1. ΜΕΤΡΗΣΗ ΡΑΔΟΝΙΟΥ ΜΕ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ E-PERM
Ο Προϊστάμενος του Τμήματος Ελέγχου Ραδιενέργειας Περιβάλλοντος, πυρηνικός φυσικός, κύριος Κωνσταντίνος Ποτηριάδης ενημερώνει τους μαθητές και μαθήτριες του 1ου Γενικού Λυκείου Ιλίου.
|
Η κυρία Μαρία Κολοβού, εργαζόμενη στο Τμήμα Ελέγχου Ραδιενέργειας Περιβάλλοντος της ΕΕΑΕ, εξηγεί στους μαθητές και μαθήτριες τον τρόπο λειτουργίας του συστήματος E-PERM.
|
Ο Διευθυντής του 1ου Γενικού Λυκείου Ιλίου, κύριος Ιωάννης Αυγέρης, τοποθετεί στο γραφείο του, που βρίσκεται στον 1ο όροφο του σχολείου, το σύστημα E-PERM μέτρησης ραδονίου στον αέρα.
|
Εισαγωγή
Κατά την επίσκεψη μαθητών και μαθητριών του 1ου Γενικού Λυκείου στην Ελληνική Επιτροπή Ενέργειας (ΕΕΑΕ), στις 20 Μαρτίου 2014, οι επιστήμονες, μεταξύ άλλων εξήγησαν τον τρόπο λειτουργίας του συστήματος E-PERM το οποίο χρησιμοποιείται για τη μέτρηση ραδονίου στον αέρα. Δόθηκαν στους μαθητές τρία κουτιά με έξι τέτοιους ανιχνευτές, δύο σε κάθε κουτί.
Οι μαθητές και μαθήτριες τοποθέτησαν τα συστήματα αυτά σε διαφορετικά σημεία του σχολείου: το ένα ζεύγος ανιχνευτών (το ένα κουτί) στο γραφείο του διευθυντή στον 1ο όροφο και το άλλο ζεύγος ανιχνευτών (το άλλο κουτί) στο εργαστήριο Φυσικών Επιστημών, στο ισόγειο. Ένα ζεύγος ανιχνευτών τοποθετήθηκε σε πολυκατοικία όπου μένει συνάδελφος: ο ένας ανιχνευτής τοποθετήθηκε στο ισόγειο της πολυκατοικίας και ο άλλος στον 1ο όροφο. Οι μαθητές επέστρεψαν τους ανιχνευτές ραδονίου μετά από μερικές εβδομάδες στην ΕΕΑΕ για να γίνουν οι απαραίτητες μετρήσεις. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων που μας παραχώρησε η ΕΕΑΕ καθώς και τα συμπεράσματα στα οποία κατέλξαν οι μαθητές/τριες καταγράφονται σε πίνακες στο τέλος της σελίδας.
|
Η εφεύρεση του E-PERM
Αν και οι θάλαμοι ιόντων electret ήταν γνωστοί από τη δεκαετία του 1950, εξακολουθούσαν να είναι το «μαύρο κουτί» για τους επιστήμονες μέχρι το 1987-1990 όταν ξεκίνησε συστηματική έρευνα. Η αρχική έρευνα πραγματοποιήθηκε από τη Rad Elec Inc. και χρηματοδοτήθηκε από την Πολιτεία της Νέας Υόρκης και το τμήμα Ενέργειας. Η έρευνα είχε ως στόχο την ανάπτυξη ενός πρακτικού συστήματος θαλάμου ιόντων ηλεκτρίτη για τη μέτρηση ραδονίου στα κτίρια. Το σύστημα αυτό αναπτύχθηκε και κατοχυρώθηκε στο εμπόριο κατά τη δεκαετία 1989-1991. Η εφεύρεση αυτή τιμήθηκε από την αμερικανική Κοινότητα Πυρηνικών Ερευνών και πήρε το Διεθνές Βραβείο Βιομηχανίας Ακτινοβολιών το 1989.
