Fizikai Szemle 2005/10. 344.o.

A CR39 NYOMDETEKTOROK RITKÁN ELŐFORDULÓ ANOMÁLIS VISELKEDÉSE

Hámori Krisztián, Tóth Eszter
RAD Labor, Boronkay, Vác

A lakótéri radonmérések nagyrészét CR39 nyomdetektorokkal végzik világszerte [1]. A detektorlemezeket általában dobozba zárják annak érdekében, hogykirekesszék a radon szintén -bomló utódelemeit (218Po, 214Po) hordozó por- és páraszemcséket. Így a lemez felületén csak a dobozba bejutó radon, illetve a dobozban keletkező radonutódok -részecskéi okoznak sérülést. A sérüléseket kémiai maratással nagyítják mikroszkóppal látható méretűvé. A RAD Labor szintén ezt az eljárást alkalmazza immár több mint 13 éve.

Szinte minden CR39 nyomdetektort használó kutatócsoport szembesült már azzal a problémával, hogya kapott radon aktivitáskoncentráció sokkal (néha egy nagyságrenddel is) nagyobbnak adódott a valódi értéknél [2]. A továbbiakban az ilyen, a valódinál nagyobb aktivitáskoncentrációt mutató detektort "hibás" detektornak nevezzük. A hiba létrejöttének egyl ehetséges magyarázatát mutatjuk be.

A roncsolás és a nyomképződés folyamata

Az -részecske általában néhány MeV energiával érkezik meg a detektorlemez felületére. A lemez anyagában haladva ionizálja az útjába kerülő polimerláncokat, ezáltal lassul, energiája csökken. Pályája elején a még gyors -részecske alig roncsol, mert a polimerláncokon túlságosan rövid idő alatt átszalad, ezért kis valószínűséggel okoz maradó károsodást. Lelassulva, a pálya utolsó néhány mikrométernyi szakaszán adja le energiája nagy részét [3]. Az energialeadás - behatolási mélység függvénynek ezt a maximumát Bragg-csúcsnak nevezzük (1. ábra). Az -részecske ekkor üt ki legsűrűbben C-, O- és H-atommagokat a helyükről, maradó sérüléseket okozva.

Az -részecske behatolási mélysége (b) a TRIM szimulációs program segítségével meghatározható, ha ismerjük a részecske energiáját, a CR39 sűrűségét (1,27 g/cm3), valamint a CR39-et alkotó polimer szerkezeti képletét [4]:

A szimulációval számított behatolási mélységeket az 1. táblázatban foglaljuk össze.

A RAD Laborban alkalmazott maratási eljárás során1 a detektorlemez felületéről óránként körülbelül 9 µm vastag réteg maródik le. Az -részecske pályája mentén a maródás sebessége ennek közel háromszorosa. A pálya menti és a felületre merőleges maródási sebességek eltérése miatt a maratás során a 2. ábrán bemutatott bemélyedések alakulnak ki [5, 6]. E bemélyedések felülnézeti képét szokás nyomnak nevezni.

Ha a maratás legfeljebb addig tart, amíg az -részecske pályájának utolsó pontját elérjük, akkor dinnyemagra emlékeztető nyomokat kapunk. Ezeket kimart nyomoknak nevezi a szakirodalom [5, 6]. Ha a maratást tovább folytatjuk, akkor kerek, úgynevezett túlmart nyomokhoz jutunk [6]. Ha a maratással nem érjük el a Bragg-csúcsot, akkor keskeny, alulmart, általunk "huss"-nak elnevezett nyomokat kapunk. A 4. ábrán egyessel jelölt nyom valószínűleg radon -részecskétől származó túlmartnyom. A kettessel jelölt lehet egy, a levegőben lelassult, polónium -részecske kimart, "dinnyemag" alakú nyoma. A hármas számú nyom pedig egy polóniumbomlás nagy energiával érkező -részecskéjétől származhat, alulmart nyom.

