2. Dzień dobry,
Nazywam się Michał Gumiela. Uczęszczam do Liceum Ogólnokształcącego
im. Marii Skłodowskiej-Curie w Andrychowie. Od kilku lat intensywnie
zajmuję się fizyką, informatyką oraz elektroniką i robotyką.
Jestem fizykiem doświadczalnym oraz ogólnie praktykiem. Budowanie
zestawów pomiarowych, robotów czy innych użytecznych konstrukcji
dostarcza to dużo przyjemności, nawet jeśli rozwiązywanie wielu problemów
wymaga spędzenia nad nimi kolejnej nieprzespanej nocy.
Zapraszam do zapoznania się z projektem!
3. mutacje
czysta i tania
energia
szkodliwe
promieniowanie
bezpieczeństwo
energetyczne
państwa
Przeciwnicy Zwolennicy
4. Kto wygra – zwolennicy czy przeciwnicy?
Czy Polska kiedykolwiek będzie miała swoją
elektrownie atomową?
Zwykle boimy się tego, czego nie znamy. Ja w
praktyce postanowiłem poznać promieniowanie.
We własnym domu przeprowadziłem
eksperymenty pokazujące naturę
5. To jego obawiamy się najbardziej gdy mówimy o elektrowniach
atomowych oraz składowaniu radioaktywnych odpadów.
Do promieniowania jonizującego zaliczamy wszystkie
rodzaje promieniowania, które przechodząc przez materię
są w stanie oderwać elektron lub wybić go ze struktury
krystalicznej.
Źródłami promieniowania są atomy których jądra są zdolne
do rozpadu promieniotwórczego, lampy
rentgenowskie, synchrotrony. Promieniowanie jonizujące
powstaje min. przy okazji procesów jądrowych
zachodzących w reaktorach.
6. Wyróżniamy następujące rodzaje promieniowania:
alfa – emisja jądra helu 4He
beta plus – emisja pozytonu
beta minus – emisja elektronu
gamma – wysokoenergetyczne promieniowanie
elektromagnetyczne
promieniowanie X – niskoenergetyczne
promieniowanie gamma powstałe w skutek hamowania
elektronów
7. Wpływ niewielkich dawek promieniowana na
organizmy żywe (w tym człowieka) jest
elementem dyskusji wielu naukowców. Dziś
świat nauki skłania się do tego, że małe dawki
promieniowania nie są szkodliwe, a nawet
mogą być niezbędne do ewolucji (modyfikacji
DNA).
Duże dawki promieniowania są
niebezpieczne dla zdrowia i życia.
Przebywanie na obszarach o
podwyższonym poziomie
promieniowania może powodować raka
i chorobę popromienną.
8.
9. Promieniowania nie widzimy, nie czujemy – nie możemy go
wykryć za pomocą naszych zmysłów. Do moich eksperymentów
nad promieniowaniem posłużyłem się licznikiem Geigera-Mullera
opartym o tubę SBM-20.
Możliwości i zalety: Minusy:
• liczenie cząstek • nie pozwala określić energii
przelatujących przez tubę promieniowania
• znana charakterystyka do • nie jest w stanie wykryć
obliczania skutków promieniowania alfa i
biologicznych niskoenergetycznego beta
• prosta budowa i łatwość
obsługi
10. Schemat budowy zestawu pomiarowego:
TUBA SBM-2o KOMPUTER +
OPROGRAMOWANIE
WZMACNIACZ
GENERATOR IMPULSÓW Z
WYSOKIEGO TUBY
KONSOLA
NAPIĘCIA
POMIAROWA
400V
COACHLAB II+
Projekt zakładał zbudowanie zestawu pomiarowego, napisanie
odpowiedniego oprogramowania do obsługi sprzętu oraz
przeprowadzenie szeregu doświadczeń związanych z
promieniowaniem jonizującym.
11.
12. Złącze do
CoachLab
bateria 9V
SBM-20
transformator
13. Konieczne było zaprojektowanie układu który pozwoli zasilić tubę odpowiednim
napięciem oraz odczyt danych przez konsolę CoachLab II+.
