| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Výzkumný program Laboratoře optické absorpční spektroskopie v Centru výzkumu Řež
David Zoul, Markéta Koplová, Vít Rosnecký, Michal Košťál, Miroslav Vinš, Jan Šimon, Martin Schulc, Martin Cabalka, Jan Kučera, Vladimír Strunga
Roku 2016 byla ve společnosti Centrum výzkumu ŘežCVŘ – Centrum Výzkumu Řež, s. r. o., dceřiná společnost Ústavu jaderného výzkumu, a. s., sídlící společně ve stejném areálu nedaleko Prahy (s detašovanými pracovišti v Plzni a v Brně). zřízena Laboratoř optické absorpční spektroskopie, jejíž výzkum navazuje na dříve publikované práce [1, 2, 3]. Naším cílem je využití polykarbonátu (PC) jako integrujícího dozimetru pro záření gama a neutrony, fungujícího na bázi radiochromického (kolorizačního) jevuRadiochromický jev – fyzikálně-chemický proces, kterým se po vystavení některých materiálů poli ionizujícího záření mění jejich optická hustota (zpravidla roste)..
Vysokoaktivní gama ozařovna v Centru výzkumu Řež
|
CVŘ – Centrum Výzkumu Řež, s. r. o., dceřiná společnost Ústavu jaderného výzkumu, a. s., sídlící společně ve stejném areálu nedaleko Prahy (s detašovanými pracovišti v Plzni a v Brně). Ionizující záření – jakékoli radiační pole, jehož kvanta mají dostatečnou energii, aby ionizovaly atomy a molekuly. V biomedicíně musí proniknout do těla a ionizovat biomolekuly. Absorbovaná dávka – D, energie ionizujícího záření pohlcená při průchodu látkou jednotkovým množstvím hmoty (dE/dm). Jednotkou je jeden gray (Gy = J/kg). U člověka dochází k prvním projevům nemoci z ozáření po celotělové aplikaci dávky 1 Gy, za smrtelnou je považována dávka cca 5 Gy. Dávky nad 100 Gy mohou člověka usmrtit i na místě. Aktivita zdroje – počet jaderných přeměn za jednotku času (dN/dt), které nastanou v daném zdroji ionizujícího záření. Každá jaderná přeměna bývá spojena s emisí jedné částice ionizujícího záření. Jednotkou je becquerel (Bq = s−1), starší jednotkou je curie (1 Ci = 3,7×1010 Bq). Optická denzita – OD, dekadický logaritmus podílu intenzity dopadajícího a prošlého světelného záření. Fluence částic – podíl počtu částic dopadajících na malou kouli a plochy jejího příčného řezu. Jednotkou je m−2. Gama karotáž – metoda průzkumu geologického podloží založená na umístění vysoce aktivního zdroje ionizujícího záření hluboko pod zem. Následuje detekce emitovaného ionizujícího záření procházejícího různými vrstvami podloží. Spektrofotometrie – analytická metoda pro stanovení vlastností vzorku na základě jeho absorpčních vlastností pro světlo různých vlnových délek. Neutronová aktivační analýza – analytická metoda založená na měření indukované aktivity a její časové změny ve vzorku ozářeném neutrony. |
Cíle a využití
Dozimetrie vysokých dávek ionizujícího záření má široké využití nejen v oblasti základního a aplikovaného výzkumu, ale též v nejrůznějších průmyslových odvětvích. Jako příklady ozařování vysokou dávkou lze uvést sterilizaci potravin a prodloužení doby skladovatelnosti, nástrojů a materiálů pro jednorázové použití, odpadů, starožitností napadených dřevokaznými organizmy. Dalšími aplikacemi jsou: biologický a genetický výzkum, inhibice klíčivosti semen, zpomalení zrání plodů, dále pak testování radiační odolnosti materiálů, defektoskopie, geologický průzkum (gama karotážGama karotáž – metoda průzkumu geologického podloží založená na umístění vysoce aktivního zdroje ionizujícího záření hluboko pod zem. Následuje detekce emitovaného ionizujícího záření procházejícího různými vrstvami podloží.), průmyslové ozařování materiálů (například síťování a roubování polymerů či barvení drahokamů působením ionizujícího záření), v neposlední řadě pak pochopitelně jaderná energetika a jiné.
