VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение естественного радиационного фона в черте города Кировска дозиметром собственной сборки

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Карпович Л.А. 1

---

1МБОУ "Кировская Гимназия"

Белов С.А. 1

---

1МБОУ "Кировская Гимназия"

Работа в формате PDF

793.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность. XX был ознаменован бурным развитием ядерной энергетики, из-за чего современный мир получил целый ряд проблем, связанных с радиоактивностью. Особенно актуальной данная тема стала после 1986 года, когда произошла катастрофа на Чернобыльской АЭС и радиоактивными осадками были заражены большие территории европейской части нашей страны, в том числе и отдельные территории на западе Ленинградской области. Больше всего попали под влияние выбросов Чернобыльской АЭС территории Кингисеппского, Волосовского и Сланцевского районов области, где наблюдения за радиацией осуществляются по специальным программам контроля.

Проблематика изучения радиационного фона на территории Ленинградской области как никогда актуальна, так как на западе области в городе Сосновый Бор находится одна из самых крупных атомных электростанций нашей страны – Ленинградская АЭС. Это обстоятельство требует постоянного мониторинга территории области и проведения систематических измерений радиационного фона в разных районах области.

Исследования ученых, проведенные в 80-х годах ХХ века, ознаменовались открытием канцерогенного и мутагенного действия малых доз радиации — оказалось, что слабое радиоактивное излучение, воздействующее на организм в течение долгого времени, может быть гораздо опаснее, чем кратковременное облучение значительно более высокой дозой. Причем действие может происходить с отсрочкой не только на годы, но и проявляться на других поколениях. Реагировать на повышенные дозы радиации без специальных измерительных приборов человек не способен.

Также очень важно отметить, то обстоятельство, что данная работа будет способствовать формированию культуры радиационной безопасности человека. В нашем современном мире появилось множество мифов связанных с радиацией и её воздействия на здоровье людей.

Исходя из всего вышеперечисленного, мы предприняли попытку измерения радиационного фона в черте города Кировска дозиметром собственной сборки.

Гипотеза: Если на территории города выявятся значительные колебания измеренных величин радиационного фона, то это обстоятельство может стать основанием для поиска причины этих колебаний.

Цель работы: изучить естественный радиационный фон в черте города Кировска дозиметром собственной сборки

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

Изучить специальную литературу по данной теме

Собрать прибор (дозиметр) способный измерять радиационный фон

Овладеть методикой измерения радиационного фона при помощи дозиметра

Измерить радиационный фон в разных точках города Кировска и провести анализ полученных результатов

Объект исследования: территория города Кировска

Предмет исследования: естественный радиационный фон в городе Кировске

В работе были использованы эмпирические методы исследования, главным образом эксперимент, наблюдение, изучение документации и прочих информационных материалов.

Практическая значимость состоит в том, что материалы и результаты работы могут быть использованы на внеклассных занятиях по экологии и по физике, а также для широкого информирования местного населения.

Выражаем благодарность филиалу ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Ленинградской области» в Кировском районе за помощь в организации работы.

Работа выполнена на 24 страницах, содержит 4 рисунка и 4 таблицы.

Глава 1 Теоретическая часть

1.1 Общее понятие о радиации

Радиоактивность – это самопроизвольное превращение (распад) ядра атома химического элемента, приводящее к изменению его атомного номера или изменению массового числа, при котором происходит испускание радиоактивных изучений.

Различаются естественная и искусственная радиоактивности. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. К естественным источникам радиации относятся:

• космическая радиация (лучи, падающие на Землю из космоса);

• земная радиация (радиоактивные элементы, содержащиеся в земных породах, стройматериалах, пище).

Радионуклиды естественного происхождения присутствуют в литосфере, гидросфере и атмосфере. Все естественные источники могут вызывать у человека внешнее и внутреннее облучение. Источники радиации, рассеянные в земной коре, всегда существовали на Земле и играли важную роль в эволюции флоры и фауны.

Внешним источником являются космические лучи и естественная радиация, находящаяся в почве и строительных материалах. Внутреннее облучение человек получает из воздуха, воды и продуктов питания.

Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Существует несколько видов радиоактивного излучения, отличающихся по энергии и проникающей способности, которые оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма:

Альфа-излучение - это поток положительно заряженных частиц, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Проникающая способность этого вида излучения невелика. Оно задерживается несколькими сантиметрами воздуха, несколькими листами бумаги, обычной одеждой. Альфа-излучение может быть опасно для глаз. Оно практически не способно проникнуть через наружный слой кожи и не представляет опасности до тех пор, пока радионуклиды, испускающие альфа-частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или вдыхаемым воздухом — тогда они могут стать чрезвычайно опасными. В результате облучения относительно тяжелыми положительно заряженными альфа-частицами через определенное время могут возникнуть серьезные повреждения клеток и тканей живых организмов.

Бета-излучение - это поток движущихся с огромной скоростью отрицательно заряженных электронов, размеры и масса которых значительно меньше, чем альфа-частиц. Это излучение обладает большей проникающей способностью по сравнению с альфа-излучением. От него можно защититься тонким листом металла типа алюминия или слоем дерева толщиной 1.25 см. Если на человеке нет плотной одежды, бета-частицы могут проникнуть через кожу на глубину несколько миллиметров. Если тело не прикрыто одеждой, бета-излучение может повредить кожу, оно проходит в ткани организма на глубину 1‑2 сантиметра.

Гамма-излучение - представляет собой электромагнитное излучение сверхвысоких энергий. Это излучение очень малых длин волн и очень высоких частот. С рентгеновскими лучами знаком каждый, кто проходил медицинское обследование. Гамма-излучение обладает высокой проникающей способностью, защититься от него можно лишь толстым слоем свинца или бетона. Рентгеновские и гамма-лучи не несут электрического заряда. Они могут повредить любые органы.

Нейтронное излучение - еще один вид корпускулярного типа излучений. Нейтронное излучение представляет собой поток нейтронов (элементарных частиц, не имеющих электрического заряда). Нейтроны не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходит за счет упругого и неупругого рассеяния на ядрах вещества. Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, в ядерных реакторах, промышленных и лабораторных установках, при ядерных взрывах и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водородсодержащие материалы.

Рентгеновское излучение - образуется при работе рентгеновских трубок, а также сложных электронных установок (бетатронов и т. п.). По характеру рентгеновские лучи во многом сходны с гамма-лучами и отличаются от них происхождением и иногда длиной волны: рентгеновские лучи, как правило, имеют большую длину волны и более низкие частоты, чем гамма-лучи. Ионизация вследствие воздействия рентгеновских лучей происходит в большей степени за счет выбиваемых ими электронов и лишь незначительно за счет непосредственной траты собственной энергии. Эти лучи (особенно жесткие) также обладают значительной проникающей способностью.

Все виды ионизирующих излучений отличаются друг от друга различными зарядами, массой и энергией. Различия имеются и внутри каждого вида ионизирующих излучений, обусловливая большую или меньшую проникающую и ионизирующую способность, и другие их особенности.

Количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой (рис. 2.4) и измеряется в системе СИ в грэях (Гр). Но эта величина не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение гораздо опаснее бета- или гамма-излучений. Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма: альфа-излучение считается при этом в двадцать раз опаснее других видов излучений. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой; ее измеряют в системе СИ в единицах, называемых зивертами (Зв)

1.2 Влияние естественного радиационного фона на здоровье человека

Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли разные виды излучения падают на поверхность Земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре.

Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи; в этом случае говорят о внешнем облучении. Или же они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или в воде и попасть внутрь организма. Такой способ облучения называют внутренним. Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли, однако одни из них получают большие дозы, чем другие. Это зависит, в частности, от того, где они живут. Уровень радиации в некоторых местах земного шара, там, где залегают особенно радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего, а в других местах - соответственно ниже.

Доза облучения зависит также от образа жизни людей. Применение некоторых строительных материалов, использование газа для приготовления пищи, герметизация помещений и даже полеты на самолетах - все это увеличивает уровень облучения за счет естественных источников радиации. Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 5 /6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения.

Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает чуть меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации. Космические лучи могут достигать поверхности Земли или взаимодействовать с ее атмосферой, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов. Северный и Южный полюсы получают больше радиации, чем экваториальные области, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы (из которых в основном и состоят космические лучи).