Το σύστημα E-PERM χρησιμοποιείται από τα περισσότερα εργαστήρια μετρήσεων ραδονίου στις ΗΠΑ, Ευρώπη, Ασία και νότια Αμερική.
Το σύστημα E-PERM χρησιμοποιείται από τα περισσότερα εργαστήρια μετρήσεων ραδονίου στις ΗΠΑ, Ευρώπη, Ασία και νότια Αμερική.
Τι είναι το E-PERM
Πρόκειται για μια ανταγωνιστική παθητική τεχνική μέτρησης συγκέντρωσης ραδονίου στην ατµόσφαιρα που δεν απαιτεί τη χρήση μπαταριών ή τροφοδοσίας. Η λειτουργία του E-PERM στηρίζεται στην αρχή του ανοιχτού θαλάµου ιονισµού, στον οποίο η υψηλή τάση συντηρείται από ένα φορτισµένο διηλεκτρικό µέσο, έναν ηλεκτρίτη (electret).
O βασικός λόγος εκφόρτισης ενός ηλεκτρίτη (electret) είναι η συλλογή στην επιφάνεια του, ιόντων αντίθετου φορτίου. Τα αντίθετα αυτά φορτία προέρχονται από τον αέρα που το περιβάλλει. Η ποσότητα των ιόντων που συλλέγονται και ο ρυθµός εκφόρτισης εξαρτάται και από την επιφάνεια του ηλεκτρίτη (electret) που εκτίθεται στον περιβάλλοντα αέρα.
Tο Ραδόνιο του περιβάλλοντος διαχέεται προς το εσωτερικό του θαλάµου και η συγκέντρωσή του µετράται από τα θυγατρικά του που εκπέµπουν –α ακτινοβολία. Η µέθοδος ονοµάστηκε παθητική τεχνική E-PERM™ (Electret - Passive Environmental Radon Monitor). Οι ανιχνευτές τεχνολογίας E-PERMTM λειτουργούν είτε βραχυπρόθεσμα είτε µακροπρόθεσµα. Στη μακροπρόθεσμη λειτουργία γίνεται εκτίµηση της µέσης συγκέντρωσης του Ραδονίου για περίοδο εβδοµάδων ή ακόµα και µηνών.
O βασικός λόγος εκφόρτισης ενός ηλεκτρίτη (electret) είναι η συλλογή στην επιφάνεια του, ιόντων αντίθετου φορτίου. Τα αντίθετα αυτά φορτία προέρχονται από τον αέρα που το περιβάλλει. Η ποσότητα των ιόντων που συλλέγονται και ο ρυθµός εκφόρτισης εξαρτάται και από την επιφάνεια του ηλεκτρίτη (electret) που εκτίθεται στον περιβάλλοντα αέρα.
Tο Ραδόνιο του περιβάλλοντος διαχέεται προς το εσωτερικό του θαλάµου και η συγκέντρωσή του µετράται από τα θυγατρικά του που εκπέµπουν –α ακτινοβολία. Η µέθοδος ονοµάστηκε παθητική τεχνική E-PERM™ (Electret - Passive Environmental Radon Monitor). Οι ανιχνευτές τεχνολογίας E-PERMTM λειτουργούν είτε βραχυπρόθεσμα είτε µακροπρόθεσµα. Στη μακροπρόθεσμη λειτουργία γίνεται εκτίµηση της µέσης συγκέντρωσης του Ραδονίου για περίοδο εβδοµάδων ή ακόµα και µηνών.
