-
I
SVEUČILIŠTEJOSIPAJURJASTROSSMAYERAUOSIJEKU
ODJEL ZA FIZIKU
MAJA STRUGAČEVAC
OVISNOST NEUTRONSKE DOZE O
GEOMAGNETSKOJ ŠIRINI NA ZRAKOPLOVNIM
VISINAMA
Završni rad
Osijek, 2013
-
II
SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU
ODJEL ZA FIZIKU
MAJA STRUGAČEVAC
OVISNOST NEUTRONSKE DOZE O
GEOMAGNETSKOJ ŠIRINI NA ZRAKOPLOVNIM
VISINAMA
Završni rad
Predložen Odjelu za fiziku Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku
radi stjecanja zvanja prvostupnice fizike
Osijek, 2013.
-
III
Ovaj završni rad je izrađen u Osijekupod vodstvom prof.dr.sc. Branka Vukovićai dr.sc.
Marine Poje u sklopu Sveučilišnog preddiplomskog studija fizike na Odjelu za fiziku
Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku.
-
IV
Sadržaj
Uvod.....................................................................................................................................1.
1. Teorijski dio
1.1. Nastanak neutrona u atmosferi..................................................................................3.
1.2. Zrakoplovni letovi i mjerenje neutronskog zračenja.................................................4.
2. Eksperimentalni dio
2.1. Materijali i metode mjerenja..................................................................................... 6.
2.2. Nastajanje traga u materijalu detektora..................................................................... 7.
2.3. Baždarenje detektora................................................................................................. 8.
3. Rezultati i rasprava
3.1. Rezultati mjerenja neutronske doze na zrakoplovnim visinama.................................11.
3.2. Usporedba dobivenih rezultata mjerenja s računalnim simulacijama.........................14.
4. Zaključak..........................................................................................................................18.
5.Popis literature..................................................................................................................20.
-
V
Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku Završni rad
Odjel za fiziku
OVISNOSTNEUTRONSKEDOZEOGEOMAGNETSKOJ
ŠIRININAZRAKOPLOVNIMVISINAMA
MAJA STRUGAČEVAC
Sažetak
Udio neutronske komponente kozmičkog zračenja, u ukupnom kozmičkom zračenju na
zrakoplovnim visinama, iznosi od 50 % do 75 %. [1]. Udio neutronske komponente u
ukupnoj dozi ovisit će o nekoliko parametara od kojih je najvažniji geomagnetski efekt.
Neutronska komponenta kozmičkog zračenja mjerena je detektorima nuklearnih tragova LR
115 i CR-39 uz čiju se površinu pričvršćuje folija bora 10B koja služi kao konverter [2]. Na
Odjelu za fiziku Sveučilišta u Osijeku mjerenja ne-neutronske komponente zračenja u
zrakoplovima rađena su korištenjem osobnog termoluminiscentnog dozimetra TLD – 100
(LiF:Mg,Ti).Ne–neutronska komponenta kozmičkog zračenja mjerena je i pomoću
poluvodičkog Mini 6100 dozimetra (Saint – Gobain Crystal & Detectors Ltd., Engleska) koji
je kalibriran za određivanje ambijentalne doze (mSv) [3]. Mjerenja su provedena na nekoliko
interesantnih ruta letenja, od kojih ćemo prikazati samo neke podatke i to s letova koji kao
zajedničku crtu imaju iste polazne aerodrome u Zagrebu, odnosno Frankfurtu: Zagreb –
Frankfurt – Tokyo, Zagreb – Frankfurt – Seoul, Zagreb – Frankfurt – New York, Zagreb –
Frankfurt – Dubai, Zagreb – Frankfurt – Singapur – Sydney.
(27 stranica, 4 slike, 1 tablica, 10 literaturnih navoda)
Rad je pohranjen u knjižnici Odjela za fiziku
Ključne riječi: kozmičko zračenje, zrakoplovne visine, ambijentalna doza, osobni dozimetar
Mentor: Prof. dr. sc. Branko Vuković
Komentor: dr.sc. Marina Poje
Ocjenjivači:
Rad prihvaćen:
-
VI
University Josip Juraj Strossmayer Osijek Bachelor of Physics Thesis
Department of Physics
OVISNOST NEUTRONSKE DOZE O GEOMAGNETSKOJ ŠIRINI NA
ZRAKOPLOVNIM VISINAMA
MAJA STRUGAČEVAC
Abstract
The neutron component of cosmic radiation in total cosmic radiation on the flight altitudes
takes about 50 to 75%. The percentage of the neutron component in the total dose depends on
several parameters among which the most important is geomagnetic effect. The neutron
component of cosmic radiation was measured with nuclear track- etched detectors LR 115 and
CR-39. 10B boron foil is attached to these nuclear track-etched detectors and it is used as a
converter. In the Department of Physics of the J.J.StrossmayerUniversity the measurements of
the non-neutron radiation component in aeroplanes were performed using a personal
dosimeter TLD – 100 (LiF:Mg,Ti). The non-neutron cosmic radiation component was also
measured using a semiconductor dosimeter Mini 6100 (Saint – Gobain Crystal & Detectors
Ltd., England) which was calibrated for ambient dose assessment (mSv). The measurements
were conducted on several interesting flight routes. We will show only pieces of information
from the flights that share the same starting airports in Zagreb and Frankfurt. These are the
selectedinteresting flights: Zagreb – Frankfurt – Tokyo, Zagreb – Frankfurt – Seoul, Zagreb –
Frankfurt – New York, Zagreb – Frankfurt – Dubai, Zagreb – Frankfurt – Singapur – Sydney.