Pro dozimetrii vysokých dávek neutronové a gama radiace je změna optické denzityOptická denzita – OD, dekadický logaritmus podílu intenzity dopadajícího a prošlého světelného záření. snadno a levně měřitelným parametrem, a to dokonce i v terénu, kde lze využít ruční přenosný denzitometr. V této oblasti je proto použití pevnolátkových organických radiochromníchRadiochromický jev – fyzikálně-chemický proces, kterým se po vystavení některých materiálů poli ionizujícího záření mění jejich optická hustota (zpravidla roste). dozimetrů mnohem jednodušší než použití alaninovýchAlanin – nepolární α-aminokyselina. či gelových dozimetrů, jež vyžadují pro své vyhodnocení velmi časově i finančně náročné laboratorní metody (elektronovou paramagnetickou rezonanciEMR (elektronová magnetická rezonance) – magnetická spinová rezonance na spinech elektronů v atomárních obalech. Rezonanční frekvence je úměrná vnějšímu magnetickému poli s koeficientem úměrnosti 1,44 MHz/T., resp. nukleární magnetickou rezonanciNMR (nukleární magnetická rezonance) – magnetická spinová rezonance na spinech neutronů a protonů atomových jader. Rezonanční frekvence je úměrná vnějšímu magnetickému poli s koeficientem úměrnosti 0,76 kHz/T. ).
Naším záměrem je posoudit možnosti, jak nahradit výše uvedené nákladné metody zhruba o dva řády levnější optickou denzitometrií, která poskytne potřebné výsledky v horizontu minut, a to buď prostřednictvím stolního skeneru, nebo dokonce přenosného ručního denzitometru. [4, 5].
Polykarbonát a jeho vlastnosti
Polykarbonát (PC) je polyester kyseliny uhličité, který se vyrábí postupnou polymerací bisfenolu A s fosgenem. Jedná se o transparentní polymer s velkým indexem lomuIndex lomu – absolutní index lomu je v homogenním izotropním prostředí bez disperze definován jako podíl rychlosti světla a fázové rychlosti. Obecně je index lomu komplexní veličina závislá na frekvenci, v případě anizotropního prostředí tenzorová. Frekvenční závislost reálné části popisuje disperzi v daném prostředí. Imaginární část indexu lomu popisuje (v závislosti na znaménku) absorpci nebo zesílení světla. Relativní index lomu je dán poměrem indexů lomu prostředí, do kterého záření vstupuje vůči indexu lomu prostředí, z něhož záření vychází. Na rozhraní dvou prostředí je relativní index lomu roven podílu sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu (Snellův zákon). Uvozující přídavné jméno (absolutní nebo relativní) se často vypouští, takže zda se jedná o absolutní či relativní index lomu poznáme pouze z kontextu. (n = 1,584) a velkou propustností světla (nejméně 80 % pro desku o tloušťce 10 mm) [6].
Obr. 1: Strukturní vzorec molekuly polykarbonátu
Při ozařování polykarbonátu dochází k radiochromickému jevuRadiochromický jev – fyzikálně-chemický proces, kterým se po vystavení některých materiálů poli ionizujícího záření mění jejich optická hustota (zpravidla roste). – optická denzitaOptická denzita – OD, dekadický logaritmus podílu intenzity dopadajícího a prošlého světelného záření. polymeru narůstá s dávkouAbsorbovaná dávka – D, energie ionizujícího záření pohlcená při průchodu látkou jednotkovým množstvím hmoty (dE/dm). Jednotkou je jeden gray (Gy = J/kg). U člověka dochází k prvním projevům nemoci z ozáření po celotělové aplikaci dávky 1 Gy, za smrtelnou je považována dávka cca 5 Gy. Dávky nad 100 Gy mohou člověka usmrtit i na místě.. Fyzikálně chemickým principem je vznik barevných center. Uplatňují se při něm zejména radikálové procesy [7, 8].
