Straling tijdens vliegen
Jaap stelde deze vraag op 17 juli 2023 om 10:38.Dag vraagbaak,
De opgave 'Straling tijdens vliegen' van het centraal examen havo 2022, tijdvak 2, gaat over snelle neutronen en gammastraling die hoog in de atmosfeer vrijkomen door kosmische straling.
https://nvon.nl/examen/examen-2022-2-havo-natuurkunde
In de opgave zijn wat zaken vereenvoudigd voorgesteld, gelet op op het niveau van dit examen. Wat betreft de snelle neutronen roept de opgave enkele vragen bij me op.
Onder vraag 1 staat: 'Net als gammastraling hebben de snelle neutronen ioniserende
eigenschappen.' In het boek Praktische stralingshygiëne van Van den Eijnde et al. heten neutronen 'indirect ioniserend' omdat ze veeleer de atoomkern dan de elektronen beïnvloeden. Ik vermoed dat snelle neutronen op twee manieren ioniserende straling kunnen veroorzaken. Door een inelastische botsing van een neutron met een kern, die hierna een gammafoton uitzendt. En doordat een kern een neutron absorbeert en vervolgens bij voorbeeld een α uitzendt.
Vraag a: veroorzaken neutronen inderdaad op deze manieren ioniserende straling?
Voor de absorptie van geladen deeltjes geldt het begrip dracht: de materiaaldikte die alle opvallende straling tegenhoudt. Voor de transmissie van fotonen geldt een dalend exponentieel verloop en een halveringsdikte die afhangt van de fotonenergie en de materiaalsoort.
Vraag b: is het volgende juist?
• Voor neutronen geldt een dalend exponentieel verloop, net als voor fotonen.
• Voor neutronen geldt een halveringsdikte die afhangt van de neutronenergie en de materiaalsoort (onder andere atoomnummer Z en dichtheid).
• Voor neutronen geldt niet het begrip dracht.
In de opgave detecteren studenten vrije neutronen met de bubbeldetector van figuur 1 en 2. In de buis kan een neutron een bel doen ontstaan. Volgens bronnen op het internet bevat de buis een 'gel', waarin zich kleine druppels van een andere vloeistof bevinden. Men zet de detector 'aan' door de druk in de buis te verlagen. De vloeistofdruppels geraken dan in een metastabiele 'superheated' toestand, die kan worden verstoord door een neutron.
Vraag c: ontstaat een bel doordat een neutron een ionisatie teweegbrengt of door een mechanische verstoring?
Bij vraag 4 berekent de leerling de 'extra opgelopen equivalente dosis door neutronen' tijdens een vlucht. De leerling gebruikt de (vereenvoudigde?) figuur 3, waarin 6 extra bubbels te zien zijn, vergeleken met de 'achtergrond' die is bepaald met een detector op de grond.
Zes extra bubbels lijken me te weinig basis voor een uitspraak over de opgelopen dosis. Als hier een meetonzekerheid √N geldt, is √N nogal groot vergeleken met N.
Vraag d: kan bij zo'n onderzoek op grond van zes extra bubbels een betrouwbare uitspraak worden gedaan over de opgelopen dosis?
Volgens het boek Praktische stralingshygiëne vallen leden van het vliegtuigpersoneel wel onder de regelgeving voor dosislimitering, maar zijn zij vrijgesteld van de verplichting om een persoonsdosimeter te dragen omdat de ontvangen dosis kan worden berekend, rekening houdend met het vluchtplan (§7.4.3).
Vraag e: wordt dan een equivalente dosis berekend, zoals in vraag 4? Of een omgevingsdosisequivalent H* of een persoonsdosisequivalent Hp of een effectieve dosis E? En betreft de voor het vliegtuigpersoneel geldende limiet de effectieve dosis E?
Groet, Jaap
Reacties
Vraag a: veroorzaken neutronen inderdaad op deze manieren ioniserende straling?
Bij snelle neutronen (En > 0,5 MeV) zijn elastische en inelastische verstrooiing aan atoomkernen overheersend en kan absorptie worden verwaarloosd. Bij inelastische verstrooiing blijft een atoomkern in aangeslagen toestand achter en zal deze via gamma-emissie naar de grondtoestand terugkeren. Echter, ook gammastraling noemen we indirect ioniserende straling aangezien gamma’s via een tussenstap (foto-effect, Compton-effect en paarvorming (indien gamma-energie > 1,022 MeV)) geladen deeltjes vrijmaken die vervolgens hun energie direct aan de materie afgeven.
Bij lagere neutronenergieën kan absorptie niet meer verwaarloosd worden en kunnen allerlei exotische reacties optreden: (n,2n), (n,p), (n,d), (n,t), (n,α), etc.