Thesis deposited in Department of Physics library
Keywords:cosmicradiation, neutron ambient equivalent dose, nuclear trail detectors
Supervisor: Professor Branko Vuković, PhD
Marina Poje, PhD
Reviewers:
Thesisaccepted:
-
- 1 -
Uvod
Primarni kozmički proton dolaskom u atmosferu reagira s jezgrama dušika i kisika u
atmosferi, a to međudjelovanje rezultira mnoštvom sekundarnih čestica, među kojima su i
neutroni. Dolazni protoni koji stvaraju neutronsku komponentu kozmičkog zračenja pod
snažnim su utjecajem magnetskog polja Zemlje, što za posljedicu ima manji neutronski tok u
ekvatorijalnom, a veći u polarnom području [3].
Slika 1. Shematski prikaz stvaranja sekundarnog kozmičkog zračenja u atmosferi.
Neutronska komponentna snažno je ovisna o nadmorskoj visini ali i geografskoj širini stoga je
naš cilj proučiti ovisnost neutronske doze o geomagnetskoj širini na zrakoplovnim visinama.
U ovome radu obraditi ćemo podatke sa nekoliko letova na različitim krajevima Zemlje s
ciljem bolje karakterizacije ukupnog polja zračenja. Za mjerenje ne-neutronske komponente
zračenja korišteni sutermoluminiscentni dozimetar TLD – 100 (LiF:Mg,Ti) i Mini 6100
dozimetar, dok je za mjerenje neutronske komponente zračenja korišten neutronski dozimetar
koji se sastoji od detektora nuklearnih tragova CR – 39 i LR 115, koji uz svoju površinu imaju
pričvršćen konverter (foliju bora 10B). Uspoređujući brzine doze na letovima između Europe i
-
- 2 -
Amerike, Europe i Japana, te Europe i Australije možemo zaključiti da letovi bliže ekvatoru
donose manje doze kozmičkog zračenja što je prepoznato kao efekt geomagnetske širine.
Neutronsko zračenje ima vrlo štetne utjecaje na osobe izložene zračenju, posebice pilote i
kabinsko osoblje, ali i osobe koje često putuju zrakoplovima stoga je radi njihove zaštite vrlo
važno mjerenje doze i proučavanje neutronskog zračenja.
-
- 3 -
1. Teorijski dio
1.1. Nastanak neutrona u atmosferi
Primarni kozmički proton dolazi u interakciju s jezgrama dušika i kisika u atmosferi.
Ta interakcija rezultira mnoštvom sekundarnih čestica i fotona. Interakcija primarnog
kozmičkog protona i neutrona u atmosferi opisuje se na sljedeći način:
nnnp
npnp
ppnp
0
Kozmičko zračenje mijenja se s visinom na način da raste porastom visine, odnosno kako se
smanjuje atmosferski štit, a svoj maksimum doseže na 20 km (Pfotzerov maksimum).
Reakcija čestica kozmičkog zračenja s česticama u atmosferi rezultira stvaranjem
radioaktivnih jezgri tzv. kozmogenih radionuklida među kojima su najbrojniji i najpoznatiji:
3H, 7Be, 14C i 22Na [3]. Stvaranje kozmogenih radionuklida najintenzivnije je u stratosferi, ali
visokoenergetski protoni i neutroni dosežu i niže slojeve atmosfere stvarajući kozmogene
radionuklide i na manjim visinama.
Produkcija radionuklida ovisna je o nadmorskoj visini, geomagnetskoj širini, a mijenja
se i s 11 godišnjim solarnim ciklusom.Neutronski tok u ekvatorijalnom području iznosi svega
20% toka u polarnom području jer su protoni koji stvaraju neutronsku komponentu
kozmičkog zračenja pod snažnim utjecjem magnetskog polja Zemlje što pokazuje da
produkcija radionuklida ovisi o geomagnetskoj širini. Neutronska komponenta ima i jaku
ovisnost o nadmorskoj visini. Bouville i Lowder koristili su i eksperimentalna mjerenja i
teorijske račune kako bi dobili izraz za ovisnost neutronske komponentne o nadmorskoj visini
[4]
zaNNN ebEzE 0..
gdje je 0.
NE brzina efektivne doze neutrona na morskoj razini. Koristeći odnose između
nadmorske visine i doze, uz analizu distribucije svjetske populacije po visini, autori su
procijenili da je ta vrijednost 2,5 puta veća od one na morskoj razini [5].