1. ábra 2. ábra

1. táblázat

A radonmérés kiértékelése során keletkező nyomok

Ha a detektordobozba csak a 222Rn jut be (220Rn, azaz toron nem, vagy alig), akkor a detektorlemezen három, különböző energiájú -részecske okozhat sérülést (222Rn, 218Po, 214Po). Maratási eljárásunkkal a négyóra alatt összesen 36 µm-t marunk le a detektorlemez felületéből. Ez csak a radon -részecskéjének behatolási mélységét haladja meg (34 µm < 36 µm, 1. táblázat ). A radon -részecskéjének nyomai tehát mind túlmart, "kerek" nyomok. Azok a polónium -részek, amelyek a levegőben lassulva kisebb energiával érik el a detektorlemezt, tehát behatolási mélységük < 36 µm, szintén túlmart nyomokat eredményeznek. A két polónium -nyomainak egyrésze azonban vagy kimart, "dinnyemag" alakú vagy alulmart "huss" lesz (3. ábra).

3. ábra. Gondolatban gyűjtsük össze a detektorlemezbe érkező -részecskéket egy pontba (P)! Fölül a radon, alul a polóniumizotópok -részecskéinek lehetséges pályái láthatóak. A vastag vízszintes vonal 36 µm-nél azt mutatja, hogy meddig marjuk le a detektorlemez felületét. A szaggatott negyed kör a radontól származó -részecskék, a folytonos negyed körök pedig a két polónium -részecskéinek maximális behatolási mélységét jelzi.
3.1 ábra 3.2 ábra

A hibás detektorok jellemzői

A RAD Laborban, néhányezer detektorlemez nyomainak számlálásakor, a kivetített képen szemmel figyeltünk a nyomok alakjára, sűrűségére is. Feltűnt, hogy a hibás detektorok egy-egy kis területén a túlmart nyomok sűrűsége szignifikánsan nagyobb, mint a detektorlemez más részén. A nagyobb nyomsűrűség szabad szemmel is jól látható foltot eredményez ezen a területen. Ha a detektorlemeznek csak azt a részét vesszük figyelembe a kiértékelésnél, ahol nem foltos, akkor az eredménymegegy ezik a valósnak vélt eredménnyel. (A kiugró - outlyer - eredmények felfedezése után minden mért szobába két detektort helyeztünk el egymás mellé. Amikor az egyik foltos volt, akkor a folton kívül ugyanazt a nyomsűrűséget tapasztaltuk, mint a másik, nem hibás detektoron.) A hibás detektorok tehát általában nem teljes felületükön, hanem annak csak egyrészén mutatnak nagy nyomsűrűség-értékeket.

Megfigyeltük, hogy a detektorlemez foltos területén szignifikánsan nagyobb az alulmart és a kimart nyomok aránya is a túlmart nyomokhoz képest (4. ábra). Maratási eljárásunkkal a radon -részecskéinek nyomait mind túlmarjuk, a radonutódok -részecskéjének nyomait azonban nem mind, ígyezek az alulmart, kimart nyomok csak a polóniumizotópok -részecskéitől származhattak.

4. ábra
4. ábra. Ugyanazon detektorlemez két felvétele. A jobb oldali kép a foltos területről származik, míg a bal oldali a folttól távol készült. 1. túlmart nyom, 2. kimart nyom, 3. alulmart nyom.

Hipotézis

Minden -bomláskor a kirepülő részecske az elektronburokból 4-6 elektront sodor ki magával, ígya visszamaradó leányelem többszörösen pozitív ion. A radon utódelemei -bomlás után többszörösen, -bomlás után egyszeresen pozitív ionok.

A műanyag CR39 detektorlemez elektrosztatikusan általában negatívra töltődhet fel gyártás, szállítás vagy besugárzás alatt. Mivel a műanyag szigetelő, ezért a detektorlemezen kialakulhatnak erősen töltött területrészek, míg a mellettük lévő terület töltetlen marad. Ha a detektorlemez bárhol töltötté válik, a dobozban létrejött pozitív ionokat maga felé vonzza, azok egyrésze "kiül" a detektorlemeznek erre a felületére.

5. ábra
5. ábra. Ez a detektor két hónapot töltött egyközepesen nagy radon aktivitáskoncentrációjú lakásban (200 Bq/m3 átlag), de a doboz nyitva volt. Apró porszemcsék, pára hullott rá. Mindhárom nyomtípussal találkozunk. (A "kerek" nyomok alapján - gyanútlanul - 600 Bq/m3 radon aktivitáskoncentrációt kaptunk volna.)

