa ⁶⁵Zn, resp. ¹³⁷Cs.

Na meranie sa používa terénny gamaspektrometer – 256 až 1024 kanálový záznam, digitálny záznam, jednotlivé meranie, kontinuálne meranie, nastavenie a meranie aj iných rôzny okien a prvkov. Prahové gamaspektrometre merajú s úrovňami diskriminácie energie približne 1,35 MeV (n1 ), 1,65 MeV (n2 ) a 2,45 MeV (n3 ) a diferenciálne gamaspektrometre sa svojimi oknami (ΔE) nastavujú zvyčajne na hodnoty 1,37 až 1,57 MeV (n1 ), 1,66 až 1,86 MeV (n2 ) a 2,41 až 2,81 MeV (n3 ).

Teoretické základy

Rádioaktivita patrí k zložkám životného prostredia počas celej existencie našej planéty. Celá biosféra sa počas svojej existencie permanentne nachádza v rádioaktívnom poli. Rádioaktívna záťaž je vyvolaná mimozemskými a pozemskými zdrojmi (tieto môžeme ďalej rozdeliť na prirodzené a umelé). Podľa spôsobu pôsobenia na človeka rádioaktívne pole môžeme rozdeliť na vonkajšie a vnútorné.

Rádioaktívne žiarenie je emitované pri rozpade rádioaktívnych prvkov, či už pôsobením vonkajšieho žiarenia, alebo vnútornou nestabilitou.

Rádioaktivita je jav, pri ktorom sa jadrá atómov určitého prvku samovoľne premieňajú na jadra iného prvku, pričom je emitované vysokoenergetické žiarenie. Jadrá vykazujúce túto vlastnosť sa nazývajú rádionuklidy.

Druhy žiarenia:

Žiarenie alfa: Ak javí jadro rádioaktivitu alfa, rozpadá sa vymrštením rýchle letiacej častice alfa, zloženej z dvoch neutrónov a dvoch protónov. Následkom straty dvoch protónov sa atóm premení na iný prvok, ktorý má atómové číslo znížené o 2 jednotky. Žiarenie alfa sa normálne vyskytuje u ťažkých prvkov

Žiarenie beta: Pri rozpade typu beta sa neutrón premení na protón, alebo naopak pričom dochádza k vymršteniu častice beta, aby bola zachovaná rovnováha elektrických nábojov a aby bol uvoľnený prebytok energie. Atóm sa stane prvkom v postupnosti o jednotku vyšším alebo nižším.

Žiarenie gama: Po vyžiarení častice alfa, alebo beta neostáva vždy jadro v najstabilnejšom stave zostávajúca nadbytočná energia môže byť uvoľnená vo forme žiarenia gama, čo je forma elektromagnetického žiarenia podobne ako röntgenové žiarenie, svetlo rádiové vlny alebo mikrovlnné žiarenie.

Emisia neutrónov: Nastáva, keď sa veľmi ťažké nestabilné jadra samovoľne štiepia rozpadom na dva veľké úlomky a uvoľňuje sa niekoľko voľných neutrónov

Rádioaktivitu v horninách spôsobuje z viac ako 230 rádionuklidov hlavne zastúpenie ⁴⁰K, ²³⁸U, ²³²Th. Tórium a urán vytvárajú prírodné rádioaktívne rozpadové rady, ktorých členy sú nestabilné a vystupujú ako zdroje rádioaktívneho žiarenia. Dôležitým členom týchto rozpadových radov je plynný prvok radón.

Draslík ⁴⁰K je všeobecne rozšíreným prírodným (primárnym) rádionuklidom s veľmi dlhým polčasom rozpadu 1,26.10⁹rokov.

Urán ²³⁸U (T1/2 = 4,51.10⁹rokov) je vďaka svojmu dlhšiemu polčasu najrozšírenejším druhom uránu v prírode. Dá sa tiež využiť ako štiepny materiál, avšak nie priamo, ale cez plutónium, ktoré v atómovom reaktore vzniká z ²³⁸U pohltením neutrónu.

Tórium ²³²Th (T1/2=1,39.10¹⁰rokov) patrí k najrozšírenejším prírodným rádionuklidom obsiahnutým v horninách zemskej kôry (spolu s ⁴⁰K).