Przetwornica napięcia 9V na 400V:
Timer ne555 generuje sygnał o przebiegu prostokątnym o częstotliwości ok. 5kHz, który jest
podawany na bazę tranzystora BUZ11
Tranzystor zasila impulsowo transformator starego zasilacza (z 230V na 9V) podłączony „na
odwrót” tzn. jako uzwojenie pierwotne podłączone uzwojenie, które było wtórnym w
zasilaczu
Podwyższone napięcie z transformatora jest prostowane przez mostek prostowniczy
zbudowany z czterech szybkich diod, a następnie filtrowane kondensatorem wysokiego
napięcia, ponieważ tuba wymaga zasilania prądem stałym
Przetwornica podczas pracy pobiera prąd około 45mA
Wzmacniacz impulsów z tuby, pomiar wykonywany przez CoachLab II+
Impulsy z tuby są kierowane na bazę tranzystora 2N555, który je wzmacnia i zasila diodę
LED oraz diodę w transoptorze
Transoptor służy do odizolowania galwanicznego Coach’a od reszty układu (w celach
bezpieczeństwa – aby wysokie napięcie nie uszkodziło konsoli lub komputera)
Do odczytywania impulsów używamy wejścia analogowego Coach’a, które mierzy napięcie.
Amplituda impulsu wynosi około 5V
14. SBM-20 to radziecka tuba występująca m.in. w dozymetrze Biełła
Została wybrana ze względu na dobrze znaną charakterystykę oraz zakres
pomiarowy pozwalający wykryć promieniowanie tła
Umożliwia pomiar promieniowania gamma oraz w nieznacznym stopniu – beta.
Promieniowanie alfa nie jest w stanie przeniknąć przez metalowe ścianki tuby
Zasada działania
Gdy przez tubę przelatuje cząstka jonizująca, jonizuje ona gaz wewnątrz tuby. Po
zjonizowaniu gazu pomiędzy elektrodami tuby przepływa prąd, który możemy
zmierzyć. Wyładowanie zostaje szybko zgaszone, aby możliwa była rejestracja kolejnej
cząstki.
Konstrukcja tuby: katoda - metalowy cylinder
mieszanina gazów pod niskim ciśnieniem: Ne + Br2+Ar anoda – cienki drut
15. zarejestrowana jedna
cząstka promieniowania
czas martwy tuby
szum z zasilacza –
nie miał żadnego
wpływu na pomiary
16. 6000
5000
liczba zliczeń (N)
4000
3000
2000
1000
0
254 304 354 404 454 504 554
napięcie U (V)
W celu zbadania działania układu oraz dopasowania odpowiedniego zasilania
tuby sporządzono charakterystykę napięciową. Wyznaczony został w ten sposób
przedział napięcia którym powinno się zasilać tubę tzw. plateau tuby.
17. Liczba impulsów informuje nas o natężeniu promieniowania (liczbie rejestrowanych
cząstek w określonym czasie)
Ponieważ zjawisko promieniotwórczości ma charakter losowy, statystyczny (co
widać na wykresie), większą dokładność otrzymuje się po dłuższym czasie pomiaru.
Przykładowy wykres U(t) (impulsy napięcia rejestrowane przez COACH)
Dzięki możliwości zobaczenia takiego wykresu, a nie suchego wyniku ten licznik jest
wyjątkowy – idealny do pokazów w szkolnych pracowniach fizycznych
Zadaniem było zliczyć wszystkie pionowe kreski – każda odpowiadała jednej
cząstce przechodzącej przez tubę. W tym celu dane z COACH zostały zapisane w
pliku tekstowym i przetworzone przez program liczący.
19. Każdy pomiar obarczony jest niepewnością pomiarową. W celu obliczenia niepewności
pomiarowych wykorzystywane będą następujące metody:
Jako niepewność liczby zliczeń impulsów
(N), oraz szybkości liczby zliczeń (I) na
podstawie jednego pomiaru przyjmuję
średnie odchylenie standardowe w
rozkładzie Poissona.
Niepewność pomiarowa średniej
arytmetycznej z większej ilości pomiarów
o takim samym czasie trwania jest równa:
Często w zdarza się konieczność
odejmowania wpływu tła od wyniku
pomiaru. Niepewność w takim wypadku
jest sumą geometryczną niepewności
standardowych tła oraz pomiaru i wyraża
się wzorem:
20. Zakładając, że w przybliżeniu w każdej elektrodzie jest tyle samo atomów izotopów
promieniotwórczych toru, mogę pokazać, że zależność natężenia promieniowania
wykrywanego przez licznik od ilości atomów izotopów emitujących promieniowanie jest
liniowa co potwierdza poprawność działania układu.