Γενικά για τους ηλεκτρίτες
Τα διηλεκτρικά στερεά υλικά τα οποία μπορεί να παραμένουν ασταθώς (quasi-permanently) φορτισμένα με στατικό ηλεκτρικό φορτίο ονομάζονται "ηλεκτρίτες", electret, από την σύνθεση των όρων ELECTRicity και magnET. Ο όρος εισήχθηκε το 1885 από τον Oliver Heaviside. Όσο υπάρχει το ηλεκτρικό πεδίο αυτό, ο ηλεκτρίτης συμπεριφέρεται ως ένα πολωμένο δίπολο, στο οποίο υπάρχει ένα εσωτερικό και ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι ο ηλεκτρίτης είναι το ηλεκτροστατικό ισοδύναμο ενός μόνιμου μαγνήτη. Η διαφορά του ηλεκτρίτη από τον πυκνωτή βρίσκεται στο ότι, το ηλεκτρικό πεδίο στον πυκνωτή, συντηρείται προσωρινά από εξωτερικά ηλεκτρικά αίτια και γενικά παύει να υπάρχει όταν αυτά εκλείψουν, λόγω των εμφανιζόμενων διαρροών. Αντίθετα το ηλεκτρικό πεδίο στον ηλεκτρίτη, μπορεί μεν να δημιουργείται από εξωτερικά αίτια αλλά συνεχίζει να υπάρχει μειούμενο εκθετικά με πολύ αργό ρυθμό ακόμα και όταν αυτά εκλείψουν διότι η φύση του υλικού είναι τέτοια που δεν παρουσιάζει έντονες διαρροές.
Τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται οι ηλεκτρίτες είναι ευρέως διαδεδομένα στη φύση. Quartz και άλλες μορφές οξειδίων του πυριτίου είναι κάποια από αυτά. Σήμερα οι περισσότεροι ηλεκτρίτες κατασκευάζονται από συνθετικά πολυμερή με συνηθέστερο από όλα τα φθοροπολυμερή (fluoropolymers) με πιο γνωστό σήμερα το Τeflon™. Η διηλεκτρική σταθερά μάλιστα του Teflon™ έχει τέτοιες τιμές που η αποφόρτιση του αντίστοιχου ηλεκτρίτη μπορεί να γίνει μόνο αν περάσουν πολλά χρόνια. Στο παρελθόν οι συνηθέστεροι ηλεκτρίτες είχαν βάση το κερί, τις φυσικές ρητίνες ή άλλα φυσικά πολυμερή.
Τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται οι ηλεκτρίτες είναι ευρέως διαδεδομένα στη φύση. Quartz και άλλες μορφές οξειδίων του πυριτίου είναι κάποια από αυτά. Σήμερα οι περισσότεροι ηλεκτρίτες κατασκευάζονται από συνθετικά πολυμερή με συνηθέστερο από όλα τα φθοροπολυμερή (fluoropolymers) με πιο γνωστό σήμερα το Τeflon™. Η διηλεκτρική σταθερά μάλιστα του Teflon™ έχει τέτοιες τιμές που η αποφόρτιση του αντίστοιχου ηλεκτρίτη μπορεί να γίνει μόνο αν περάσουν πολλά χρόνια. Στο παρελθόν οι συνηθέστεροι ηλεκτρίτες είχαν βάση το κερί, τις φυσικές ρητίνες ή άλλα φυσικά πολυμερή.
Πώς λειτουργεί το σύστημα E-PERM
Το σύστημα E-PERM αποτελείται από τρία μέρη:
- έναν ηλεκτροστατικά φορτισμένο δίσκο από Teflon (electret)
- έναν θάλαμο ιονισμού φτιαγμένο από αγώγιμο πλαστικό στον οποίο τοποθετείται το electret και
- και ένα όργανο μέτρησης του επιφανειακού ηλεκτρικού δυναμικού του electret.
