környezetfizika 2013. dr. varga klára nyíregyházi főiskola mmk fizika tanszék

Környezetfizika

2013.

Dr. Varga Klára

Nyíregyházi Főiskola

MMK Fizika Tanszék

Elektromágneses sugárzások

10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2

Infra-vörös

rtg

Ultra ibolya

Látható tartomány

Elektromos hullámok

[cm]

Kozmikus sugárzás

Röntgensugárzás keletkezése

Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923)X-sugárzás 1895

1901-ben elsőként megkapta a fizikai Nobel díjat Lenard katódsugár csövével kísérletezve 1895-ben észrevette, hogy a csövön kívül egy másik sugárzás is megjelenik, mely azon kívül, hogy mutat hasonló tulajdonságokat az elektronsugárral (foszforeszkálás, fotóhatás), a tárgyakon is áthatol. Röntgen a felfedezett sugárzást X-sugárnak nevezte, de ma már röntgensugárnak nevezzük.


• A Röntgen-sugárzás keletkezésében két különböző fizikai folyamat játszik szerepet:

1. gyors elektronok az anyagban történő lefékeződéskor bocsátják ki: ez a fékezési sugárzás,

2. az atomok belső elektronhéjára történő elektronátmenetkor sugárzódik ki. Ez utóbbi a karakterisztikus röntgensugárzás.


Röntgencső működésének elve

Fékezési röntgensugárzás keletkezése

• A röntgencsövekben az elektronágyúból jövő elektronokat nagy feszültséggel nagy sebességre gyorsítják, s ezek az elektronok egy nagy rendszámú anyagba (pl. wolfram) csapódva hirtelen lefékeződnek, és fékezési sugárzást bocsátanak ki. Egyes esetekben az anódot forgatják is, hogy az elektronok más és más helyen érjék. Ezáltal a becsapódáskor keletkező hő nagyobb felületen oszlik el, és az anód anyaga nem hevül fel annyira.


Energetikailag:

Elektronon végzett munka kinetikus energia majd a fékezés során fékezési sugárzás

Ha az e- teljes energiáját sugárzás formájában veszti el,

akkor keletkezik a legnagyobb energiájú foton.

hmueU 2

2

1


Nagyobb feszültséghez rövidebb hullámhosszú alsó határ tartozik:

heU h

c

h

cheU

UeU

hch

24.1

Karakterisztikus röntgensugárzás keletkezése

Elektromágneses sugárzás kibocsátása az atomban


• A karakterisztikus röntgensugárzás keletkezése hasonlít az atomok, molekulák fénykibocsátásához. Itt is az atomok elektronhéjainak átrendeződése következik be: Az alacsonyabb energiájú állapotból az eredetileg ott lévő elektront a katódsugárzás nagyenergiájú elektronjai ütik ki, s így ott egy betöltetlen "lyuk" keletkezik.

• Egy magasabb energiájú elektron egy alacsonyabb energiájú, üresen álló állapotba ugrik, miközben a két állapot közötti energiakülönbséget elektromágneses sugárzás (foton) formájában kisugározza.


A felgyorsított e- valamely belső héjról üt ki egy e- -t, majd ennek helye betöltődik egy magasabb energiájú héjról. A magasabb energia röntgen foton formájában sugárzódik ki.

Kiütött e- K héjról származik K - sorozat

Kα vonal a megürült héj az L – héjról töltődik be

Karakterisztikus röntgensugárzás alkalmazása

• Mivel az egyes atomi állapotok energiája jól meghatározott és az illető atomra jellemző, a karakterisztikus röntgensugárzás is csak jól meghatározott hullámhosszúságú összetevőket tartalmaz: a spektruma vonalas. Ezek a hullámhosszak jellemzőek a sugárzást kibocsátó anyagra. Ezt a tulajdonságot használja ki a Röntgen-fluoreszcencia-analízis, amely egy fontos roncsolásmentes anyagvizsgálati módszer.


K

Z

Moseley egyenes


Kα sugárzás elemazonosítás:

az azonosítandó anyagot vagy szétszedhető rtg. cső anódjára viszik fel, és elektronokkal bombázzák, vagy valami más módon gerjesztik. Pl. protonokkal (PIXE), rtg., vagy gammasugarakkal (röntgen-fluoreszcencia),stb. A keletkezett karakterisztikus vonalakból az alkotó elemek (az előbbi ábra alapján) meghatározhatók, sőt a mennyiségük is.

Röntgensugarak abszorpciója

• A sugárzás útjába tett közeg vastagságával nő az elnyelődés, exponenciálisan:

I jelenti az átengedett sugárzás intenzitását, I0 a beérkező sugárzás intenzitását, μ’ az abszorbens anyagra jellemző állandót (neve: lineáris abszorpciós tényező), x az anyag vastagságát.

xeII '

0


A fenti egyenletnél gyakrabban használt a következő összefüggés:

itt μ neve tömegabszorpciós tényező, a d felületi rétegsűrűség, mértékegysége kg/m2. Ez jobban kifejezi, hogy az abszorpció inkább a sugárzás útjába helyezett tömeg mennyiségétől függ, nem a vastagságtól! Egy vékony ólomlemez sokkal jobban elnyeli a röntgensugárzást mint egy közepesen vastag alumínium lemez.

deII 0


• A különböző elemek sugárzás elnyelő képessége (atomi abszorpció) igen különböző, ennek speciális esetekben különös jelentősége van, most csak egy általánosan használható közelítő formulát írunk fel:

43. Zconst

A képletből látszik, hogy az abszorpció erőteljesen (harmadik hatvány szerint) függ a hullámhossztól!


• Lágy röntgensugárzás:

nagy hullámhosszúságú, azaz kis energiájú röntgensugarak, melyek jobban elnyelődnek, orvosi alkalmazásuk gyakoribb.

Kemény röntgensugárzás:

rövidebb hullámhosszú, nagy áthatoló képességű, ezért elsősorban az ipar használja pl. hegesztési varratok vizsgálatára.

Orvosi alkalmazások

• Tüdőröntgen: az emberi szervezet nagy százaléka víz, amin a röntgensugarak könnyen áthatolnak, árnyékot nem adnak.