4.5
4
3.5
3
2.5
cps
2
1.5
1
0.5
0
0 1 2 3 4
ilość elektrod
21. Wykrywanie promieniowania - niekonwencjonalnie
Zdecydowanie bardziej oryginalnym detektorem promieniowania może być
matryca CCD zwykłego aparatu. Poniżej przedstawiam obraz z kamery
internetowej, której matryca została przysłonięta folią aluminiową – bez
promieniowania i z promieniowaniem.
brak promieniowania małe natężenie bardzo duże natężenie
Rejestrowane było niskoenergetyczne promieniowanie X. Sposób działania
aparatu opiera się na efekcie fotoelektrycznym wewnętrznym. Matryca CCD jest
czuła bardzo podobnie jak na światło widzialne.
Niestety w warunkach domowych nie mam możliwości kalibracji takiego sprzętu.
Jedno jest pewne – jeśli na zdjęciu z aparatu zobaczysz białe kropki
spowodowane promieniowaniem to jego natężenie jest zwykle BARDZO DUŻE.
22.
23.
24.
25. Na promieniowanie pochodzenia naturalnego i sztucznego które
składają się na tło promieniotwórcze jesteśmy narażeni przez całe
życie. Natężenie promieniowania tła jest różna w zależności od
miejsca i czasu badania.
promieniowanie
radon w powietrzu
kosmiczne
źródła tła promieniotwórczego
promieniotwórczość izotopy w skorupie
pochodzenia sztucznego ziemskiej
26.
27. 250
200
liczba zliczeń (N)
150
(0,14 ± 0,09) µSv/h
100
50
(1,2 ± 0,7) mSv
0
1 2 3 4 5 6 7 8
numer pomiaru (każdy trwał 500s)
szara gruba linia na wykresie przedstawia wartość średnią
liczby zliczeń wraz z niepewnością pomiarową
1,5 - 3,5 mSv
cps = liczba zliczeń na sekundę
28. Elektrownia atomowa oddalona o kilkadziesiąt kilometrów od
naszego domu niekoniecznie jest najbliższym miejscem
występowania radioaktywnych materiałów. Nawet nie zdajemy
sobie sprawy z tego jak dużo radioaktywnych pierwiastków
znajdziemy w naszym domu.
Oczywiście musiałem zbadać takie źródła promieniowania
jonizującego oraz dowiedzieć się jaki wpływ mogą mieć na
organizmy żywe.
Następnie wykonałem „promieniotwórcze mapy” pokazujące
promieniowanie w domu i szpitalach.
35. stosunek
liczba zliczeń
ilość badanej promieniowania
obiekt badania w
próbki próbki do
40 sekund
promieniowania tła
koszulka Auera 1szt./3g 2960 20 211
KCl 27g 160 3 11
elektroda TIGG 1szt./2,5g 40 2 2,8
szkło uranowe 3,1g 41 3 2,9
popiół 500g 10 1 0,7
kurz i pył
węglowy
100g 8 1 0,5
tło - 14 1 1
36. Podczas każdego pomiaru tuba stykała się z próbką. Wyniki pokazują, że
przedmioty będące źródłem promieniowania o rejestrowanym natężeniu
możemy bez problemu nabyć np. w sklepie budowlanym, turystycznym,
ogrodniczym (nawozy potasowe).
Promieniowanie przedmiotów znalezionych w domu -
nawet 250 mSv na rok (przy bezpośrednim, stałym
kontakcie z koszulką Auera np. noszeniu w kieszeni)
Dawka pochłonięta przez ludzi sąsiadujących
z elektrowniami atomowymi
to mniej niż 0,06 mSv na rok
37. Oczywiście nikt nie ma permanentnego i bezpośredniego kontaktu z
badanymi źródłami przez dłuższy okres czasu. Koszulkę żarową wkładamy
do lampy, która absorbuje większość promieniowania, elektrodami
spawamy przez chwilę (tutaj mogą być jednak alfa-promieniotwórcze opary
– należy uważać!).
Moją szczególną uwagę zwrócił węgiel i produkty jego spalania – są
radioaktywne. Wysnuwam wniosek, że elektrownie węglowe również
zanieczyszczają środowisko radioaktywnie. Wniosek ten potwierdzam
szybko w literaturze (niestety nie miałem możliwości przebadania hałd
spalonego węgla – musiały mi wystarczyć eksperymenty w domu).
Roczna dawka promieniowania pochłoniętego w okolicy elektrowni
węglowej może być nawet 3-6 razy większa niż w przypadku elektrowni
jądrowej.