Vraag b: is het volgende juist?
• Voor neutronen geldt een dalend exponentieel verloop, net als voor fotonen.
• Voor neutronen geldt een halveringsdikte die afhangt van de neutronenergie en de materiaalsoort (onder andere atoomnummer Z en dichtheid).
• Voor neutronen geldt niet het begrip dracht.
Dit geldt voor mono-energetische neutronen en een smalle bundelgeometrie.
Vraag c: ontstaat een bel doordat een neutron een ionisatie teweegbrengt of door een mechanische verstoring?
De detector is gevuld met een helder polymeer met daarin microscopisch kleine druppels oververhitte vloeistof homogeen verspreid. Wanneer neutronen de betreffende druppels raken, verdampen deze onmiddellijk als gevolg van de ontstane terugstootkernen en vormen zich zichtbare gasbelletjes in de polymeergel.
Zes extra bubbels lijken me te weinig basis voor een uitspraak over de opgelopen dosis. Als hier een meetonzekerheid √N geldt, is √N nogal groot vergeleken met N.
Vraag d: kan bij zo'n onderzoek op grond van zes extra bubbels een betrouwbare uitspraak worden gedaan over de opgelopen dosis?
Dat kan inderdaad niet; de onzekerheid bedraagt dan ca. 80% (95% betrouwbaarheidsinterval)
Vraag e: wordt dan een equivalente dosis berekend, zoals in vraag 4? Of een omgevingsdosisequivalent H* of een persoonsdosisequivalent Hp of een effectieve dosis E? En betreft de voor het vliegtuigpersoneel geldende limiet de effectieve dosis E?
Bij vraag 4 wordt feitelijk een effectieve dosis berekend i.p.v. een equivalente dosis. De equivalente dosis wordt niet gebruikt voor het totale lichaam; deze wordt alleen gebruikt voor organen en weefsels.
Als gebruik wordt gemaakt van metingen betreft het het omgevingsdosisequivalent H*(10) wat gebruikt wordt als schatter voor de effectieve dosis. Bij de Monte-Carlo berekeningen van de dosis kan het zowel de effectieve dosis als het omgevingsdosisequivalent H*(10) zijn.
Als het over totale lichaamsblootstelling gaat dan betreft het altijd een limiet voor de effectieve dosis.
Met vriendelijke groet,
Leon
Dank voor de reactie, die leerzaam is voor mij.
Graag zou ik meer leren over stralingshygiëne via literatuur met wat meer diepgang dan 'Praktische stralingshygiëne' van Van den Eijnde et al. (niet: regelgeving, organisatie, financiële aspecten en niet beperkt tot de invalshoek van een leerboek over atoomfysica).
a. Is 'Inleiding tot de stralingshygiëne' van Bos, Draaisma en Okx hiervoor geschikt?
b. Welk kennisniveau is vereist voor bij voorbeeld een toezichthoudend medewerker stralingshygiëne op een ziekenhuisafdeling nucleaire geneeskunde / radiologie? Is dat het niveau van 'Praktische stralingshygiëne' of 'Inleiding tot de stralingshygiëne', wat betreft de daarin behandelde onderwerpen?
Groet, Jaap
a. Voor wat meer diepgang in de stralingshygiëne is 'Inleiding tot de stralingshygiëne' een uitstekend boek. Dit boek wordt ook gebruikt bij de opleiding tot stralingsbeschermingsdeskundige op het niveau van coördinerend deskundige (voorheen niveau 3 stralingsdeskundigheid). Uiteraard zit er ook een hoofdstuk over wetgeving in, dat inmiddels wat gedateerd is aangezien de wetgeving aangepast is vanaf februari 2018; er wordt bijvoorbeeld nog verwezen naar het 'Besluit stralingsbescheming (Bs)' dat vervangen is door het 'Besluit basisveiligheidsnormen stralingsbescherming (Bbs)'.
b. Het boekje 'Praktische stralingshygiëne' wordt gebruikt bij de opleiding tot toezichthoudend medewerker stralingsbescheming (TMS); tenminste wij maken daar gebruik van in onze opleidingen tot TMS'er. En, zoals hierboven aangegeven het boek 'Inleiding tot de stralingshygiëne' wordt gebruikt bij de opleiding tot stralingsbeschermingsdeskundige.
Afhankelijk van de risico's en omvang (aantal en hoeveelheid open stoffen, aantal toestellen en modaliteiten, het aantal handelingen etc.) van de nucleaire geneeskundige / radiologie afdeling kan de benodigde TMS'er een TMS'er zijn op het niveau van TMS of een stralingsbeschermingsdeskundige.
Met vriendelijke groet,
Leon