• Csontok röntgenezése: a kalcium nagyobb rendszáma miatt jól elnyeli a sugárzást és éles árnyékot ad az ernyőn. Ezért jól látszanak a csontok, foggyökér, stb., vagy a tüdőbe betokozott baktériumok, melyeket a szervezet védekezésképpen kalciummal vesz körül („meszesedés”).


• Kontrasztanyag használata: Ha lágy részt pl nyelőcsövet, gyomrot vizsgálnak, akkor előbb nagy elnyelő képességű kontraszt-anyagot, pl. báriumszulfátot itatnak a beteggel (népiesen: „gipszkását”). Ilyen módon követhető a katéteres mintavétel, vagy vizsgálat útján a vese- vagy a szívkatéter útja is. A szív vagy agy vizsgálata csak úgy lehetséges, ha az erekbe igen nagy elnyelő képességű kontrasztanyagot juttatnak un. „érfestést” alkalmaznak.


• A röntgensugárzás káros a szervezetre, ezért a

vizsgálat idejét a lehető legrövidebbre választják, pl.

fényképfelvételt készítenek és azután értékelik ki. A

modern vizsgáló készülékek sugárterhelése kicsi, ezt

azáltal érik el, hogy kis intenzitású sugárzást

használnak, és a képet elektronikus képerősítővel

teszik láthatóvá.


• Modernebb eszközökben film helyett félvezető

detektorok észlelik a sugárzást, aminek

következtében a sugárterhelés jelentősen csökken.

• Ilyen vizsgálati eszköz a Computer Tomográfia,

azaz a CT.

Részecske sugárzások, radioaktivitás

• Az atomok magjai protonokból, neutronokból állnak. A protonok száma határozza meg az atom milyenségét, helyét a periódusos rendszerben, megadja az atom rendszámát. Ennyi elektron veszi körül a magot.

http://images.google.hu/imgres?imgurl=http://www.nmc.dote.hu/nmtk/atom.gif&imgrefurl=http://www.nmc.dote.hu/nmtk/fizika.htm&usg=__QLeTMBp6u0R1kOfpi80yfogXqkY=&h=102&w=100&sz=3&hl=hu&start=1&sig2=-LJuY_NmXaBTuOYZcBdjhQ&um=1&tbnid=AJLtoV9auX0KFM:&tbnh=83&tbnw=81&ei=fGo5Sd_ZKMGa_Qa-xdnXBg&prev=/images?q=atom+fel%C3%A9p%C3%ADt%C3%A9se&um=1&hl=hu&rlz=1D2GGLD_enHU295HU295&sa=N


• Izotópok: A protonok mellett a neutronok különböző számban fordulhatnak elő, a kémiai tulajdonságot ez nem befolyásolja, ezért a periódusos rendszerben ugyanazon a helyen (izo= azonos, tóp=hely) szerepelnek.

• A protonok és a neutronok együttes számát –nukleonszám vagy atomszám - az elem vegyjele mellett bal felső indexként jelöljük. Ez az izotópok azonosítása miatt nem maradhat el!

• Pl.: vagy egyszerűen 12C C126


• Az atommagok stabilitása szempontjából nagyon fontos a neutronok száma. A periódusos rendszer kisebb rendszámainál a neutronok száma alig több mint a protonoké, később ez rohamosan nő, az utolsó - még nem mesterségesen előállított elemnél-, az uránnál már 92 proton mellett 146 neutron található: . Ha valamely izotóp a stabil izotópokhoz képest jóval több, - vagy kevesebb- neutront tartalmaz, akkor az elem magától bomlik, azaz radioaktív.

U238

92


• A bennünket körülvevő sugárzások egy része nem elektromágneses hullámok – fotonok - , hanem részecskék, melyek atommagok bomlásából származnak és a környezetünkből, vagy a kozmoszból származnak.

Mesterséges sugárterhelésünk

Természetes sugárterhelésünk

Természetes sugárterhelésünk

• Állandó „sugárözönben” élünk, csak nem vesszük észre észlelő eszköz híján. Ezt a sugárzást mint „háttérsugárzást” a méréseink során mindig korrekcióba kell venni. A háttérsugárzás oka többféle: a talajban, a falakban mindig található urán, rádium, thórium nyomokban, ezek sugárforrások. A talajból radon (radioaktív nemesgáz) áramlik fel, és a kozmikus térből is állandóan érkeznek részecskék. Sőt saját szervezetünk is tartalmaz radioaktív elemeket, ezek nagy része a szervezet kálium tartalmával kapcsolatos.

Radioaktivitás

• A radioaktivitást Antoine Henri Becquerel (1852-1908) fedezte fel 1896 – ban.

• Alfa-, béta-, gamma sugárzás létezik.

Radioaktivitás• Alfa - sugárzás mechanizmusa:

• Az alfa-sugárzás igen rövid hatótávolságú, akár egy vékony papírlap, vagy az emberi bőr is könnyen elnyeli. Levegőben a hatótávolsága 2 – 10 cm. Bomlás során a rendszám kettővel, a tömegszám néggyel csökken.

Példa: általános képlet: ThU 234

9023892

YX Az

AZ

42

Radioaktivitás, alfa - sugárzás

• Nagy az ionizáló képességük

részecskénként kb. 105 ion-párt keltenek teljes lefékeződésükig.

• Energiájuk néhány megaelektronvolt E=4 – 8 MeV

• Anyagban hamar elnyelődnek, vékony papírlap már elnyeli, a szervezetünket akár a bőr felső szaruhártyája is képes megvédeni, ha csak nem lélegezzük be, vagy esszük meg a táplálékkal.

• Nagy ionizáló képessége miatt igen veszélyes, de csak akkor, ha a szervezetbe bekerül.

RadioaktivitásBéta - sugárzás

Nagy sebességű - majdnem fénysebességű- elektronok. Hatótávolságuk levegőben néhány deciméter, de nem rendelkeznek olyan éles hatótávolsággal mint az alfa sugarak.

Radioaktivitás, béta - sugárzás

• Példa: általános képlet:

a bomlás során még egy töltés és nyugalmi tömeg nélküli részecske, a neutrínó (jelen esetben anti- neutrínó) is keletkezik.

BaCs 13757

13756 YX A

ZAZ 1


• Pályájuk végén - amikor már sebességük kicsi - a levegőben ide-oda lökődnek.