Změny optické denzity [9] nastávají nejprve převážně v ultrafialové oblasti spektra (10–380 nm), pro vyšší dávky se rozšiřují do viditelné oblasti (380–760 nm). Stanovení sledovaných změn se provádí spektrofotometricky.
Experimentální zařízení
Centrum výzkumu ŘežCVŘ – Centrum Výzkumu Řež, s. r. o., dceřiná společnost Ústavu jaderného výzkumu, a. s., sídlící společně ve stejném areálu nedaleko Prahy (s detašovanými pracovišti v Plzni a v Brně). disponuje speciálně konstruovanou vysokoaktivní gama ozařovnou, vybavenou radionuklidovým zářičem 60Co o aktivitě 200 TBq (Obr. 2), kde lze vzorek přesně polohovat vzhledem k zářiči tak, aby bylo dosaženo požadovaného dávkovéhoAbsorbovaná dávka – D, energie ionizujícího záření pohlcená při průchodu látkou jednotkovým množstvím hmoty (dE/dm). Jednotkou je jeden gray (Gy = J/kg). U člověka dochází k prvním projevům nemoci z ozáření po celotělové aplikaci dávky 1 Gy, za smrtelnou je považována dávka cca 5 Gy. Dávky nad 100 Gy mohou člověka usmrtit i na místě. příkonu v rozmezí cca 0,1–10 kGy/h. Radioizotop 60Co emituje fotony gama dvou velmi blízkých energií 1 173 keVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. a 1 333 keV. Ocelové pouzdro zářiče vytváří tzv. „build-up vrstvu“, ve které se část emitovaných fotonů pohltí a vyrazí do prostoru proud elektronů. Vzorky jsou tak v ozařovně ve skutečnosti vystaveny směsnému poli fotonů i elektronů.
Obr. 2: Vnitřní schéma vysokoaktivní kobaltové ozařovny
„Malý kobalt“ Centra výzkumu Řež
Jako další zdroj ionizujícího záření jsme využili výzkumný jaderný reaktor LVR-15 chlazený a moderovaný lehkou vodou (Obr. 3). Jak naznačuje číslovka v názvu, dosahuje reaktor maximálního tepelného výkonu až 15 MW, běžný provozní výkon je však obvykle udržován v rozmezí 10–12 MW. Aktivní zónou reaktoru prochází série horizontálních i vertikálních kanálů (viz Obr. 3 vpravo) s různými velikostmi neutronového toku.
Obr. 3: Zdroj intenzivního neutronového záření – experimentální jaderný reaktor LVR-15
Ozařování probíhalo v jednom z horizontálních kanálů s příkonem fluence rychlých neutronů (o energii vyšší než 100 keV) 3,63×1013 cm−2 s−1 a s příkonem fluence fotonů (o energii vyšší než 1000 keV) 4,63×1013 cm−2 s−1.
Optická absorpční spektroskopie ozářených vzorků
Všechny testované vzorky byly nařezány diamantovým kotoučem z polykarbonátových desek MAKROCLEAR (Omniplast, s. r. o.), které se vyrábí lisováním z polykarbonátové pryskyřice bez přísad. Vzorky rozměru 10×10×10 mm3 byly během krátkého časového období (v řádu minut až několika dnů) vystaveny vysokým dávkám gama či neutronové radiace.
Obr. 4: Polykarbonátové vzorky ozářené různě velkými dávkami gama radiace
Přibližně do jedné hodiny po vyjmutí z kobaltové ozařovny byl každý vzorek měřen na transmisním skeneru Epson Perfection 850-Pro v Laboratoři optické absorpční spektroskopie, který umožňuje měřit optickou denzituOptická denzita – OD, dekadický logaritmus podílu intenzity dopadajícího a prošlého světelného záření. až 10 mm silných vzorků, a to na různých vlnových délkách procházejícího světla (Obr. 5).