1. ELECTRET
Όπως αναφέρθηκε πριν, το electret που χρησιμοποιείται στο σύστημα μέτρησης E-PERM είναι ένας δίσκος από Teflon ο οποίος έχει αποκτήσει ηλεκτρικό φορτίο μέσω μιας ειδικής διαδικασίας έτσι ώστε να παραμείνει φορτισμένος μόνιμα. Το electret είναι τοποθετημένο μέσα σε μια ηλεκτρικά αγώγιμη πλαστική βάση η οποία μπορεί να βιδωθεί μέσα σε έναν ηλεκτρικά αγώγιμο θάλαμο. Το electret παράγει ένα ηλεκτροστατικό πεδίο μέσα στο θάλαμο με αποτέλεσμα να συλλέγει ιόντα αντίθετου φορτίου που δημιουργούνται από την διάσπαση του Ραδονίου και των θυγατρικών του στο εσωτερικό του θαλάμου. Με την συλλογή των ιόντων η επιφάνεια αποφορτίζεται και η επιφανειακή τάση του electret ελαττώνεται σταδιακά. |
Electret μεγάλης διάρκειας Electret μικρής διάρκειας
|
Υπάρχουν διάφορα είδη electret με ξεχωριστά χαρακτηριστικά. Τα electret μικρής διάρκειας παρέχουν μεγαλύτερη ακρίβεια, ενώ υπάρχουν και άλλα μικρότερης ακρίβειας, αλλά έχουν το πλεονέκτημα της μεγαλύτερης διάρκειας μέτρησης.
2. ΘΑΛΑΜΟΣ ΙΟΝΙΣΜΟΥ
Κατά τη διάσπαση του Ραδονίου παράγονται φορτισμένα σωματίδια α, τα οποία ιονίζουν τον αέρα. Αυτό συμβαίνει στον περιορισμένο χώρο ενός ηλεκτρικά αγώγιμου θαλάμου ιονισμού και τα σωματίδια αυτά συλλέγονται στο φορτισμένο electret. Υπάρχουν διάφορα είδη θαλάμων ιονισμού. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν θάλαμοι μικρής διάρκειας τύπου “S” και μεγάλης διάρκειας τύπου “L” (σχήμα 3). Ο διαχωρισμός σε μικρής και μεγάλης διάρκειας προσδιορίζεται από το χρόνο αποφορτισμού του electret. Ο θάλαμος “S” έχει χωρητικότητα 200 ml και διαθέτει μηχανισμό ON/OFF, ενώ ο “L” έχει χωρητικότητα 50ml. Στο αριστερό σχήμα φαίνεται ο θάλαμος “S” σε θέση OFF, ενώ στο δεξιά σε θέση ΟΝ.
Κατά τη διάσπαση του Ραδονίου παράγονται φορτισμένα σωματίδια α, τα οποία ιονίζουν τον αέρα. Αυτό συμβαίνει στον περιορισμένο χώρο ενός ηλεκτρικά αγώγιμου θαλάμου ιονισμού και τα σωματίδια αυτά συλλέγονται στο φορτισμένο electret. Υπάρχουν διάφορα είδη θαλάμων ιονισμού. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν θάλαμοι μικρής διάρκειας τύπου “S” και μεγάλης διάρκειας τύπου “L” (σχήμα 3). Ο διαχωρισμός σε μικρής και μεγάλης διάρκειας προσδιορίζεται από το χρόνο αποφορτισμού του electret. Ο θάλαμος “S” έχει χωρητικότητα 200 ml και διαθέτει μηχανισμό ON/OFF, ενώ ο “L” έχει χωρητικότητα 50ml. Στο αριστερό σχήμα φαίνεται ο θάλαμος “S” σε θέση OFF, ενώ στο δεξιά σε θέση ΟΝ.
3. ΜΕΤΡΗΤΗΣ
Ο μετρητής χρησιμοποιείται για την μέτρηση του ηλεκτρικού δυναμικού στην επιφάνεια του electret (σχήμα 4). Από τη μεταβολή του δυναμικού κατά την διάρκεια μίας δεδομένης χρονικής περιόδου προκύπτει η συγκέντρωση του Ραδονίου μέσα στον θάλαμο για αυτήν την χρονική περίοδο.