• Ionizáló képességük egy nagyságrenddel kisebb mint az α sugaraké, 103-104 ion-párt keltenek teljes lefékeződésükig és befogódásukig.

• A bomlás során egy neutron protonná alakul át, így a rendszám eggyel nő, a tömegszám viszont változatlan marad.


• Papírban, alumíniumban fokozatosan nyelődnek el, elnyelődésüket exponenciális görbe írja le, hasonlóan a rtg. sugarakhoz.

• Fontos mennyiség a „felezési rétegvastagság” az a felületi sűrűség, ami a beérkező sugárzás intenzitását felére csökkenti. Ez a d1/2 alkalmas a μ tömegabszorpció tényező meghatározására:

μ = ln2/ d1/2 ,

ami gyors béta-energia meghatározást tesz lehetővé.

Radioaktivitás

Gamma - sugárzás

Elektromágneses hullámok, melyek a gerjesztett magok alacsonyabb energiájú átmenete során keletkeznek.

Radioaktivitás, gamma - sugárzás

• Áthatoló képessége igen nagy, néhány cm-es vastagságú ólomlemez is csak alig csökkenti a sugárzás intenzitását. A gamma sugarak abszorpciója a rtg. sugarakéhoz hasonlóan írható le, itt is nagy jelentősége van a mérés során az un. felezési rétegvastagságnak és a tömegabszorpciós tényezőnek.

• A gamma sugárzás általában „kísérő” sugárzás, az alfa- vagy a béta-sugárzás után lép fel, ha a mag még gerjesztett állapotban maradt.

Radioaktivitás, gamma - sugárzás

• Példa: általában: BaBam 13757

13757 XX A

ZmA

Z

A radioaktív bomlás általános törvényszerűségei

• A radioaktív anyagok atomjai gyakorlatilag mindentől függetlenül teljesen véletlenszerűen bomlanak. Az elbomló atomok száma csak a meglévő atomok számától függ (több atomból több bomlás várható), az időtartamtól (több idő alatt több atom bomlik), valamint az atom fajtájától (van atom, amely könnyen bomlik, mások igen lassan).

• Képletben: ΔN = - λ N Δt


N a bomlatlan atomok száma, ΔN a Δt idő alatt elbomló atomok száma, λ az atomfajtára jellemző állandó, neve: bomlási állandó. A negatív előjel azt fejezi ki, hogy az idő múlásával az atomok N száma csökken.

Aktivitás: ΔN / Δt hányados, az időegység alatt elbomló atomok száma.

Mértékegysége: 1bomlás/sec = 1 Bq


• A fenti (differenciál-egyenletet) megoldva:

teNN 0

Ahol N a bomlatlan atomok száma, N0 a megfigyelés kezdetén lévő atomok száma, t pedig a megfigyelés kezdete óta eltelt idő. Ha mindkét oldalt λ-val szorozzuk, akkor:

teNN 0

teAA 0


N

t

N0

N0/8

T1/2 T1/2 T1/2

N0/4

N0/2

A bomlási állandó és a felezési idő közötti összefüggés:

2ln

2/1 T


• Grafikonon ábrázolva és bejelölve a felezési időket látszik, hogy mindig ugyanannyi idő alatt feleződik meg a meglévő atomok száma.

• Ennek az időnek a neve: felezési idő, jele: T1/2


• A felezési idők között igen nagy különbségek vannak. Pl. az 238 U felezési ideje 4.5 milliárd év, a polóniumé 130 nap, stb.

• Gyakorlati szempontból nagyon fontos a 14 C izotópja, mely radioaktív, felezési ideje T1/2 = 5730 év, ami kiválóan alkalmas szerves anyagok segítségével történelmi kormeghatározásra.

Dozimetriai alapfogalmak

• Elnyelt dózis D: a besugárzott energiának és az őt elnyelő anyag tömegének hányadosa.

• Mértékegysége: 1J/kg = 1 Gy

• Biológiai dózisegyenérték B: B= a·D a = minőségi tényező, dimenzió nélküli szorzószám.

A biológiai dózisegyenérték mértékegysége: 1 Sv = joule/kg.

Dozimetriai alapfogalmak

• Dózisteljesítmény H: t

BH

Mértékegysége: 1 Sv/sec

Egy átlagos európai embert ért dózisteljesítmény 2.4 mSv/év, azaz egy év alatt 2.4 milliSievert biológiai dózisegyenértéknek van kitéve.

Sugárzások hatása az élő szervezetre

• A sokféle sugárzás már az egyszerű atomokban is sokféle hatást válthat ki, még bonyolultabb az élőszervezetre gyakorolt hatása. Az élő sejtek atomjaira gyakorolt hatás ugyanaz mint más atomok esetében: gerjesztés, ionizálás, másodlagos sugárzás, radioaktivitás előidézése, stb..

• A sejtek kromoszómáiban a DNS molekulák, a nukleinsavak, a különböző fermentumok, hormonok, immunanyagok alkotó részei súlyosan sérülnek, működésképtelenek lesznek, vagy hibás működést váltanak ki, máskor a molekulák széttöredezésével a sejtek működésére káros, pl. oxidáló hatású vegyületek (sejtmérgek) képződnek.


• Ezek az elsődleges ún. fizikai vagy fizikai-kémiai hatások nem észlelhetők azonnal, a károsodás mértékétől függően azonban rövidebb-hosszabb idő után megjelennek a biológiai tünetek is –néha csak évek múltán-. Legérzékenyebbek a növekedésben lévő szervek, az osztódásban lévő sejtek, így pl. a gonádok, vérképző szervek, stb. Ez az alapja a sugárterápiának is, hiszen a kórosan osztódó ráksejtek is igen érzékenyek a sugárzásra, s megfelelően választott dózis mellett ezek elpusztulnak, a többi sejt pedig nem, vagy csak alig károsodik. Minél magasabb rendű az élőlény, annál inkább érzékeny a sugárzások károsító hatására.


• Küszöb alatti dózis: kis sugáradag nem okoz látható elváltozást, a sérült sejtek idővel regenerálódnak vagy kicserélődnek, nem marad vissza károsodás.