Obr. 5: Transmisní skener Epson Perfection 850-Pro
V oblasti krátké vlnové délky 450 nm dochází při dávceAbsorbovaná dávka – D, energie ionizujícího záření pohlcená při průchodu látkou jednotkovým množstvím hmoty (dE/dm). Jednotkou je jeden gray (Gy = J/kg). U člověka dochází k prvním projevům nemoci z ozáření po celotělové aplikaci dávky 1 Gy, za smrtelnou je považována dávka cca 5 Gy. Dávky nad 100 Gy mohou člověka usmrtit i na místě. nad 50 kGy k pozvolné saturaci a při dávkách nad 100 kGy (ODOptická denzita – OD, dekadický logaritmus podílu intenzity dopadajícího a prošlého světelného záření. ≈ 2,3) i k saturaci úplné. Na větších vlnových délkách se závislost OD(D) (optické denzity na dávce) od dávky 100 kGy jen pozvolna zmenšuje, k úplné saturaci dochází až mnohem později – při dávce okolo 500 kGy. Nicméně, již od 200 kGy nejistota stanovení dávky z OD rychle narůstá (Obr. 6).
Obr. 6: Závislost OD(D) polykarbonátu pro gama záření 60Co,
měřená na různých vlnových délkách viditelného světla
Výsledky se navíc velmi dobře shodují (odchylky do 7 %) s výsledky, jež jsme získali o čtvrt roku dříve na vzorcích o rozměru 50×50×10 mm3, čímž jsme prokázali nezávislost tohoto levného a jednoduchého způsobu vyhodnocení na plošném obsahu použitých dozimetrů.
Identická měření jako u vzorků ozářených gama radiací 60Co proběhla též na vzorcích ozářených směsným polem neutronů různých energií a fotonů gama. Měření bylo opět prováděno na výzkumném jaderném reaktoru LVR-15. Výsledky shrnuje Obr. 7.
Obr. 7: Závislost OD(D) polykarbonátu pro spektrum LVR-15,
měřená na různých vlnových délkách viditelného světla
Během ozařování neutronovým svazkem se vzorky rychle zahřívají, proto byla iradiace provedena prozatím pouze do dávkyAbsorbovaná dávka – D, energie ionizujícího záření pohlcená při průchodu látkou jednotkovým množstvím hmoty (dE/dm). Jednotkou je jeden gray (Gy = J/kg). U člověka dochází k prvním projevům nemoci z ozáření po celotělové aplikaci dávky 1 Gy, za smrtelnou je považována dávka cca 5 Gy. Dávky nad 100 Gy mohou člověka usmrtit i na místě. cca 100 kGy. Neutronová aktivační analýzaNeutronová aktivační analýza – analytická metoda založená na měření indukované aktivity a její časové změny ve vzorku ozářeném neutrony. ukázala, že 70 kGy připadalo na neutrony, 30 kGy na fotony gama.
Po vyjmutí z reaktoru zůstaly vzorky slabě radioaktivní po dobu několika dnů. Důvodem byla přítomnost stopového množství manganu, který se v reaktoru krátkodobě aktivoval.
Obr. 8 ukazuje závislost OD(D) pro reprezentativní vlnovou délku světla 570 nm, na níž nejčastěji provádíme přepočet ODOptická denzita – OD, dekadický logaritmus podílu intenzity dopadajícího a prošlého světelného záření. na dávkuAbsorbovaná dávka – D, energie ionizujícího záření pohlcená při průchodu látkou jednotkovým množstvím hmoty (dE/dm). Jednotkou je jeden gray (Gy = J/kg). U člověka dochází k prvním projevům nemoci z ozáření po celotělové aplikaci dávky 1 Gy, za smrtelnou je považována dávka cca 5 Gy. Dávky nad 100 Gy mohou člověka usmrtit i na místě.. Z grafu je zřejmý velmi podobný, avšak pozvolnější průběh závislosti OD(D) pro vzorky ozářené polem reaktoru LVR-15, oproti vzorkům ozářeným fotony gama 60Co. V důsledku nižší citlivosti polykarbonátových (PC) dozimetrů vůči neutronové radiaci je tak možno na větších vlnových délkách světla měřit ještě vyšší dávky (zhruba o třetinu) než pro záření gama 60Co.