Ο μετρητής χρησιμοποιείται για την μέτρηση του ηλεκτρικού δυναμικού στην επιφάνεια του electret (σχήμα 4). Από τη μεταβολή του δυναμικού κατά την διάρκεια μίας δεδομένης χρονικής περιόδου προκύπτει η συγκέντρωση του Ραδονίου μέσα στον θάλαμο για αυτήν την χρονική περίοδο.
Οι εξισώσεις
Για διαφορετικό είδος θαλάμου, “S” ή “L”, χρησιμοποιούνται διαφορετικές εξισώσεις ώστε να υπολογιστεί η συγκέντρωση του Ραδονίου από τις τιμές που μετρήθηκαν.
Στις ακόλουθες εξισώσεις εμπλέκονται τα ακόλουθα μεγέθη:
Στις ακόλουθες εξισώσεις εμπλέκονται τα ακόλουθα μεγέθη:
- ο συντελεστής CF (CALIBRATION FACTOR) ο οποίος ονομάζεται συντελεστής βαθμονόμησης,
- τα I και F αντιπροσωπεύουν την αρχική και τελική μέτρηση αντίστοιχα σε Volts,
- t είναι o χρόνος έκθεσης μεταξύ των δύο αυτών μετρήσεων σε ώρες,
- το RnC είναι η συγκέντρωση του Ραδονίου που θέλουμε να υπολογίσουμε σε pCi/l και
- ο συντελεστής γ είναι ο μέσος βαθμό έκθεσης λόγω γάμα background που μετρήσαμε στον κάθε χώρο του σχολείου.
ΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΡΑΔΟΝΙΟΥ ΠΟΥ ΜΑΣ ΠΑΡΑΧΩΡΗΣΕ Η ΕΕΑΕ
Πηγή: Εργαστήριο Ραδιενέργειας Περιβάλλοντος ΕΕΑΕ, Κωνσταντίνος Ποτηριάδης
Συμπεράσματα:
Οι μετρήσεις της συγκέντρωσης ραδονίου που έγιναν μέσα στο χώρο του σχολείου έδωσαν εξαιρετικά χαμηλές τιμές, κάτω από 200 Bq/m3, δηλ. πολύ μικρότερες από το όριο που συνιστά η Ευρωπαϊκή Επιτροπή για τα νέα κτήρια και ακόμη πιο αμελητέες σε σχέση με το όριο των 400 Bq/m3 που συνιστάται για κτήρια που κτίστηκαν πριν το 1990.
Επίσης, παρατηρούμε ότι η συγκέντρωση του ραδονίου στο ισόγειο του σχολείου ήταν μεγαλύτερη (αλλά και πάλι σε αμελητέες τιμές) σε σχέση με τη συγκέντρωση του ραδονίου στον 1ο όροφο. Στο ίδιο συμπέρασμα καταλήγουμε από τις μετρήσεις ραδονίου που έγιναν σε δύο σπίτια της ίδιας πολυκατοικίας, το ένα στο ισόγειο και το άλλο στον 1ο όροφο. Οι μετρήσεις αυτές φαίνονται στον ακόλουθο πίνακα.
Οι μετρήσεις της συγκέντρωσης ραδονίου που έγιναν μέσα στο χώρο του σχολείου έδωσαν εξαιρετικά χαμηλές τιμές, κάτω από 200 Bq/m3, δηλ. πολύ μικρότερες από το όριο που συνιστά η Ευρωπαϊκή Επιτροπή για τα νέα κτήρια και ακόμη πιο αμελητέες σε σχέση με το όριο των 400 Bq/m3 που συνιστάται για κτήρια που κτίστηκαν πριν το 1990.
Επίσης, παρατηρούμε ότι η συγκέντρωση του ραδονίου στο ισόγειο του σχολείου ήταν μεγαλύτερη (αλλά και πάλι σε αμελητέες τιμές) σε σχέση με τη συγκέντρωση του ραδονίου στον 1ο όροφο. Στο ίδιο συμπέρασμα καταλήγουμε από τις μετρήσεις ραδονίου που έγιναν σε δύο σπίτια της ίδιας πολυκατοικίας, το ένα στο ισόγειο και το άλλο στον 1ο όροφο. Οι μετρήσεις αυτές φαίνονται στον ακόλουθο πίνακα.