• Küszöb feletti dózis: átmeneti rosszullétet, hányingert, szédülést okozhat. Nagyobb sugáradag elsősorban a vérképző szervek károsodását okozza, növekszik a limfociták száma, de egyéb visszafordíthatatlan károsodás is előfordulhat, - ekkor súlyos sugárkárosodásról beszélünk- .


• Még nagyobb sugáradag a bőrön égési sérüléseket is okoz, a nyálkahártyán, belső szervekben, bélbolyhokban hajszáleres vérzéseket, belső vérzést, hasmenést, hányást vált ki. Az ennél is nagyobb sugáradag már sokak számára elviselhetetlen, néhány napon-héten belül a sugárkárosodottak fele meghal, mások túlélik, - ez a félhalálos dózis -. Az ennél nagyobb sugáradagokat pedig, amit az emberek már nem viselnek el, halálos dózisnak nevezzük.


• Szerv-specifikus hatás: milyen szerveken mi a legjellemzőbb sugárkárosodás.

• A bőrön általában bőrpírt, nagyobb adagban égési sérülést vált ki a sugárzás, esetleg nehezen gyógyuló fekélyt.

• Az emberi szem szaruhártyája, ami már igen kis sugárzás hatására is károsodhat. A szemlencsében meszesedést, „szürke hályogot” vált ki.


• A csontok felszínén kinövések, csontdaganatok a jellemzőek. A hosszú csöves csontokban található vörös csontvelő a vérképzésért felelős, ezek károsodása általában fehérvérűséget, leukémiát okoz.

• A tüdőbe bejutó –általában α sugárzó radon termékek- tüdődaganatot, tüdőrákot okoznak.

• A nemi szerveket ért sugárzás általában genetikai károsodást vált ki, az X és Y kromoszómák genetikai kódja megváltozik, és gyakran súlyosan károsodott torzszülött csecsemő jön világra.

• A mellet ért sugárzás daganatot, mellrákot okozhat.


• Az idegrendszer stabil idegsejtjei mivel nem osztódnak, a legellenállóbbak a sugárzásokkal szemben, de a nagyobb sugáradag ezeket is pusztítja.

• A pajzsmirigyet és a nyirokcsomókat ért sugárzás általában ezek rákos elburjánzását okozza.

• A nagyobb izomkötegek - kar, comb- szintén kevésbé sugár érzékenyek, de daganat ezekben is keletkezhet.

Terápia - gammakés


• A sugárzó egység tartalmazza az öntöttvas félgömbben elhelyezett 201 db kobalt-60 izotóp forrást, melynek gamma-sugárnyalábjait wolframból készült elsődleges és másodlagos árnyékoló csatornákon keresztül az egység centrumába fokuszáltak.


• A radioaktiv Co-60 izotóp lebomlása során egy elektront, és egy 1,17 MeV, valamint egy 1,33 MeV energiájú γ-fotont emittál. Az elektront a berendezés elnyeli mielőtt elérné a beteget.

A γ-fotonok azonban elegendő energiával rendelkeznek ahhoz, hogy a koponyán keresztül az agyszövetbe hatoljanak, és indirekt ionizáció útján kifejtsék biológiai hatásukat a DNS molekula károsítása révén.


A sugárnyalábok egyenként különböző helyeken lépnek be a koponyába. Ezáltal a normális agyszövetre ártalmatlan mennyiségű energiát képviselnek, a centrumban elhelyezett kóros target-re azonban pusztító hatásúvá összegződnek.

Terápia - kobaltágyú

Terápia – lineáris gyorsító

Terápia

Abban az esetben, amikor a sugárkezelések alatti azonos testhelyzet biztosítása különösen fontos, egy hőre lágyuló, szobahőmérsékleten keményedő műanyaghálóból a testkontúrt felvevő fej- vagy teströgzítőt készítenek, és ezt alkalmazzák a tervezéshez szükséges CT vizsgálatnál, a beállításnál és a sugárkezelések alatt egyaránt.

Terápia

A sugárkezelésnél alkalmazott – mérnökök által kiszámított – sugárirányokat, sugármezőket még az első kezelés előtt egy szimulátorban ellenőrzik. A sugárkezelés rendszerint egy elkülönített, kellemes hőmérsékletű szobában történik, gyakran halk zene szól. Az első pillantásra félelmetes nagyságúnak tűnő sugárterápiás készüléket egy mellette lévő szobából vezénylik, monitoron folyamatosan figyelik a helyiséget és mikrofonon keresztül értekeznek a kezelés alatt a beteggel.

Brachyterápia

Közelbesugárzás kezelés, GAMMAMED 12i típusú HDR afterloading készülékkel történik.

Üregi (intracavitalis) és tűzdeléses (intersticialis) kezelésekre alkalmas, speciális applikátorok, tűk alkalmazásával.192Ir izotópot alkalmaznak, melynek felezési ideje

74 nap. A sugárzás energiája 1,3 MeV.

Terápia – tűzdelés zárt sugárforrással

Brachyterápia

Az izotóp töltetet külső vezérléssel juttatják a betegbe helyezett applikátorokba a sugárterápiás tervező program szerint kiszámított néhány perces időtartamra.

A napenergia és felhasználási módszerei

1 TW = terrawatt = 1012 Watt

1EJ = exajoule = 1018 J

1 TW = 31.5 EJ/év

1 TW = 31.5 ·1018 J/év

Az alternatív energiaforrások perspektívái

A napenergia és felhasználási módszerei:A napenergia árama földi folyamatokban:

(TW) (EJ/év)Földre érő napsugárzás 1.7 ·105 5.45 ·106

Földről visszavert naps. 5.2 ·104 1.34 ·106

Naps. közvetlen melegítésben 8.1 ·104 2.55 ·106

Naps. párologtatásban 4.0 ·104 1.26 ·106

Napsugárzás fotoszintézisben 1.0 ·102 3.15·103

Az emberiség teljesítményfelhaszn. 1.2 ·101 3.78 ·102


Lakások fűtése, hűtése napenergiával:

- megfelelő tájolás (ablak északon, délen),

- üvegházszerű hatás elérése belső terek kialakításával,

- belső légáramlás optimális tervezése,

- gondos hőszigetelés,

- a légkondicionálás energiaigényének csökkentése


Naperőművek működése:


Napenergia átalakítása elektromos árammá- ennek alkalmazása: - naperőművek: zavartalan, direkt napsütés hosszú időszakokban,• - A napenergia által megtermelt hő hőcserélőkön keresztül szárazgőzt

termel, ami a turbinát meghajtja. A turbina által megforgatott és a hálózatra szinkronizált generátor termeli az áramot. A turbináról a gőz a kondenzátorba kerül, ahol a hűtővíz egy hőcserélőn keresztül lehűti. A hűtővíz a hűtőtoronyban leadja a felvett hőt, a kondenzvíz pedig ismét a hőcserélőhöz kerül, ahol a napenergia hőjét veszi fel.