Obr. 8: Porovnání závislosti optické denzity na dávce OD(D) po ozáření různě velikými dávkami 0–100 kGy fotonů gama 60Co a dávkami radiačního spektra jaderného reaktoru LVR-15. Je dobře patrné, že až do dávky cca 30 kGy jsou odezvy PC dozimetrů prakticky nezávislé na druhu záření a lze pro ně tudíž použít identickou kalibrační křivku.
Porovnání výsledků polykarbonátové a alaninové dozimetrie
Optickou odezvu PolykarbonátovýchPolykarbonát – polyester kyseliny uhličité, který se vyrábí postupnou polymerací bisfenolu A s fosgenem. Jedná se o transparentní polymer s velkým indexem lomu (n = 1,584) a velkou propustností světla. (PC) dozimetrů na dávku lze snadno proložit polynomem třetího stupně s vysokým stupněm korelace. AlaninovéAlanin – nepolární α-aminokyselina. dozimetry, které jsou aktuálně nejvíce využívaným materiálem pro integrující dozimetrii vysokých dávek neutronové a gama radiace, mají v poměrně širokém rozsahu dávek odezvu lineární, s vysokým stupněm korelace (Obr. 9).
Obr. 9: Odezva alaninového dozimetru na dobu ozařování
v horizontálním kanálu
výzkumného reaktoru LVR-15, vyjádřená v jednotkách
dávky
Pro odečet dávky z ozářeného alaninuAlanin – nepolární α-aminokyselina. se používá metoda EPR (elektronová paramagnetická rezonance), která měří rozdělení energií spinu nepárovaného elektronu v magnetickém poli a přechody mezi jednotlivými spinovými stavy vyvolané mikrovlnným zářením. Metoda je tedy citlivá na přítomnost molekul s nenulovým elektronovým spinem, čili částice s nepárovými elektrony jako jsou radiačně indukované volné radikály. Alaninová dozimetrie je certifikovanou metodou, která dokáže pracovat s celkovou nejistotou do 3 %.
S cílem stanovit míru spolehlivosti naší fotometrické metody jsme provedli sérii společných ozáření PCPolykarbonát – polyester kyseliny uhličité, který se vyrábí postupnou polymerací bisfenolu A s fosgenem. Jedná se o transparentní polymer s velkým indexem lomu (n = 1,584) a velkou propustností světla. a alaninovýchAlanin – nepolární α-aminokyselina. dozimetrů různě velikými dávkamiAbsorbovaná dávka – D, energie ionizujícího záření pohlcená při průchodu látkou jednotkovým množstvím hmoty (dE/dm). Jednotkou je jeden gray (Gy = J/kg). U člověka dochází k prvním projevům nemoci z ozáření po celotělové aplikaci dávky 1 Gy, za smrtelnou je považována dávka cca 5 Gy. Dávky nad 100 Gy mohou člověka usmrtit i na místě. a různými druhy ionizujícího zářeníIonizující záření – jakékoli radiační pole, jehož kvanta mají dostatečnou energii, aby ionizovaly atomy a molekuly. V biomedicíně musí proniknout do těla a ionizovat biomolekuly.. Následně jsme porovnali výsledky a procentuálně vyjádřili vzájemné odchylky obou metod. Výsledky shrnují tabulky 1 a 2. Je dobře patrné, že v oblasti, kde má kalibrační křivka PC dozimetrů vysokou derivaci (oblast dávek 10–100 kGy), se odchylky od certifikované alaninové dozimetrie pohybují pod 10 % a ještě při dávce okolo 300 kGy nepřekračují významně tuto mez. Mimo tuto oblast jsou odchylky o něco vyšší, pro oblast velmi vysokých dávek (nad 400 kGy), kde již nastává saturace PC dozimetrů, může nejistota stanovení dávky dosahovat i několika desítek procent. Rovněž se zdá, že metoda vykazuje o něco nižší stupeň přesnosti pro směsné pole neutronů a fotonů než pro čisté pole záření gama 60Co. Potvrzení této hypotézy však bude vyžadovat mnohem větší počet měření na reaktoru LVR-15, než bylo dosud provedeno.