-
- 4 -
Rezultati mjerenja izloženosti vanjskim, prirodnim izvorima zračenja ovisi o nekoliko faktora:
• Geografskoj širini
• Nadmorskoj visini
• Emisiji zračenja prirodnih radionuklida iz tla
• Prekrivenosti neba oblacima
1.2. Zrakoplovni letovi i mjerenje neutronskog zračenja
Polje zračenja na zrakoplovnim visinama sastoji se od neutrona, protona, te neutralnih
i nabijenih piona. Neutroni doprinose sa 40 – 75 % od ukupne brzine doze, ovisno o
nadmorskoj visini, geografskoj širini i razdoblju u aktivnosti Sunca stoga su osobe koje često
lete zrakoplovima, izložene povišenim dozama kozmičkog zračenja galaktičkog i solarnog
podrijetla, sekundarnog zračenja nastalog u atmosferi ili samoj strukturi zrakoplova.
Često se u dozimetrijske svrhe polje zračenja u zrakoplovima dijeli na ne – neutronsko i
neutronsko.Na zrakoplovnim visinama od prosječno 10 000 m, pojedinac može biti izložen
brzini doze od 10 μSv/h. Udijeli neutronske (neutroni ~ 40%, protoni ~15%) i ne – neutronske
(elektroni, fotoni ~ 45%) komponentne zračenja u ukupnoj dozi odnose se tako što približno
polovica pripada neutronskoj komponenti, a polovica ne – neutronskoj komponenti [6.].
Ukozmičkomzračenjunazrakoplovnimvisinamaudioneutronskekomponenteiznosiod 50% do
čak 75% stoga su informacije o neutronskom spektru vrlo važne. Na temelju opširnih
mjerenja pokazalo se da je na velikim visinama efekt geomagnetske širine zanemariv, ali
značajan za neutronsku brzinu toka. Promjena neutronskog spektra s nadmorskom visinom od
12 do 20 km (atmosferska dubina: 201 – 56 g cm-2) je skroman, ali značajan na morskoj
razini (atmosferska dubina: 1000 g cm-2) [7.]
Izloženost zračenju na zrakoplovnim visinama mjeri se redovito, a mjerenja se vrše
različitim vrstama detektora kao što su: TLD, detektori nuklearnih tragova uz odgovarajuće
konvertere, bubble detektori, elektronički dozimetri, scintilacijski detektori, TEPC (tissue
equivalent proportional counter) brojači, multisferni spektrometri (Bonnerove sfere).
Provođenje ovih mjerenja i proučavanje neutronskog zračenja važno je zbog štetnih
utjecaja neutronskog zračenja prije svega na posadu zrakoplova koja je u velikoj mjeri
-
- 5 -
izložena zračenju, ali i osobama koje često, primjerice zbog posla ili nekih drugih razloga,
putuju zrakoplovima. Posljedice izloženosti zračenju mogu se pojaviti brzo ali i sa odgođenim
vremenom. Trenutne posljedice mogu biti oštećenja DNA, aktivacija redoksa, a kratko nakon
izloženosti javljaju se drugi efekti: oporavak DNA, mutacije, genomske nestabilnosti,
pertubacija u ciklusu stanica i odumiranje stanica. Konačno, kasniji efekti uključuju
nepopravljivo oštećenje tkiva, fibroze, katarakte i rak.
-
- 6 -
2. Eksperimentalni dio
2.1. Materijali i metode mjerenja
Kako bismo detektirali neutrone, koji nemaju električni naboj, u detektorima
nuklearnih tragova potrebno je koristiti konvertere koji će u nuklearnoj reakciji s neutronom
proizvesti nabijenu česticu koja će ostaviti trag na detektoru.
U nuklearnoj reakciji 10B (n, α) 7Li, odnosno reakciji neutrona na konverteru 10B
(folija bora, proizvođača Kodak – Pathé, Francuska) nastaju ion litija 7Li i alfa čestica s
energijama:
MeVQLiBn 79,2710
MeVQLiBn 31,2*710
MeVMeVELi 02,184,0
MeVMeVE 77,147,1
Kao što je vidljivo događaju se dvije reakcije, gdje je češća ona u kojoj nastaje ion litija u
pobuđenom stanju. Doseg litijeva iona u tijelo detektora, kao i njegova energija, manji je od
dosega alfa čestice, na taj ga način lako diskriminiramo jetkanjem. Broj tragova nastalih od
alfa čestica odgovaraju broju neutrona u danom polju zračenja.
Nakon izlaganja, detektori se vraćaju u laboratorij gdje se obrađuju prema standardiziranoj
proceduri – protokolu [8.]:
1. pretpranje u destiliranoj vodi 20 minuta
2. kemijsko jetkanje u termostatskoj kupelji u odgovarajućoj koncentraciji vodene otopine
natrij hidroksida NaOH, temperaturi i vremenskom periodu jetkanja
3. nakon kemijskog jetkanja, pranje u destiliranoj vodi 20 minuta
4. sušenje na zraku, u vremenskom trajanju od 24 h
5. ljepljenje detektora na mikroskopska predmetna stakalca, te njihovo označavanje i
numeracija
-
- 7 -
6. brojanje tragova vizualno i/ili automatski, odnosno određivanje prosječne gustoće tragova
Protokol podrazumijeva i kontrolu kvalitete mjerenja, što znači da uz detektore koje
izlažemo obavezno pripremamo i tzv. kontrolne detektore, a uz svako kemijsko jetkanje tzv.