• A teknő alakú tükrök fókuszpontjában egy cső található, ami a visszavert napsugarakat elnyeli, és a keletkezett hőt a benne áramló hőátadó folyadéknak továbbítja. A "teknők" napkövető mechanizmussal mindig a Nap irányába fordulnak, így ha süt a Nap, az erőmű is működik.

• A hőátadás két lépcsőben történik. A már részben lehűlt hőátadó folyadék a gőzgenerátorban elgőzölögteti a kondenzvizet, majd az így keletkező gőz hőmérsékletét emeli tovább a hőcserélőben a magas hőfokú folyadék, és ezáltal szárazgőzt állít elő.


Koncentrikus körökbe telepített nagy felületű és napkövető síklap tükrök irányítják a visszavert fényt a középpontban álló torony tetejére. Itt egy tartályban található a hőátadó folyadék, ami felveszi a hőt.


Nagy földterületet borítanak kör alakú üveg vagy műanyagszerkezettel, ami a kör közepe irányába magasodik. Középen egy magas torony található, itt található vagy találhatók a szélturbinák.

A kör és a földfelszín között a levegő képes cirkulálni. Napsütés hatására az üveg (vagy műanyag) alatt található levegő felmelegszik, és mert a meleg levegő könnyebb, mint a hideg, a torony irányába kezd áramlani, helyét átadva a perem felől érkező hideg levegőnek. A toronyban a meleg levegő felszáll, mozgásával a turbina lapátjait megforgatja. A turbinához generátor csatlakozik, mely a mozgási energiát villamos energiává alakítja.

A napenergia és felhasználási módszerei: napkollektor


A napkollektor nem más, mint a Nap fényenergiáját hőenergiává átalakító berendezés, amit legtöbbször víz melegítésére használnak, de előfordul hőcserélő közegként légnemű anyag is. Ezt a felmelegített anyagot használják fűtésre, felhasználási területei között megtalálható még például a fűtésen kívül a melegvíz szolgáltatás mosogatáshoz, fürdéshez és akár medencék vízutánpótlásához, de olyan megoldással is találkozhatunk, ahol a fényt összegyűjtve üvegszálakon, vagy tükrös csöveken keresztül vezetik el épületek világításához.


A levegős napkollektorokA levegős napkollektor működési elve nagyon egyszerű,

a napkollektoron levegőt fújunk át, ami a napenergia hatására megmelegszik, ezt a meleg levegőt pedig már fel lehet használni különféle célokra, például fűtésre, villamos energia generálására, stb.

Előnyei között talán a legfontosabb, hogy nem fagyásveszélyes, mert a hőcserélő közeg levegő, nem pedig folyadék, még a keményebb téli hónapokban sem fordulhat elő, hogy befagy a rendszer. Azonnal felhasználjuk a napenergiát, tehát nincs szükség hőtárolásra, valamint az egyik leggazdaságosabb rendszer, a levegős napkollektorok akár házilag is könnyen megépíthetőek, ez is növeli gazdaságosságukat.


A vákuumcsöves napkollektor Az ikerüveges változat alapötlete a termoszüvegektől

ered. A dupla üvegfal belső felére gőzöléses eljárással hordják fel az abszorbensréteget. A külső üvegcső teljesen átlátszó. A beeső fény a belső üveg felületén hővé alakul, melyet az üvegcső belsejében elhelyezett fűtőcső továbbít a gyűjtőegységbe. Innen a rendszerben keringtetett folyadék a víztartályba szállítja az átvett hőt. A két üvegcső közötti teret vákuum tölti ki, amely a hőszigetelést biztosítja. Magyarországon az utóbbi években kedvező áruk miatt nagyon elterjedtek ezek a típusok, ám itt rögtön meg kell jegyezni, hogy a külsőre azonosnak tűnő gyártmányok között igen nagy különbség lehet a teljesítmény tekintetében.


Egy olyan termikerőmű, mely kollektorának az átmérője

7000 m, egy olyan területen, ahol a napsugárzás értéke eléri a

2.3 MWh/m2 egy év alatt körülbelül 700-800 GWh energiát termelhet.

Ezzel az energiamennyiséggel egy nukleális erőművet képes kiváltani.


• Egy 5 MW teljesítményű erőműhöz 1100 m átmérőjű kollektor szükséges, a kémény magasságának el kell érni a 445 métert, átmérőjének a 27 métert.

• Egy 200 MW-os erőműhöz ugyanezek a paraméterek: 5000 m átmérőjű kollektor, 1000 méter magas, és 150 méter átmérőjű kémény.

• A kéményben a légáram sebessége 8 m/s, ha a turbina és a generátor üzemben van, e nélkül 15 m/s.

A napenergia és felhasználási módszerei: naptó

Tapasztalatok szerint a naptóval 1.3 kWh elektromos és 48.5 kWh fűtési energia állítható elő átlagosan köbméterenként.

A napenergia és felhasználási módszerei: naptó

A naptóban három vízréteg található. A felső réteg a felületi zóna. Ennek a hőmérséklete megegyezik a levegő hőmérsékletével és csak enyhén sós. Az alsó réteg nagyon meleg, 70°- 85°C-os, és nagyon sós. Ez a réteg gyűjti be és tárolja a hőt. E között a két réteg között található az elválasztó zóna. Ebben a zónában a só koncentrációja a mélység arányában csökken. Ebben a zónában a víz nem áramlik, és a só koncentrációja alacsony, ezáltal a réteg világos. Az alsó réteg só koncentrációja magas, és a középső réteg által áteresztett fényt elnyeli, hővé alakítja. Gyakorlatilag egy fénycsapdaként működik ez a réteg, és mivel a só miatt nem tud feláramolni, a hőt eltárolja.