Należy jednak spokojnie stwierdzić, że nie niesie to z sobą żadnego
zagrożenia dla zdrowia lub życia ludzi mieszkających w pobliżu elektrowni.
38. KCl zamknięte w szklanej kolbie.
Nawet w takim opakowaniu licznik
pokazuje 6 zliczeń ponad tło.
39. Współczesne elektrownie atomowe posiadają wiele systemów
bezpieczeństwa jednakże nierzetelne byłoby nie dopuszczać
możliwości wystąpienia tragicznych w skutkach katastrof.
Do kolejnego eksperymentu wprowadźmy następujące założenia:
uwolnieniu ulega radioaktywne paliwo jądrowe
posiada stały stan skupienia (zakładam, że do powietrza poza budynkiem
elektrowni nie przedostają się lotne pierwiastki promieniotwórcze)
miejsce występowania możemy traktować w przybliżeniu jako punkt
pomijamy obecność atmosfery
Jakie znaczenie w takim przypadku ma
odległość przebywania od miejsca skażenia na
moc dawki pochłoniętej przez organizm żywy?
40. Do zbadania tego problemu została użyta koszula Auera zwinięta w małą kulkę.
Zbadana została zależność natężenia promieniowania I, od odległości tuby od źródła r.
źródło promieniowania 16
r 14
12
SBM-2o
10
natężenie I (N/s)
8
6
4
2
0
0 0.1 0.2 0.3
odległość 1 / r 2 (1/cm2)
WNIOSEK z pomiarów:
Natężenie promieniowania jest wprost proporcjonalne do 1/r2. Oznacza to, że
przebywając dwa razy dalej od miejsca skażenia jesteśmy narażeni na cztery razy
mniejszą moc dawki promieniowania.
41. Niestety w większości katastrof jądrowych skażenie radioaktywne
rozprzestrzenia się również w powietrzu co powoduje duże skażenie na
znacznych obszarach. Również usuwanie skażenia wymaga pracy ludzi
w warunkach silnego promieniowania.
Konieczne jest stosowanie kombinezonów ochronnych które będą
wstanie zaabsorbować promieniowanie.
Z jakich materiałów można zrobić taki kombinezon? Czy każdy
kombinezon może być użyty w każdych warunkach?
Aby zdobyć odpowiedzi na te pytania postanowiłem przebadać dwa
różne materiały pod kątem pochłaniania promieniowania:
ołów – o dużej gęstości
papier – o małej gęstości
42. Wiązka promieniowania gamma o natężeniu I0 przechodząc przez materię
ulega osłabieniu. Natężenie promieniowania po przejściu przez warstwę o
grubości x wyraża się wzorem:
gdzie µ jest liniowym współczynnikiem pochłaniania i charakteryzuje
materiał pochłaniający. Współczynnik ten jest zależny od rodzaju ośrodka i
energii promieniowania gamma.
Mając do dyspozycji:
źródło promieniowania złożone z czterech koszulek Auera
blaszki ołowiane
kartki papieru
badałem przechodzenie promieniowania przez warstwę papieru i ołowiu. Oszacowałem
liniowe współczynniki pochłaniania i porównałem przydatność materiałów do ochrony
przed promieniowaniem gamma.
43. x (cm) Liczba zliczeń N ln(N)
W celu wyeliminowania osłabienia
0 2647 7,88
geometrycznego, źródło było w stałej
0,02 743 6,61
odległości od detektora promieniowania.
0,03 661 6,49
Kolejne warstwy materiału absorbującego
0,05 610 6,41
były wkładane pomiędzy źródło i tubę.
0,07 571 6,35
Wpływ powietrza na osłabienie natężenia
0,08 551 6,31
został pominięty.
0,1 543 6,30
Tabela obok przedstawia wyniki pomiarów.
0,12 517 6,25
0,15 514 6,24
ANALIZA WYKRESÓW Z NASTĘPNYCH SLAJDÓW:
Zauważam, że do wszystkich punktów pomiarowych nie da się dopasować jednej prostej.
Pomiary zostały powtórzone 4 razy uzyskując zbliżone rezultaty.
Już cienka warstwa ołowiu mocno osłabia promieniowanie (niebieskie punkty), a dalszy
spadek natężenia wymaga grubszej warstwy ołowiu (czerwone punkty).
Oznacza to, że mam do czynienia z co najmniej dwiema energiami kwantów
promieniowania gamma. Promieniowanie o niższej energii jest całkowicie tłumione już w
cienkiej warstwie ołowiu, a przez grubsze warstwy przechodzi promieniowanie o wyższej
energii.