nulte detektore. Kontrolni detektori pripremaju se u isto vrijeme s detektorima koji će biti
izlagani, ali uz svoju površinu nemaju boronski konverter uslijed čega se bilježe ne –
neutronski tragovi (tragovi nastali od drugih, nabijenih čestica prisutnih u atmosferi). Nulti
detektori se uz svako jetkanje, uzimaju iz hladnjaka za pohranu detektora i imaju ulogu
diskriminacije eventualnih tragova nastalih prilikom pripremanja, manipulacije i obrade
detektora, ali i eventualnih akumuliranih tragova za vrijeme pohrane detektora u hladnjaku
najčešće nastalih od radona 222Rn. Vrijednost izbrojane gustoće tragova s nultih detektora
zovemo i laboratorijski background.
2.2. Nastajanje traga u materijalu detektora
U svrhu istraživanja neutronskog zračenja korišteni su detektori nuklearnih tragova
CR – 39 i LR 115 načinjeni od polimerne plastike. Neke od prednosti korištenja ovih
detektora jesu jednostavno rukovanje pri radu, male dimenzije i mase, sposobnost pohrane
registriranih tragova tijekom dužeg vremenskog perioda, te pasivan režim rada (nije potreban
izvor električkog napajanja).
Rad detektora nuklearnih tragova baziran je na činjenici da nabijene čestice pri
prolasku kroz materijal uzrokuju ionizaciju u materijalu. Ta primarna ionizacija pokreće čitavi
niz novih kemijskih procesa. Primarna nabijena čestica kulonski međudjeluje s nabijenim
česticama u materijalu (elektronima i jezgrama), od kojih se fokusiramo na one reakcije
najbliže putanji nabijene čestice. Budući da je dolazna nabijena čestica (npr. α čestica)
mnogo teža od elektrona, njezina se putanja u sudarima s elektronima ne mijenja značajno i
aproksimiramo je pravcem. To nije slučaj kod interakcije nabijene čestice s jezgrama. U
slučaju dolaznih nabijenih čestica malih energija ta devijacija putanje u odnosu na prvobitni
smjer može biti značajna. Uz ionizaciju javlja se i eksitacija molekula materijala. Prva faza, u
kojoj električki nabijena čestica predaje svoju energiju atomima u okolini, traje vrlo kratko i
reda je veličine nekoliko ps (1 ps = 10-12 s). Slobodni elektroni stvoreni u toj primarnoj
-
- 8 -
interakciji biti će usporeni nizom ionizacija i eksitacija, u kojima će se stvarati dodatni
slobodni elektroni. Neki od njih mogu se prostirati i dalje od primarne zone stvarajući tzv.
delta (δ) zrake. Dakle, duž putanje nabijene čestice, stvara se kemijski reaktivnije područje
tzv. područje oštećenja sa slobodnim elektronima, slobodnim radikalima i drugim kemijskim
vrstama. To se područje oštećenja naziva latentni trag[9.].
Ako se materijal s latentnim tragovima izloži djelovanju kemijski agresivne otopine,
kemijske reakcije će biti intenzivnije duž latentnog traga. U tu svrhu najčešće se koriste
lužine, odnosno vodene otopine natrij hidroksida (NaOH) ilikalij hidroksida (KOH).
Posljedica djelovanja tih agresivnih otopina jest uklanjanje površinskog sloja materijala
detektora određenom brzinom, dok je duž područja oštećenja ta brzina veća. Na taj se način
od latentnog traga, koji je nastao uslijed prolaska električki nabijene čestice, stvara trag koji
je vidljiv pod optičkim mikroskopom. Proces uklanjanja slobodne površine materijala
detektora i istovremeno povećavanje zone oštećenja naziva se kemijsko jetkanje ili
vizualizacija traga.
2.3. Baždarenje detektora
Neutronski dozimetar baždaren je u nuklearnom reaktoru TRIGA Mark II na Institutu
Jožef Stefan (Ljubljana, Slovenija). Detektori suizloženi u koloni termalnih neutrona poznate
brzine toka (fluksa): 125103,3 scm . Uz poznato vrijeme izlaganja st 240 , poznat je i
tok termalnih neutrona:271092,7 cmtf .
Nakon izlaganja detektora, oni se jetkaju, obrađuju i vizualno i/ili automatski broje,
prilikom brojanja tragova na baždarnom detektoru određena je gustoća
tragova: 2551 10064,210064,2 cmBD gdje je B tzv. background, odnosno tragovi nastali za vrijeme manipulacije, pohrane i transporta detektora i koji prosječno iznosi 45,5 cm-
2.. Poznavajući ove podatke možemo izračunati koeficjent osjetljivosti neutronskog dozimetra
za termalne neutrone: ntrf
Dr /1002,061,2 311
.