A napenergia és felhasználási módszerei: napelem

• A korszerű napelem modulok energiaátalakítási hatásfoka 15%, élettartamuk legalább 30 év.

http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.ecoenergy.extra.hu/ecoenergy_halozatcstolt_html_ecac243.jpg&imgrefurl=http://www.ecoenergy.extra.hu/ecoenergy_halozatcstolt.html&h=279&w=305&sz=29&hl=en&start=35&sig2=5gKJp4oO91F79CsLyIpZBA&um=1&usg=__s1kC9LPi1LYU6Dax8LwpYRfdhmA=&tbnid=qRjYoQ2AkOft3M:&tbnh=106&tbnw=116&ei=U6vzSKjzMIu60gXZvsi8Bg&prev=/images?q=napelem&start=20&ndsp=20&um=1&hl=en&rlz=1D2GGLD_enHU295HU295&sa=N


• Napelemek: egy félvezető rendszer, amelyben fényelnyelés hatására elektronok lépnek ki az atomok közötti kötésből.

• A napelemek a nap elektromágneses sugárzásának felhasználásával, kémiai folyamat révén egyenáramot termelnek. Ezt az egyenáramot egy ún. inverter alakítja át 230V-os szinuszos váltakozófeszültséggé, a normál háztartási fogyasztók ellátására. Amikor a napelem modulok termelnek, ellátják a fogyasztót árammal, amikor nem, a szükséges energiát a normál hálózatról lehet felvenni. Amikor több energia termelődik, mint amennyit felhasználunk, a maradék energiát akkumulátor segítségével tárolhatjuk, vagy a megfelelő csatlakozás kiépítése után a normál hálózatra táplálhatjuk vissza.


• A napelem vagy fotovillamos elem a nap sugárzási energiáját közvetlenül alakítja elektromos energiává. Az energiaátalakítást a félvezető alapanyag végzi, mégpedig oly módon, hogy az elnyelt sugárzás közvetlenül elektromos töltéseket hoz létre az anyagban, melyet a kialakított elektromos tér szétválaszt, és az elektromos áram a külső áramelvezető kontaktusokon keresztül elvezethető.

• A ma gyártott és a napelemes áramforrásokban tömegesen alkalmazott napelemek szinte kizárólag szilícium alapanyagból készülnek. A szilícium földünkön a második leggyakrabban előforduló elem. Közismert előfordulási formája a homok, a szilícium-dioxid, melyet termikus-kémiai reakcióval redukálnak, majd tisztítanak.

• A jelenleg alkalmazott és a közeljövőben alkalmazásra kerülő, hosszú élettartamú, nagy hatásfokú napelemek egykristályos, illetőleg polikristályos szilícium felhasználásával készülnek.

Napelem• A napelemek fajtái:• Egykristályos szilícium (Si) napelemek: drágák, de hatékonyak. A

legkorszerűbb panelek hatásfoka 18%, laboratóriumi körülmények között 25%, az elméleti határ 31%.

• Polikristályos Si napelemek • Amorf szilícium napelemek: olcsóbbak • Fém – félvezető – fémszerkezetek: festékanyagokkal érzékenyített

félvezető-oxidok. A hatásfokuk kevesebb, mint 10%. Példa: kadmium-tellurid és a réz-indium-tellurid napelemek

• Adalékolt amorf félvezető napelemek • Szerves anyagokból (polimerekből) készült napelemek: olcsók, de

hatásfokuk csak 2-5%. • A napsugárzás koncentrálásával (többfotonos technológia; vagyis

apró lencsék alkalmazása) a hatásfok 66%-ra növelhető. A legkorszerűbb gáztüzelésű erőművek hatásfoka közel 60%.

http://hu.wikipedia.org/wiki/Szil%C3%ADcium

http://hu.wikipedia.org/wiki/Szil%C3%ADcium

http://hu.wikipedia.org/wiki/F%C3%A9m

http://hu.wikipedia.org/wiki/F%C3%A9lvezet%C5%91

http://hu.wikipedia.org/w/index.php?title=Kadmium-tellurid&action=edit&redlink=1

http://hu.wikipedia.org/w/index.php?title=R%C3%A9z-indium-tellurid&action=edit&redlink=1

Napelem

Kinyerhető teljesítmény: függ a fény beesési szögétől, a megvilágítás intenzitásától, és a napelemre csatolt terheléstől. A fény intenzitását kevéssé tudjuk befolyásolni (nem takarjuk el a napelemet szándékosan), míg a másik két paraméter elméletileg kézben tartható.

A napelem beépítése szerint lehet fix vagy napkövető jellegű.A fixen beépített napelem maximum 6 órán keresztül képes napfényt

elnyelni. Ahhoz, hogy egész nap az időjárás által megengedett maximális teljesítménnyel tudjuk gyűjteni a napenergiát, a nappal folyamán vízszintesen forgatnunk, függőlegesen bólintanunk kell a napelemet, úgy, hogy a napsugár beesési szöge a lehető legkisebb mértékben térjen el a merőlegestől. Ehhez plusz elektronikát és mechanikus elemeket kellene felhasználnunk, és a telepítési hely megválasztására is nagyobb gondot kell fordítani. Ellenben a fix beépítésnél elegendő a (tervezéskor már jól betájolt) ház tetőszerkezetét felhasználnunk a napelemek tartójának.

http://hu.wikipedia.org/wiki/Ellen%C3%A1ll%C3%A1s_(elektronika)

NapelemAz optimális besugárzásra beforgatott napelem-modul sem

fog mindig teljesítményt szolgáltatni, mivel a besugárzás mértéke több okból is változhat, lecsökkenhet (például lemegy a Nap vagy eltakarják a felhők stb.). Mivel a fogyasztóinkat folyamatosan szeretnénk üzemeltetni, viszont a napelem nem tud folyamatosan energiát biztosítani, valamilyen energiatároló puffert kell alkalmaznunk a rendszerben, amivel áthidalhatjuk az alacsonyabb napfény-intenzitású időszakokat. (puffer = átmeneti energiatároló). Az energia hasznosításának másik útja, amikor invertert alkalmazunk. Az inverter a napelem egyenáramát váltakozó árammá alakítja át, és visszatáplálja a hálózatba. A visszatáplálás természetesen a hálózat periódusával szinkronizálva lehetséges.