V prírode sa urán nachádza v troch formách: jednak tvorí samostatné minerály, jednak je izomorfne primiešaný v horninotvorných mineráloch a vyskytuje sa i v rozptýlenej forme. Tórium je litofilným prvkom a pri magmatickej diferenciácii sa koncentruje v neskorých štádiách a nahrádza prvky vzácnych zemín. Draslík je tiež litofilným prvkom, s kremíkom, sodíkom a vápnikom je hlavným horninotvorným prvkom. Jeho nahromadenie nastáva pri draselnej metasomatóze.

Najvýznamnejším zdrojom prírodného žiarenie je radón, ktorý spolu s dcérskymi produktami rozpadu spôsobuje asi polovicu radiačnej záťaže na obyvateľstvo. Izotopy rádónu ( ²²²Rn – radón – polčas rozpadu 3.82 dňa, ²¹⁹Rn – aktinón – polčas rozpadu 3.92 sekundy a ²²⁰Rn – torón – polčas rozpadu 55.3 sekundy).

Jednotky používané v rádiometrii

Hmotnostná koncentrácia je pomer hmotnosti rádionuklidu k jednotkovej hmotnosti látky.

Objemová koncentrácia je pomer hmotnosti rádionuklidu v danom objeme k objemu vzorky.

Objemová aktivita Pomer aktivity rádionuklidu v látke daného objemu k objemu vzorky – jednotka becquerel na liter (bg.l^-1), (becquerel vyjadruje počet rádioaktívnych premien za sekundu).

Ožiarenie Jednou z najskôr meraných vlastností x-lúčov bola ich schopnosť ionizovať vzduch. V roku 1928 International Congress of Radiology špecifikoval túto vlastnosť ako spôsob merania množstva x-radiácie a jednotka ožiarenia bola nazvaná röntgen , (R).

Röntgen je definovaný ako množstvo x- alebo gamma radiácie, ktoré bude produkovať ionizáciou jednu jednotku elektrostatického náboja v 1 kubickom centimetri suchého vzduchu. SI jednotka ožiarenia je coulomb na kilogram (C.kg^-1). Koncept ožiarenia je teraz zriedkavo používaný v radiačnej ochrane, ale je zvyčajne rezervovaný pre vyjadrenie schopnosti expozície rádioaktívneho zdroja radiácie.

Aktivita Je počet rádioaktívnych rozpadov za jednotku času v danom množstve rádioaktívnej látky. Jednotkou aktivity je becquerel. Jeden becquerel (Bg) predstavuje jeden rozpad za sekundu. Predtým sa aktivita udávala v curie. Jedno curie sa rovná 37 000 miliónom becquerelov.

Absorbovaná dávka udáva množstvo žiarenia deponované v materiáli, ktorým prechádza. Jednotkou absorbovanej dávky je gray (Gy). Predstavuje dávku žiarenia, ktorá spôsobí že sa v jednom kilograme materiálu absorbuje 1 joule energie.

Dávkový ekvivalent (expozícia) berie ohľad na skutočnosť, že niektoré druhy ionizujúceho žiarenia sú viac nebezpečné než iné. Ekvivalent je absorbovaná dávka v grayoch násobená príslušným akostným koeficientom . Energetickým neutrónom sa napr. pripisuje akostný faktor 10, žiareniu alfa akostný faktor 20. Jednotkou dávkového ekvivalentu je sievert. Predtým sa táto veličina merala v REM 100 rem= 1 sievert (Sv).

Efektívny dávkový ekvivalent. Pretože rôzne časti tela sú rovnakým žiarením postihnuté rôzne je k výpočtu celkového ohrozenia tela expozíciou jednotlivých častí potrebné vedieť váhový činiteľ. Tento váhový činiteľ násobený dávkou orgánu vyjadruje ekvivalentnú celotelovú expozíciu. Udáva sa v sievertoch.