-
- 9 -
3
1
3
1
2
1
2
1 ,r
r
r
r
Nakon određivanja koeficjenta osjetljivosti neutronskog dozimetra nacrtamo krivulju
ukupnog udarnog presjeka neutrona na boru 10B u ovisnosti o energiji neutrona koju zatim
podjelimo u nekoliko energetskih područja. Iz krivulje odredimo srednje udarne presjeke za
dana energetska područja, pomoću tih podataka moguće je procijeniti osjetljivosti detektora
za druga energetska područja: .
ZaizmjerenugustoćutragovaDkojajenakonobradeodređenananekomizlaganomdetektoru, tok
neutrona f može se izraziti prema jednadžbi: e
er
Df .
Kakobismoizračunalineutronskidozniekvivalentpotrebanjekonverzijskifaktorkkojiomo
gućuje pretvaranje neutronskog toka u neutronski dozni ekvivalent H.
Važnojenapomenutidajekonverzijskifaktorkzaneutroneenergetskiovisan, a ovisnost je
prikazana na Slici 2.
Slika 2. Konverzijski koeficijent k – između neutronskog toka fi neutronskog doznog
ekvivalenta H, u ovisnosti o energiji neutrona E (eV)
Zbog snažne ovisnosti konverzijskog faktora k o energiji neutrona, provedena je
slična procedura određivanja srednje vrijednosti konverzijskog
faktora:2
332211 4,260 cmpSvskskskke .
Mjerena gustoća tragova D odgovara neutronskom doznom ekvivalentu izraženim u
μSv: DDhr
DkfkH r
e
eee 06,3
-
- 10 -
gdje je
206,3 cmSvr
kh
e
e
r
.
Sada možemo izračunati i brzinu doze kao omjer doznog ekvivalenta i poznatog
vremena izlaganja: t
HH
3. Rezultati i rasprava
-
- 11 -
3.1. Rezultati mjerenja neutronske doze na zrakoplovnim visinama
Neutronska komponentna zračenja snažno je ovisna o nadmorskoj visini ali i
geografskoj širini stoga je naš cilj proučiti ovisnost neutronske doze o geomagnetskoj širini na
zrakoplovnim visinama. U ovom radu obraditi ćemo podatke sa nekoliko letova na različitim
rutama letenja, prikazanih na Slici 3. s ciljem bolje karakterizacije ukupnog polja zračenja.
Slika 3. Karta sa prikazom
letova na kojima su rađena mjerenja neutronskog ambijentalnog doznog ekvivalenta.
Mjerenje 1. Zagreb – Frankfurt – Tokyo
U veljači 2005. godine izvedeno je mjerenje neutronske komponente kozmičkog zračenja na
relaciji Zagreb – Frankfurt – Tokyo i nazad. Ukupno vrijeme leta, pa tako i izloženost
detektora kozmičkom neutronskom zračenju u zrakoplovu iznosilo je t = 24 h. Pomoću TLD –
100 detektora očitana je prosječna vrijednost ne – neutronske brzine doze od 2,4 μSv/h.
Nakon obrade podataka neutronski dozimetar dao je prosječnu gustoću tragova od 20,3 cm-2iz
čega smo izračunali neutronski ambijentalni dozni ekvivalent kao umnožak vrijednosti faktora
baždarenja i prosječne gustoće tragova: H = 3,06 ∙ D = 3,06 ∙ 20, 3 = 62 μSv.
-
- 12 -
Pomoću neutronskog ambijentalnog doznog ekvivalenta i ukupnog vremena izlaganja
detektora dobivamo prosječnu neutronsku brzinu doze na ovome letu koja iznosi:
H = hSvh
Sv
t
H/21,160,2
24
62
Mjerenje 2. Zagreb – Frankfurt – Seoul
Slijedećemjerenje kozmičkog neutronskog zračenja izvršeno je u kolovozu 2005. godine na
relaciji Zagreb – Frankfurt – Seoul i nazad. Ukupno vrijeme leta, pa tako i izloženost
detektora kozmičkom neutronskom zračenju u zrakopolovu iznosilo je t = 27 h, na prosječnoj
visini leta od 11 km. Nakon obrade podataka neutronski dozimetar dao je prosječnu gustoću
tragova od D = 31,2 cm-2 iz čega smo izračunali neutronski dozni ekvivalent:
SvDH 7,336,952,3106,306,3 .
Pomoću neutronskog ambijentalnog doznog ekvivalenta izračunali smo prosječnu neutronsku
brzinu doze na ovome letu koja iznosi:
hSvh
Sv
t
HH /3,15,3
27
6,95
Mjerenje 3. Zagreb – Frankfurt – New York
U veljači 2008. godine odrađeno je mjerenje kozmičkog neutronskog zračenja u letu na
relaciji Zagreb – Frankfurt – New York i nazad. Ukupno vrijeme leta, pa tako i izloženost
detektora kozmičkom neutronskom zračenju u zrakopolovu iznosilo je t = 17,4 h, na
prosječnoj visini leta od 10,8 km. Nakon obrade podataka za prosječnu gustoći tragova
dobivamo D= 13,38 cm-2 pomoću čega za neutronski dozni ekvivalent dobivamo:
SvDH 94,4038,1306,306,3 .