NapelemA teljesítmény növelésének egyik módja sok apró lencse

alkalmazása, amelyek a napfényt, a beesési szögtől függetlenül, a napelemekre koncentrálják.

Hatásfok:

ahol: Pm a fényelem által leadott maximális teljesítmény,

E a napsugárzás energiája (W/m2), Ac a napelem felülete (m2)

http://hu.wikipedia.org/wiki/Optikai_lencse

Szélenergia

• A szél vonzó energiaforrás a "vidék", így különösen a mezőgazdasági körzetek, gazdálkodók számára. Nagy előnye, hogy nem környezetszennyező és alkalmas hálózatba integrálható elektromos áram termelésére. A szélenergia befogása ún. szélturbinákkal (szélmotorokkal) történik.

Szélturbina és működése

• Fő részeik az állvány, a generátor, a sebességváltó rendszer, a vezérlőegység és esetleg a fék. Teljesítményük változó lehet: általában 10 - 100 kW között van, de nagyobb leadott teljesítményre képes szélturbinák is léteznek. Előzetes mérések után természetesen csak szélfúvásos területre érdemes telepíteni őket, de mivel a szél nem folyamatosan fúj és erőssége is változó, a szélturbinák nem szolgáltatnak egyenletesen áramot. Ezen ugyan lehet segíteni akkumulátorokkal, de sokkal jobb megoldás a szélturbinák elektromos hálózathoz csatlakoztatása.

http://images.google.hu/imgres?imgurl=http://www.epitoanyagnet.hu/energia/szelenergia/images/7,5kw.jpg&imgrefurl=http://www.epitoanyagnet.hu/energia/szelenergia/7_5kw.php&usg=__hGKYIUjSn_8BNsVJPcKMn-NVE2c=&h=280&w=250&sz=29&hl=hu&start=25&sig2=H6f5Zu2-hUZ7hQ-3-Vq2KQ&um=1&tbnid=jh164oQwwGaxqM:&tbnh=114&tbnw=102&ei=6TJASbmPB4Wo0gWwk-nBAg&prev=/images?q=sz%C3%A9lturbina&start=20&ndsp=20&um=1&hl=hu&rlz=1D2GGLD_enHU295HU295&sa=N


• Az aszinkron generátoros motorok a hálózattal párhuzamosan és frekvenciában ill. feszültségben attól szabályozva működnek. Így a generátor és a hálózat is védve van az esetleges hibák által okozott károsodástól. Az aszinkron generátorok ezenkívül egyszerű szerkezetűek, tartósak, kevés karbantartást igényelnek és kedvező a teljesítmény/ár viszonyuk is.



• A korszerű szélturbinák rotorjai az emelés elvén működnek: a szél a lapát mentén emelerőt hoz létre és forgás közben további felhajtóerőt biztosít. A lapátok a végük felé elvékonyodnak és meg is csavarodnak, így felületük mentén kicsi az ellenáram képződés. A vezérlőegység érzékelői több lényeges paramétert (feszültség, túláram, terhelés, vibráció, túlsebesség, csapágy- és kenőanyag hőmérséklet) mérnek.



• Amikor a szél sebessége eléri az indításhoz szükséges értéket, kiengedik a féket, túlsebességnél működésbe hozzák azt.

• A szélturbina 3 fázisú váltóáramot termel, ez lehetővé teszi nagyobb távolságokban a villamos energia csekély veszteséggel járó átvitelét. Ez biztosítja azt az előnyt, hogy a szélturbina telepítési helye és az energia felhasználási helye között nagyobb távolság létesíthető.

A szélturbina egyik optimális alkalmazási területe a melegvíz előállítása és a fűtésrásegítés. .



• A rendszerben elmarad a töltésszabályzó egység alkalmazása, a szélturbina egy csatolóegységen keresztül egy fűtőpatront lát el villamos energiával. A szabványos kialakítású fűtőpatron melegvíztárolóba, fűtési puffertartályba csavarozható.


• Akkumulátor töltése esetén a megtermelt 3 fázisú váltóáramot egy töltésszabályzó egység konvertálja át 12/24/48 Voltos akkumulátorok töltésére alkalmas egyenárammá és egyben szabályozza az akkumulátor töltési folyamatát, valamint megakadályozza az akkumulátor élettartamát károsan befolyásoló túltöltést, túlzott kimerítést. Valamennyi járatos akkumulátortípus töltésére alkalmazható a töltési folyamat paramétereinek beállításával.

Szélturbinák

Úszó szélturbina

Radon a természetbenAz 238U bomlási sorában található 226Ra

leányeleme a 222Rn. Nemesgáz, felezési ideje 3.8 nap.

Radon a természetben

A radon a házak alapzatában, a pincében lévő repedéseken keresztül szivárog be a házakba. Magasabb lehet a radonkoncentráció a bányákban, barlangokban, valamint a vízkezelő létesítményekben. Az Egészségügyi Világszervezet ajánlása szerint szigorúbb szabványokat kell alkalmazni az új épületek esetében, s programokat kell indítani a már meglévő házakban a radonszint csökkenése érdekében.


A radon maximálisan megengedett szintje levegőben köbméterenként 100 becquerel lehet. A WHO 1996-os ajánlása szerint még 1000 Bq volt megengedett köbméterenként.

A lakás radonszintjét csökkenteni lehet:

szigeteléssel, szellőztetéssel, pince kialakításával, megfelelő építőanyag megválasztásával.


Szilárdtest nyomdetektor::

Sok olyan szilárd anyag ismert, amelyben egyszerű eljárással töltött részecskéket detektálhatunk.

A besugárzott vékony lemezben, a lefékeződő töltött részecske pályája mentén látens nyomok keletkeznek.

Ezek maratószer hatására látható méretűvé

(5-10 μm) nagyíthatók.