A folt helyén lerakódott elemek közül a 218Po és a 214Po -bomlóak. A bomlásuk során keletkező -részecskék vagy teljes energiájukkal közvetlenül a detektorlemezbe érkeznek, vagya doboz belső terébe távoznak. A detektorlemezbe érkező -részecskék 39 µm, illetve 58 µm mélységig hatolnak a lemez belsejébe, (hiszen nincs módjuk a levegőben történő lassulásra). A sérülések közül azokból, amelyek a lemez felületéhez képest kis szögben keletkeztek túlmart, kerek nyom lesz, míg a nagyobb szögben keletkezőkből alulmart, kimart, nyomok (3. ábra). A lerakódott, -bomló izotópok kiülésük helyénél tehát mind a "kerek", a "dinnyemag" és a "huss" nyomok sűrűségét megnövelik.

Megfontolások

A nyomsűrűség foltban történt megnövekedését okozhatja a detekt¡orlemez lokális feltöltődése. Véleményünk szerint a foltosodás jelenségét más kutatóintézetek azért nem tapasztalták, mert ők a dobozba zárás előtt antisztatikus mosószerrel lemossák a detektorlemezeket [2]. A RAD Labor ezt nem teszi. A mosószer vékony, elektromos vezető réteget képez a detektorlemezen. Ígyha a detektorlemezen bárhol is történik feltöltődés, a töltés eloszlik a teljes rétegbe. A radon utódelemei tehát a felületen egyenletesen ülnek ki, mindenhol közel ugyanannyi többletnyomot okozva. Ezért nehezebb felismerni, hogya detektor hibás, hiszen homogenitásvizsgálat (X2-teszt) sem mutatja ki azt.

Arra a hipotézisre, hogya kiülő leányelemek okozzák a "dinnyemag" és "huss" alakú többletnyomokat, egy, az országos radonmérésben résztvevő település közvetett bizonyítékkal szolgált. Ők rosszul értelmezték a detektorok kihelyezésének módját, a dobozt nyitva tették a mérendő helyekre. A kéthónapos mérés alatt a lemezeket belepte a por, így sok Po-izotóp került a detektorlemez felületére. Ezeken a lemezeken, kivétel nélkül, nagy volt a "dinnyemag" és a "huss" alakú nyomok számának az aránya (5. ábra).

Természetesen lehetséges, hogya foltosságot valami teljesen más hatás okozza. Eddigi kísérleteink során nem bukkantunk olyan tényre, amely cáfolná, de olyanra sem, amely egyértelműen bizonyítaná hipotézisünket. Pedig elég sokféle módon megkíséreltük a detektorlemez "pontszerű", csillag, négyzet, kör alakú feltöltését, a doboz, a doboztető feltöltését: a detektor alkatrészeinek dörzsölését. Azt is tisztáznunk kell, hogya feltöltődés a gyártás, a szállítás vagy a besugárzás ideje alatt következik-e be, esetleg ezek együttes hatása okoz anomáliát. A hipotézis igazolására, a foltosodás kísérleti reprodukálására, a felmerülő kérdések tisztázására jelenleg is folynak kísérletek a RAD Laborban, illetve a Debreceni Egyetemen. Ennek során nyomdetektorokat helyezünk sokféle elrendezésben (zártan, nyitottan, fémdobozban, mosottan, piszkosan) különböző erősségű elektrosztatikus térbe és többféle sugárforrást (uránérc, 232Th, Th(B+C) preparátum) használva sugározzuk be őket.

Irodalom
  1. C.B. HOWARD, J.C.H. MILES: Results of the 2001 NRPB Intercomparison of Passive Radon Detectors - 2001.
  2. J. MILES - szóbeli közlés
  3. FEHÉR I. (szerk.): Alapfokú sugárvédelmi ismeretek - Budapest, 1992.
  4. www.phy.bris.ac.uk/research/tasl/page2.html
  5. D.L. HENSHAW: TASTRAK A Plastic Track Detector for Teaching Radioactivity in Schools. Secondary Teachers Notes - 1992.
  6. D.L. HENSHAW, G. CAMBLIN: http://home.clara.net/camplin/Tnotes/Conts.html
    Appendix 2