Jednotky používané v rádiometrii

Zákony

Zákon NR SR č. 87/2018 Z. z. o radiačnej ochrane a o zmene a doplnení niektorých zákonov

(1) Tento zákon upravuje

a) výkon štátnej správy v oblasti radiačnej ochrany a výkon štátneho dozoru v oblasti radiačnej ochrany (ďalej len „štátny dozor“),
b) podmienky na vykonávanie činnosti
vedúcej k ožiareniu,
v prostredí s prírodným ionizujúcim žiarením,
c) podmienky na poskytovanie služby dôležitej z hľadiska radiačnej ochrany,
d) požiadavky na

ochranu pracovníkov a obyvateľov pred ožiarením radónom vo vnútornom ovzduší budov, vonkajším ožiarením zo stavebného materiálu a pretrvávajúcim ožiarením, ktoré je dôsledkom núdzovej situácie alebo dôsledkom ľudskej činnosti v minulosti,
zaistenie bezpečnosti rádioaktívneho žiariča a rádioaktívneho materiálu,
monitorovanie radiačnej situácie,
e) obmedzovanie ožiarenia z pitnej vody,1) prírodnej minerálnej vody2) a pramenitej vody,3)
f) pripravenosť na núdzovú situáciu ožiarenia,
g) povinnosti fyzických osôb a právnických osôb pri zabezpečovaní radiačnej ochrany.

(2) Tento zákon sa vzťahuje na plánovanú situáciu ožiarenia, existujúcu situáciu ožiarenia alebo na núdzovú situáciu ožiarenia zahŕňajúcu riziko ožiarenia, ktoré nemožno zanedbať z hľadiska radiačnej ochrany alebo vplyvu na životné prostredie v rámci dlhodobej ochrany zdravia obyvateľstva.

(3) Tento zákon sa nevzťahuje na

a) ožiarenie kozmickým žiarením na úrovni, ktorá je bežná na zemskom povrchu,
b) nadzemné ožiarenie ionizujúcim žiarením z rádionuklidov prítomných v zemskej kôre neporušenej ľudskou činnosťou,
c) ožiarenie prírodnými rádionuklidmi na úrovni bežne sa vyskytujúcej v ľudskom tele,
d) ožiarenie jednotlivca z obyvateľstva alebo pracovníka, ktorý nie je členom posádky lietadla alebo kozmickej lode, kozmickým žiarením počas letu alebo pobytu v kozmickom priestore,
e) ožiarenie návštevníka jaskyne,
f) ožiarenie z prírodnej liečivej vody uznanej podľa osobitného predpisu.4)

Vyhlášky

Vyhláška Ministerstva zdravotníctva SR č. 100/2018 Z. z., ktorou sa ustanovujú podrobnosti na obmedzovanie ožiarenia z pitnej vody, z prírodnej minerálnej vody a z pramenitej vody

Vyhláška Ministerstva zdravotníctva SR č. 99/2018 Z. z. o zabezpečení radiačnej ochrany

(1) Táto vyhláška upravuje

a) podrobnosti o
zabezpečení radiačnej ochrany obyvateľov a pracovníkov pri vykonávaní činnosti vedúcej k ožiareniu a pri poskytovaní služby dôležitej z hľadiska radiačnej ochrany,
bezpečnom ukončení vykonávania činnosti vedúcej k ožiareniu na pracovisku,
obsahu odbornej prípravy a rozsah vedomostí a znalostí, ktoré sú potrebné na získanie odbornej spôsobilosti,
osobnom monitorovaní pracovníkov,
monitorovaní výpustí z pracoviska,
monitorovaní okolia pracoviska,
druhoch monitorovacích úrovní na hodnotenie výsledkov monitorovania výpustí a okolia pracoviska,
pravidlách, podľa ktorých sa stanovujú monitorovacie úrovne a všeobecné postupy pri ich prekročení,
zabezpečení radiačnej ochrany pri zhromažďovaní, zbere, triedení, spracovaní a skladovaní rádioaktívneho odpadu,
pripravenosti na núdzovú situáciu,
preberacej skúške, skúške dlhodobej stability a skúške prevádzkovej stálosti,
b) kritériá na
zabezpečenie radiačnej ochrany pri vykonávaní činnosti vedúcej k ožiareniu na pracovisku s generátorom ionizujúceho žiarenia, uzavretým žiaričom a s otvoreným žiaričom,
bezpečné skladovanie uzavretého žiariča a otvoreného žiariča na pracovisku z hľadiska radiačnej ochrany,
prijímanie ochranných opatrení v existujúcej situácii ožiarenia alebo núdzovej situácii ožiarenia.