Πηγή: Εργαστήριο Ραδιενέργειας Περιβάλλοντος ΕΕΑΕ, Κωνσταντίνος Ποτηριάδης
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ - ΠΗΓΕΣ
Εργαστήριο Ραδιενέργειας Περιβάλλοντος ΕΕΑΕ, Κωνσταντίνος Ποτηριάδης
Kotrappa, Paul. 2000. Review Of E-Perm* Passive Integrating Electret Ionization Chambers For Measuring Radon In Air, Thoron In Air. Radon In Water And Radon Flux From Surfaces And Mill Tailings. International Radon Symposium. 2000.
Μπακάλης, Αναστάσιος και Παπαδόπουλος, Θεόδωρος. 2005. Συνδυασμος In Situ Γ-Φασματοσκοπικων Μετρησεων Και Θυγατρικων Ραδονιου- Θορονιου Σε Εσωτερικους Χωρους Κατοικιων Της Θεσσαλονικης.[Διπλωματική Εργασία]. Επιβλέπων Καθηγητής: Α. Κλούβας. Θεσσαλονίκη : Αριστοτελειο Πανεπιστημιο Θεσσαλονικης, Πολυτεχνικη Σχολη, Τμημα Ηλεκτρολογων Μηχανικων Και Μηχανικων Υπολογιστων, 2005.
Πασχαλίδης, Ιωάννης. 2008. Βαθμονόμηση Δοχείων Με Προσροφητικά Υλικά Για Τη Μέτρηση Συγκεντρώσεων Ραδονίου Στην Ατμόσφαιρα Σε Διάφορα Επόπεδα Σχετικής Υγρασίας. [Διπλωματική Εργασία]. Επιβλέπων Καθηγητής: Ν.Π. Πετρόπουλος. Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Αθήνα : Τομέας Πυρηνικής Τεχνολογίας, 2008.
Biomation Environmental Watch. [Online] E-Perm, 2006. http://www.biomation.com/radon/pdf's/newsletter_1.pdf.
Kotrappa, Paul. 2000. Review Of E-Perm* Passive Integrating Electret Ionization Chambers For Measuring Radon In Air, Thoron In Air. Radon In Water And Radon Flux From Surfaces And Mill Tailings. International Radon Symposium. 2000.
Μπακάλης, Αναστάσιος και Παπαδόπουλος, Θεόδωρος. 2005. Συνδυασμος In Situ Γ-Φασματοσκοπικων Μετρησεων Και Θυγατρικων Ραδονιου- Θορονιου Σε Εσωτερικους Χωρους Κατοικιων Της Θεσσαλονικης.[Διπλωματική Εργασία]. Επιβλέπων Καθηγητής: Α. Κλούβας. Θεσσαλονίκη : Αριστοτελειο Πανεπιστημιο Θεσσαλονικης, Πολυτεχνικη Σχολη, Τμημα Ηλεκτρολογων Μηχανικων Και Μηχανικων Υπολογιστων, 2005.
Πασχαλίδης, Ιωάννης. 2008. Βαθμονόμηση Δοχείων Με Προσροφητικά Υλικά Για Τη Μέτρηση Συγκεντρώσεων Ραδονίου Στην Ατμόσφαιρα Σε Διάφορα Επόπεδα Σχετικής Υγρασίας. [Διπλωματική Εργασία]. Επιβλέπων Καθηγητής: Ν.Π. Πετρόπουλος. Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Αθήνα : Τομέας Πυρηνικής Τεχνολογίας, 2008.
Biomation Environmental Watch. [Online] E-Perm, 2006. http://www.biomation.com/radon/pdf's/newsletter_1.pdf.