| AL dávka (kGy) | PC dávka (kGy) | odchylka (%) |
|---|---|---|
| 7,9 | 9,6 | 17,7 |
| 17 | 17,5 | 2,9 |
| 32 | 31,2 | 2,6 |
| 40 | 43,4 | 7,8 |
| 48 | 53 | 9,4 |
| 57 | 58 | 1,7 |
| 163,8 | 190,3 | 13,9 |
| 369 | 332 | 11,1 |
| 426,6 | 335,7 | 27,1 |
Tab. 1: Porovnání výsledků alaninové a PC dozimetrie pro gama záření 60Co
| AL dávka (kGy) | PC dávka (kGy) | odchylka (%) |
|---|---|---|
| 17 | 17,5 | 2,9 |
| 40 | 36 | 11,1 |
| 60 | 61 | 1,6 |
| 80 | 73 | 9,6 |
Tab. 2: Porovnání výsledků alaninové a PC dozimetrie z reaktoru LVR-15
Závěr
Srovnání s certifikovanou metodou alaninové dozimetrie ukázalo, že polykarbonátová integrující dozimetrie pro záření gama dosahuje v rozmezí 10–100 kGy odchylky menší než 10 % a do dávky 300 kGy se odchylka drží stále významně pod 20 %. V principu je možno měřit dávky od 1 kGy do 500 kGy, kde je však nutno počítat s nejistotami v řádu až několika desítek procent. Podobné či jen o málo vyšší nejistoty, nežli v případě záření 60Co, jsme zaznamenali rovněž pro PC dozimetrii neutronů. Pro vyslovení konečného závěru však bude zapotřebí provést větší počet měření.
Prezentované výsledky byly finančně podpořeny Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy – projekt LQ1603 Výzkum pro SUSEN. Práce byla realizována na velké infrastruktuře Udržitelná energetika (SUSEN) vybudované v rámci projektů CZ.1.05/2.1.00/03.0108 a CZ.02.1.01/0.0/0.0/15_008/0000293. Ozařování v reaktoru LVR-15 bylo realizováno na infrastruktuře CANAM NPI CAS Rez podporované v rámci projektu MŠMT č. LM2015056 a prostřednictvím infrastruktury Reaktory LVR-15 a LR-0, která je finančně podporována Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy – projekt LM2018120.
Centrum výzkumu Řež
Odkazy
- A. Shamshad, M. Rashid, A. Husain: High gamma dose dosimetry by polycarbonates; Radiation Physics and Chemistry 50 (1997) 307–311
- A. M. S. Galante, L. L. Campos: Characterization of polycarbonate dosimeter for gamma-radiation dosimetry; Proceedings of 3rd Europian IRPA Congress, Dosimetry, Helsinki (2010)
- A. M. S. Galante, L. L. Campos: Mapping radiation fields in containers for industrial γ-irradiation using polycarbonate dosimeters; Applied Radiation and Isotopes 70 (2012) 1264–1266
- D. Zoul, M. Cabalka, M. Koplová: A study of using polycarbonate as a reusable radiochromic integrating dosimeter for the determination of high doses of ionizing radiation; RAD Conference Proceedings, vol. 3, pp 138–142 (2018)
- D. Zoul: Studie využití polykarbonátu pro integrující dozimetrii vysokých dávek ionizujícího záření; Bezpečnost jaderné energie 25 [63] 5/6 (2017) 141–149
- V. Serini: Polycarbonates; Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim 2000
- L. Musílek, J. Šeda, J. Trousil: Dozimetrie ionizujícího záření – integrující metody, ediční středisko ČVUT v Praze, 1992
- D. Zoul a kol: Studium molekulárních mechanismů radiochromického jevu v polykarbonátu; Bezpečnost jaderné energie 26 [64] 11/12 (2018) 338–346
- D. Zoul: Studie tmavnutí polykarbonátových desek v poli ionizujícího záření; Bezpečnost jaderné energie 24 [62] 1/2 (2016) 33–38
