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 .