(2) Táto vyhláška sa nevzťahuje na vykonávanie lekárskeho ožiarenia.

Vyhláška Ministerstva zdravotníctva SR č. 98/2018 Z. z., ktorou sa ustanovujú podrobnosti o obmedzovaní ožiarenia pracovníkov a obyvateľov z prírodných zdrojov ionizujúceho žiarenia

Vyhláška Ministerstva zdravotníctva SR č. 96/2018 Z. z., ktorou sa ustanovujú podrobnosti o činnosti radiačnej monitorovacej siete

Táto vyhláška ustanovuje

a) podrobnosti o činnosti radiačnej monitorovacej siete (ďalej len „monitorovacia sieť“),
b) podrobnosti o úlohách monitorovacej siete,
c) spôsob monitorovania radiačnej situácie v životnom prostredí,
d) spôsob prenosu dát na hodnotenie a usmerňovanie ožiarenia obyvateľstva.

Vyhláška Ministerstva zdravotníctva SR č 528/2007 Z. z., ktorou sa ustanovujú podrobnosti o požiadavkách na obmedzenie ožiarenia z prírodného žiarenia v znení vyhlášky č. 295/2015 Z. z.

Táto vyhláška upravuje

a) podrobnosti o požiadavkách na obmedzenie ožiarenia obyvateľstva prírodným ionizujúcim žiarením,
b) podrobnosti o požiadavkách na stanovenie a hodnotenie obsahu prírodných rádionuklidov v stavebných výrobkoch a v dodávanej pramenitej vode, pramenitej vode vhodnej na prípravu stravy pre dojčatá a prírodnej minerálnej vode1a) a rozsah evidencie výsledkov merania,
c) najvyššie prípustné hodnoty indexu hmotnostnej aktivity v stavebných výrobkoch a objemových aktivít vybraných prírodných rádionuklidov v dodávanej pramenitej vode, pramenitej vode vhodnej na prípravu stravy pre dojčatá a prírodnej minerálnej vode,1a)
d) postup stanovenia objemovej aktivity radónu v pôdnom vzduchu a priepustnosti základových pôd stavebného pozemku pri výstavbe nebytových budov určených na pobyt osôb dlhší ako 1 000 hodín počas kalendárneho roka a pri výstavbe bytových budov (ďalej len „stavba s pobytovým priestorom“).

Použitie spektrometrických meraní:

– triedenie rádiometrických anomálií podľa koncentrácie jednotlivých rádioaktívnych prvkov v rôznych etapách prieskumných prác,

– pri geochemických výskumoch zameraných na litologické členenie hornín,

– pri ložiskových výskumoch,

– mapovaní tektoniky

– stanovenie hmotnostných aktivít prírodných rádionuklidov v stavebnom materiály a stanovenie indexu hmotnostnej aktivity stavebného materiálu

– vyhľadávaní uránu a vzácnych kovov

– pri komplexnom overení rádiometrických anomálií (od roku 1974)

– geofaktory životného prostredia

Spektrometrické meranie rozdeľujeme na:

Letecký prieskum

Automobilový prieskum

Pozemný prieskum

Meranie vo vrtoch

Meranie terénnym gamaspektrometrom

Na meranie používame GAMMA Surveyor. Je to 512 kanálový scintilačný prístroj.

Medzi je vlastností patria:

Meranie a ukladanie kompletného spektra
Priame stanovenie koncentrácie K[%], eU[ppm], eTh[ppm]

Ukážka spracovania pozemného gamaspektrického prieskumu – Dávkový príkon (Dose Rate)

Letecký prieskum

Pracovníci spoločnosti Koral,s.r.o sa dlhodobo podieľajú na leteckých gamaspektrometrických meraniach po celom svete vo funkciách projekt manažér, kontrola kvality, operátor, spracovanie údajov a interpretácia.