Pomoću neutronskog ambijentalnog doznog ekvivalenta izračunali smo prosječnu neutronsku
brzinu doze na ovome letu koja iznosi:
-
- 13 -
hSvh
Sv
t
HH /35,2
4,17
94,40
Mjerenje 4. Zagreb – Frankfurt – Dubai
Krajem 2008. godine izvršeno je još jedno mjerenje kozmičkog neutronskog zračenja ovoga
puta na relaciji Zagreb – Frankfurt – Dubai na prosječnoj visini leta od 10,75 km u trajanju od
t = 14,2 h. Prosječna gustoća tragova na neutronskom detektoru, dobivena nakon obrade,
iznosila je D = 4,44 cm-2. Pomoću prosječne gustoće tragova na neutronskom detektoru
dobivamo neutronski ambijentalni dozni ekvivalent: SvDH 8,134,406,306,3 .
Iz navedenih podataka izračunali smo prosječnu neutronsku brzinu doze na ovome letu koja
iznosi:
Mjerenje 5.Zagreb – Frankfurt – Singapur – Sydney
Posljednje mjerenje kozmičkog neutronskog zračenja odrađeno je u veljači 2013. godine na
relaciji Zagreb – Frankfurt – Singapur – Sydney i nazad.Ukupno vrijeme leta, pa tako i
izloženost detektora kozmičkom neutronskom zračenju u zrakopolovu iznosilo je t = 42 h, na
prosječnoj visini leta od 11,6 km. Prosječna gustoća tragova na neutronskom detektoru,
dobivena nakon obrade, iznosila je D = 7,56 cm-2, dok je neutronski dozni ekvivalent
SvDH 14,2356,706,306,3 .
Pomoću neutronskog ambijentalnog doznog ekvivalentaizračunali smo prosječnu neutronsku
brzinu doze na ovome letu koja iznosi:
hSvh
Sv
t
HH /55,0
42
14,23
3.2. Usporedba dobivenih rezultata mjerenja s računalnim simulacijama
h Sv h
Sv
t
H H / 97 , 0
2 , 14
8 , 13
-
- 14 -
Osim eksperimentalnih mjerenja, moguće jepomoću računalnih simulacija odrediti
približne vrijednosti neutronskog zračenja. Računalne simulacije u svojim proračunima
koriste kao ulazne podatke podatke o visini leta, geografskoj (geomagnetskoj) širini, te polje
zračenja na vrhu atmosfere i rutu letenja od polaznog do dolaznog aerodroma. Programi u
svojim računima uključuju i interakciju svake čestice s atmosferom, varijaciju magnetskog
polja Sunca i vrijednosti sa monitora na tlu (counts/s). Različite simulacije zasnivaju se na
različitim modelima zbog čega dolazi do malih razlika u dobivenim rezultatima.
Rezultate eksperimentalnih mjerenja usporediti ćemo sa računalnim simulacijama rađenim u
transportnom kodu za računanje doze EPCARD [10.] uzimajući u obzir da EPCARD daje
ukupnu dozu zračenja (neutronska komponenta zračenja + ne-neutronska komponenta), a
eksperimentalna mjerenja daju samo neutronsku komponentu zračenja koja iznosi 45-75%
ukupnog zračenja, odnosno rezultata dobivenih računalnom simulacijom. Za neka od
navedenih mjerenja imamo i rezultate ne-neutronske komponente zračenja koje ćemo uzeti u
obzir pri usporedbi [ 9.]
Mjerenje 1. Zagreb – Frankfurt – Tokyo
Dobiveni rezultati eksperimentalnih mjerenja na letu Zagreb – Frankfurt – Tokyo su slijedeći:
za prosječnu neutronsku brzinu doze dobivamo 2, 60 μSv / h, dok je ne-neutronska brzina
doze2,4 μSv / h što daje ukupnu prosječnu brzinu doze od 5μSv / h. Za rezultate rađene
računalnom simulacijom rađenom u EPCARDu dobivamo prosječnu brzinu doze ukupnog
zračenja 5,7 μSv / h.
Mjerenje 2. Zagreb – Frankfurt – Seoul
Dobiveni rezultati eksperimentalnih mjerenja na letu Zagreb – Frankfurt – Seoul su slijedeći:
za neutronski ambijentalni dozni ekvivalent dobili smo H = 95,6 μSv, a za prosječnu brzinu
doze dobili smo 3, 60 μSv / h. Za rezultate rađene računalnom simulacijom rađenom u
EPCARDu dobivamo prosječnu brzinu doze 3, 25 μSv / h.
Mjerenje 3. Zagreb – Frankfurt – New York
-
- 15 -
Za eksperimentalne rezultati mjerenja na letu Zagreb – Frankfurt – New York dobivamo:
neutronski ambijentalni dozni ekvivalent H = 40, 94 μSv, prosječna neutronska brzina doze
2, 35 μSv / h. Za prosječnu brzinu ukupne doze zračenja rađenu računalnom simulacijom u
EPCARDu dobivamo 7, 6 μSv / h. U ovom mjerenju uzimamo u obzir činjenica da je
eksperimentalni dio mjerenja rađen samo za neutronsku komponentu koja iznosi oko 40%
ukupnog zračenja.