Należy rozpatrywać dwa współczynniki absorpcji dla promieniowania o różnych energiach.
45. 6.6
y = -3.608x + 6.599
6.55 Z wykresu odczytujemy µ = 3,6cm-1
6.5 Jest to liniowy współczynnik absorpcji
6.45
dla promieniowania o wyższej energii.
ln(N)
Dzięki znajomości tego
6.4
współczynnika, możemy obliczyd ilośd
6.35
zliczeo N dla mniejszego x, a następnie
6.3 odejmując od zmierzonego N wyznaczyd
6.25 liczbę zliczeo tylko dla promieniowania
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
o mniejszej energii.
x (cm)
9 Obliczone wartości przedstawia wykres
8 y = -236.5x + 7.868 obok. Możemy na jego podstawie podad
7
6
liniowy współczynnik absorpcji dla
5 promieniowania o niższej energii.
ln(N)
4 µ = 240 cm-1
3
2
1
0
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035
x (cm)
47. 6.7
Z wykresu µ = 0,6 cm-1
6.65
6.6
Jest to liniowy współczynnik absorpcji
y = -0.574x + 6.796
6.55 dla promieniowania o wyższej energii.
6.5 Dzięki znajomości tego
6.45
ln(N)
6.4
współczynnika, można obliczyd ilośd
6.35 zliczeo (N) promieniowania o mniejszej
6.3 energii.
6.25
6.2
6.15
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
8 x (cm)
7.5 Obliczone wartości przedstawia wykres
7
obok. Można na jego podstawie podad
6.5 y = -10.95x + 7.636
6
liniowy współczynnik absorpcji dla
promieniowania o niższej energii.
ln(N)
5.5
5 µ = 11 cm-1
4.5
4
3.5
3
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
x (cm)
48.
49. Promieniowanie gamma jest bardzo przenikliwe, a jego
przenikliwość w danym materiale zależy od energii (im wyższa
energia tym bardziej przenikliwe jest promieniowanie). Zatem nie
zawsze określona warstwa materiału (np. kombinezon) będzie w
stanie zatrzymać odpowiednią część promieniowania tak aby
zabezpieczyć człowieka.
Porównując współczynniki absorbcji ołowiu i papieru, a także
narysowane wykresy widzimy, że ołów jest znacznie lepszą osłoną
przed promieniowaniem od papieru. Niestety jest znacznie
cięższy, toksyczny i raczej ciężko z niego zrobić wygodny strój.
Dlatego zwykle stosuje się gumę zmieszaną z drobinkami ołowiu.
Na następnym slajdzie przedstawione zostały dokładne przeliczniki
pomiędzy ołowiem a papierem oraz grubości kolejnych warstw
połowiących (prawdziwe tylko dla tego źródła promieniowania!) .
50.
51. Czy można połączyć tubę Geigera i zestaw
LEGO Mindstorms NXT? Dlaczego nie! W pełni
działający detektor pozwala na pomiar
natężenia promieniowania. Układ zasilany jest z
NXT, a schemat podłączenia jest prawie
identyczny jak schemat podłączenia do Coach.
Obecnie trwają intensywne prace nad robotem
posiadającym ten detektor
promieniowania, który będzie w stanie
poszukiwać obszarów skażonych
promieniotwórczo oraz (w miarę możliwości)
usuwać źródło skażenia.
Roboty tego typu mogą zastąpić ludzi w akcjach
usuwania skutków katastrof jądrowych.
52. Zbadałem, że w naszym otoczeniu znajduje się wiele
radioaktywnych pierwiastków – uran, tor, potas, a przed
promieniowaniem jonizującym praktycznie nie ma ucieczki.
Promieniowanie pochodzące od prawidłowo działającej elektrowni
atomowej jest wielokrotnie niższe od promieniowania które
emitują elektrownie węglowe, a nawet od dawki którą
przyjmujemy podczas kontaktu z koszulkami Auera i innymi
powszechnie występującymi pierwiastkami promieniotwórczymi.
Pokazałem w jaki sposób różne materiały mogą chronić nas przed
promieniowaniem, co jest szczególnie ważne podczas prac w
środowisku o podwyższonej radiacji.
W naszym kraju powinna zostać podjęta rzeczowa dyskusja i
edukacja, aby promieniowanie nie budziło powszechnego strachu.