Radon a természetbenRadon koncentráció meghatározása lakásban és

talajban:


A mérésekhez előkészített és kóddal ellátott filmes dobozok

Radon a természetbenA méréshez kész detektor


Radonkoncentráció meghatározása talajban:

Radon a természetbenVíz radonkoncentrációjának meghatározása

-vízminta gyűjtése, vízminta bepárlása, - szárazanyagtartalom meghatározása,- tabletta készítése (hidraulikus sajtó),- szendvics készítése


CR 39

triplex fólia

tabletta„Szendvics” készítése:

Vizek és levegő 222Rn-tartalmának mérése

1

3

2

4

5

6, 78

9 10

11

12

13

T

Rn dt)t(C0

Vízminták 222Rn- és 226Ra-tartalmának mérése

radonmonitor

vízminta

üveg

zárókupak

gumizsáklevegővel

CR-39nyomdetektor


Nyomfeltárás (detektorlemezek maratása)


Nyomszámolás a detektorlemezen

Radon a természetbenNyomszámolás a detektorlemezen


Mérési eredmények:

Talaj:

Talajtípus Rn-konc.

(Bq/m3)

Feketeföld 4553 ± 683

Homok 748 ± 112

Agyag 3916 ± 587


Mérési eredmények:

Építő anyag:

Építő anyag Rn-konc.

(Bq/m3)

Beton 27 ± 4

Tégla 57 ± 9

Vályog 93 ± 15


Mérési eredmények:Vizek:

Víz típusa Rn-konc.

(Bq/m3)

Tengervíz 53 ± 2

Atlanti -

óceán

437 ± 21

Termálvíz 62 ± 3.2

Ásványvíz 95 ± 3.8

A mintavétel helye

Oldott 222Rn aktivitáskoncentráció

[kBqm-3]


[kBqm-3]Átlagérték

Török fürdőTükör medence

lépcsőlejárat mellett

75.6 ± 4.472.8 ± 4.374.3 ± 4.4

74.3 ± 4.0

Török fürdőTörök medence

Egyik lépcsőnélMásik lépcsőnélKözépen

84.9 ± 5.184.8 ± 4.983.8 ± 4.8

84.5 ± 4.5

Termálfürdő I.sz. medenceforrások felőli vége

Fürdőépület felőli lépcsőnélEllenkező oldalilépcsőnél

47.1 ± 2.848.3 ± 2.956.5 ± 3.3

47.7 ± 2.6-

Termálfürdő II.sz. gyermek-medence lépcső felőli o.

Fürdőépületnél KözépenLépcsőlejáratnál

62.5 ± 3.844.0 ± 2.643.1 ± 2.6

-

Termálfürdő III.sz. felnőtt-medence befolyás felőli oldal

FürdőépületnélKözépenLépcsőlejáratnál

71.7 ± 4.264.7 ± 3.945.2 ± 2.7

-

A Termálfürdő és a Török fürdő vizeiben mért oldott 222Rn-aktivitáskoncentráció

A mintavétel helyeOldott 222Rn

aktivitáskoncentráció [kBqm-3]

Oldott 222Rn aktivitáskoncentráció [kBqm-3]

Átlagérték

Török fürdő melletti kórházi épület

központi gyógymedencéje,a medence alján a forrás fölött

kb. 10-20cm-rel

68.2 ± 3.9

68.8 ± 3.9

72.0 ± 4.1 70.5 ± 3.1

68.3 ± 3.9

75.3 ± 4.3

Kórházi épület központi gyógymedencéje,

a medence pereme mentén kb.10-20cm-rel a vízfelszín alatt

63.3 ± 3.6

58.0 ± 3.4

62.6 ± 3.6 60.2 ± 3.2

55.8 ± 3.3

61.2 ± 3.5

A Török fürdő melletti kórház gyógymedencéje vízének oldott 222Rn aktivitáskoncentrációja

Mintavétel helyeOldott 222Rn

aktivitáskoncentráció[kBqm-3]



I. sz. forrás, a medence végéhez közelebb

83.8 ± 4.886.6 ± 4.976.1 ± 4.4

82.2 ± 5.5

II. sz. forrás, a medence közepe táján

102.0 ± 5,7 98.3 ± 5.5

100.1 ± 2.6

A Bárány uszoda I. sz. és II. sz. forrásvizének oldott 222Rn aktivitáskoncentrációja

24SO

A mintavétel helye


[kBqm-3]



Mélyfúrásból2.87 ± 0.172.88 ± 0.17

2.47 ± 0.15

2.75 ± 0.15

10 m3 –es tartályból 1.14 ± 0.09

Szabadtéri ikermedence 0.88 ± 0.08

Úszómedence Beömlő nyílásnál

Végén középen0.23 ± 0.05

0.19 ± 0.05

0.21 ± 0.04

Termálmedence 1.02 ± 0.11

Hideg vizes medence 3.00 ± 0.19

Meleg vizes medence

Étkező felőli lépcsőlejáratnál

Ellenkező oldali lépcsőlejáratnál

0.21 ± 0.05

0.23 ± 0.05 0.22 ± 0.04

Gyermekmedence

Egyik széle

Másik széle

0.21 ± 0.05

0.17 ± 0.050.19 ± 0.04

A nyíregyházi Júlia fürdő medencéinek oldott 222Rn-aktivitáskoncentrációja

Ásványvizek Ra- tartalma

Márka névHőm.

(°C)

Talp m.

(m)Mg2+ Ca2+ Összes oldott

ásványianyag

226Ra[mBq/l]

Szentkirályi Ásványvíz

18 206 26 63 - 575 7

Mineralis 305 26,9 305 3,9 10,7 25 1485 8

Parádi Ásványvíz - - 66 187 144 1463 10

Pannon Aqua 17 103 32,9 57 - 653 12

Borsodi ásványvíz 20,4 262 79 255 890 5282 19

Balfi 14,5 34,6 229 - 2080

Theodora Quelle 12,6 18 75 264 42 1410 64

Óbudai Gyémánt 21 444,7 47 91 84 687 111

Visegrádi Ásványvíz 39 1302 62 163 121 1297l 186

Margitszigeti Kristályvíz

68 310 40,8 154 168 1370l 451

Gellérthegyi Kristályvíz

39,5 43,5 69 169 332 1385 1135

Apenta

61 997 55 197 440 1853DúsEnyhe

28652911

24SO

környezetfizika 2013. dr. varga klára nyíregyházi főiskola mmk fizika tanszék

Documents