Mjerenje 4. Zagreb – Frankfurt – Dubai
Za eksperimentalne rezultati mjerenja na letu Zagreb – Frankfurt – Dubai dobili smo
neutronski ambijentalni dozni ekvivalent H = 13, 8 μSv i prosječnu neutronsku brzinu doze
0, 97 μSv / h. Za prosječnu brzinu ukupne doze zračenja rađenu računalnom simulacijom u
EPCARDu dobivamo 4, 6 μSv / h. U ovom mjerenju uzimamo u obzir činjenica da je
eksperimentalni dio mjerenja rađen samo za neutronsku komponentu koja iznosi približno
40% ukupnog zračenja.
Mjerenje 5.Zagreb – Frankfurt – Singapur – Sydney
Dobiveni rezultati eksperimentalnih mjerenja na letu Zagreb – Frankfurt – Singapur - Sydney
su slijedeći: za neutronski ambijentalni dozni ekvivalent dobili smo H = 23, 14 μSv, a za
prosječnu neutronsku brzinu doze dobili smo 0, 55 μSv / h. Za prosječnu brzinu ukupne doze
zračenjaodređene računalnom simulacijom u EPCARD-u dobivamo 2, 43μSv / h. U ovom
mjerenju uzimamo u obzir činjenica da je eksperimentalni dio mjerenja rađen samo za
neutronsku komponentu koja iznosi oko 40% ukupnog zračenja.
Tablica 1. Prikaz usporedbe rezultata eksperimentalnih mjerenja i računalne simulacije.
-
- 16 -
Let na kojem je vršeno
mjerenje
Rezultati eksperimentalnih
mjerenja neutronske
brzine doze (μSv / h)
EPCARD-ukupna brzina
doze(μSv / h)
Zagreb – Frankfurt – Tokyo 2,6
2,4* 5,7
Zagreb – Frankfurt – Seoul 3, 6 3, 3
Zagreb –Frankfurt – New York 2, 4 7, 6
Zagreb – Frankfurt – Dubai 1 4, 6
Zagreb – Frankfurt – Sydney 0, 6 2, 4
* vrijednost ne-neutronske brzine doze mjerene TLD dozimetrom
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Zagreb – Frankfurt
– Tokyo
Zagreb – Frankfurt
– Seoul
Zagreb –Frankfurt
– New York
Zagreb – Frankfurt
– Dubai
Zagreb – Frankfurt
– Sydney
Neutronska brzina doze (μSv/h)
Ne - neutronska brzina doze (μSv/h)
EPCARD - ukupna brzina doze (μSv/h)
Slika 4. Grafički prikaz usporedbe eksperimentalnih rezultata i rezultata dobivenih
računalnom simulacijom.
Usporedbom rezultata dobivenih eksperimentalnim mjerenjima i rezultatima računalne
simulacije rađene u EPCARDu možemo zaključiti kako postoji dobro slaganje između
rezultata dobivenih računski i eksperimentalno. Kod Mjerenja 1 uzimali smo u obzir i
neutronsku i ne-neutronsku komponentu zračenja koje smo zbrojili i usporedili sa rezultatima
dobivenim u EPCARD-u, dok smo kod Mjerenja 2, Mjerenja 3, Mjerenja 4 i Mjerenja 5
uzimali samo neutronsku komponentu zračenja koja iznosi oko 40% ukupne doze zračenja na
ovim letovima. Taj je udio u ukupnoj dozi jasno vidljiv i na Slici 4., gdje je eksperimentalno
-
- 17 -
mjerenje uspoređeno s ukupnom dozom dobivenom pomoću EPCARD-a. Razlike koje se
javljaju možemo objasnitina način da se eksperimentalno mjerenje odvija unutar zrakoplova,
dok je simulacija rađena za otvorenu atmosferu.
Pri proučavanju neutronskog zračenja preporučuje se kombiniranje eksperimentalnih
podatatka i računalnih simulacija kako bi se dobili što točniji podaci.
4.Zaključak
-
- 18 -
Proučavanje ionizirajućeg zračenja vrlo je važno radi otkrivanja njegovih štetnih
utjecaja, stoga smo ovaj rad posvetili proučavanju zračenja na zrakoplovnim visinama kako
bismo uvidjeli koliko ono iznosi i kakve su njegove posljedice na osobe izložene takvom tipu
zračenja.
Nakon eksperimentalnih mjerenja koje smo odradili i računalnih simulacija kojima
smo provjerili dobivene eksperimentalne rezultate možemo uočiti kako jačina neutronskog
zračenja ovisi o geomagnetskoj širini i nadmorskoj visini. Radeći mjerenja na različitim
stranama svijeta i različitim nadmorskim visinama zaljučujemo kako se komponenta
neutronskog zračenja smanjuje na nižim nadmorskim visina i na letovima čije su rute bliže
ekvatoru. Osim toga, neutronska komponenta kozmičkog zračenja ovisi i o 11 godišnjem
Sunčevom solarnom ciklusu, kako se on približava maksimumu tako raste i jačina zračenja
što je svakako važna komponenta koju treba uzeti u obzir pri proučavanjima.
Posljedice izloženosti zračenju mogu se pojaviti brzo ali i sa odgođenim vremenom. Trenutne
posljedice mogu biti oštećenja DNA, aktivacija redoksa. Kratko nakon izloženosti javljaju se
drugi efekti: oporavak DNA, mutacije, genomske nestabilnosti, pertubacija u ciklusu stanica i
odumiranje stanica. Konačno, kasniji efekti uključuju nepopravljivo oštećenje tkiva, fibroze,
katarakte i rak. Osim zabrinutosti zbog utjecaja zračenja na kasnije faze života kao sklonost
obolijevanja od raka, postoji i briga o genetskom utjecaju na potomke.
Profesionalna izloženost pilota komercijalnih aviona na polarnoj ruti letenja (a koja je zbog
prirode magnetskog polja Zemlje veća od one duž ekvatora) po letu iznosi i 98,6 μSv
(Schalch i Scharmann, 1993.). Još jedan problem koji se javlja kod izloženosti zračenju iz
profesionalnih razloga jest to da većinu zrakoplovne posade čine žene, koje za vrijeme
trudnoće ne bi smjele biti izložene zračenju obzirom na štetan utjecaj zračenja na fetus.
Razvojno nezreli organizmi najosjetljiviji su na štetne utjecaje zračenja. Radioosjetljivost
fetusa najveća je upravo u vrijeme organogeneze između 8. i 25. tjedna starosti ljudskog
fetusa (Otake i Schull, 1998.).
Pretpostavivši srednje vrijeme letenja zrakoplovnih posada koje iznosi 600 sati
godišnje na 10 km nadmorske visine, dobivamo dozni ekvivalent od 9 mSv/godišnje
(Badhwar, 2000.). Podaci o utjecaju bačenih atomskih bombi na Hirošimu i Nagasaki na
-
- 19 -
ljudsko zdravlje, utjecalo je na ICRP koji su promijenili odnosno snizili preporučene doze za
zaposlenike i opću populaciju prvi put u posljednjih 30 godina. Nove preporučene vrijednosti
za zaposlenike iznose 20 mSv/godišnje (odnosno 50 mSv/godišnje kroz 5 godina – što
praktički znači 10 mSv/godišnje), odnosno za opću populaciju 1 mSv/godišnje. Uspoređujući
ove podatke sa podacima o izloženosti pilota, pa tako i posade zrakoplova, možemo primjetiti
kako se doza zračenja koju u godinu dana prime pilot i posada zrakoplova uklapa u
maksimum preporučene vrijednosti za zaposlenike, međutim preporuča se ukoliko je to
moguće što više smanjiti izloženost posade zračenju. Jedan od najjednostavnijih načina za to
je pažljivije planiranje mjesečnih ruta letenja za pojedine zrakoplovne posade.
Literatura
-
- 20 -
1.Goldhagen, P., Clem, J.M., Wilson, J.W.; The energy spectrum of cosmic – ray
induced neutrons measured on an airplane over a wide range of altitude and latitude;
Radiation Protection Dosimetry, 110, 387, (2004.)
2.Vuković B., Radolić V., Lisjak I., Vekić B., Poje M., Planinić J.; Some cosmic radiation
dose measurements aboard flights connectingZagreb Airport;Applied Radiation and Isotopes;
66, 247–251, (2008.)
3. Radolić Vanja, Miklavčić Igor, Stanić Denis, Poje Marina, Vuković Branko; Koncentracije
radona u špilji Manita peć i procjena efektivne doze za posjetitelje i turističke vodiče; Stručni
izvještaj za NP Paklenica, Osijek, (2011.)
4.Bouville, A., Lowder, W.M.; Human population exposure to cosmic radiation;
Radiation Protection Dosimetry; 24, 293, (1988.)
5.UNSCEAR 2008; Sources and effects of ionizing radiation; United Nations
Scientific Committee on the Effects of Atomic radiation – Report to the General Assembly
with Scientific Annexes, Vol. 1, New York, (2010.)
6.Bartlett, D.; Radiation protection aspects of the cosmic radiation exposure of
aircraft crew; Radiation Protection Dosimetry; 109, 349, (2004.)
7.Goldhagen, P., Reginatto, M., Kniss, T., Wilson, J.W., Singlettery, R.C., Jones,
I.W., van Steveninck, W.; Measurement of the energy spectrum of cosmic- ray induced
neutrons aboard an ER-2 high altitude airplane; Nuclear Instrument and Method A, 476, 42 –
51, (2002.)
8. Planinić, J., Radolić, V., Faj, Z., Šuveljak, B.; Radon equilibrium factor and
aerosols; Nuclear Instrumnets and Methods A; 396 – 414, (1997.)
9.Nikezić, D., Yu K.N.; Formation and growth of tracks in nuclear track materials;
Materials Science and Engineering; R 46, 51–123, (2004.)
-
- 21 -
10. EPCARD, European Program Package for the Calculation of Aviation Route
Doses, 2002. Available on .