В местах проживания основной массы населения показатели примерно одного порядка. Так, согласно исследованиям, проведенным во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США, примерно 95% населения этих стран живет в местах, где мощность дозы облучения в среднем составляет от 0,3 до 0,6 миллизиверта (тысячных зиверта) в год. Но некоторые группы населения получают гораздо большие дозы облучения: около 3% получает в среднем 1 миллизиверт в год, а около 1,5% -более 1,4 миллизиверта в год. Есть, однако, такие места, где уровни земной радиации намного выше В среднем примерно 2 /3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с пищей, водой и воздухом. В среднем человек получает около 180 микрозивертов в год за счет калия-40, который усваивается организмом вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма.

Для ионизирующего излучения нет барьеров в организме, поэтому любая молекула может подвергнуться радиоактивному воздействию, последствия которого могут быть самыми разнообразными. Возбуждение отдельных атомов может привести к перерождению одних веществ в другие, вызвать биохимические сдвиги, генетические нарушения и т.п. Пораженными могут оказаться белки или жиры, жизненно необходимые для нормальной клеточной деятельности. Таким образом, радиация воздействует на организм на микроуровне, вызывая повреждения, которые заметны не сразу, а проявляют себя через долгие годы. Поражение отдельных групп белков, находящихся в клетке, может вызвать рак, а также генетические мутации, передающиеся через несколько поколений. Воздействие малых доз облучения обнаружить очень сложно, ведь эффект от этого проявляется через десятки лет.

Даже самые малые дозы облучения вызывают необратимые генетические изменения, которые передаются из поколения в поколение, приводят к развитию синдрома Дауна, эпилепсии, появлению других дефектов умственного и физического развития. Особо страшно то, что радиационному заражению подвергаются и продукты питания, и предметы быта. В последнее время участились случаи изъятия контрафактной и низкокачественной продукции, являющейся мощным источником ионизирующего излучения.

Глава 2 Практическая часть

2.1 Сборка аппарата

2.1.1 Методы и материалы

Материалы:

В схеме используется 3 резистора, 2 конденсатора, диод, транзистор PNP типа и броневой повышающий трансформатор. Повышающий трансформатор нужен для датчика СБМ-20, так как он работает от 400 В.

Трансформатор состоит из трех обмоток: первая обмотка содержит 4 витка провода ПЭЛ-0,1 мм, вторая 4 витка провода ПЭЛ-0,5 мм, третья – 900 витков провода ПЭЛШО-0,1 мм.

Общая сумма деталей составила 1976 рублей, что гораздо дешевле, чем заводские дозиметры, цена которых колеблется в районе 3000-6000 рублей.

Методика пайки радиодеталей на плату:

Пинцетом отгибают выводы под требуемым углом, затем их вставляют в отверстия платы.

Фиксируют деталь пинцетом.

Набирают припой на жало, погружают его в канифоль, приставляют к точке соединения вывода с платой. После нагрева поверхностей припой перетекает на дорожки платы, вывод элемента, равномерно распределяясь по ним под действием сил поверхностного натяжения.

Деталь удерживают в нужном положении пинцетом до застывания припоя.

После завершения пайки следует обязательно промыть плату спиртом или ацетоном.

Дополнительно контролируют отсутствие короткого замыкания компонентов платы, вызываемых каплями припоя.

Метод сборки:

Перед тем как начать паять, следует очистить жало от оксидной пленки. Эту процедуру можно выполнить мелкозернистой наждачной бумагой или бархатным напильником, а также химическим способом: погружением в канифоль. Очищенное жало обслуживают припоем.

Необходимо на печатную плату с помощью паяльника припаять все детали, показанные на схеме. Счетчик Гейгера устанавливается в последнюю очередь. Далее собранная модель помещается в пластиковый корпус.

2.1.2 Результаты сборки

В
се монтировалось согласно схеме, на макетной плате с перемычками.

Прибор во время работы дублирует импульсы с датчика СБМ-20 и выводит через пьезоэлектрический динамик, а также через разъем Jack на телефон. Программа в телефоне преобразует импульсы в привычные единицы.

Прибор может работать и в фоновом режиме, то есть без подключения к телефону. При включении будут слышны только звуки пьезоэлектрического динамика. По частоте и количеству сигналов можно определить состояние радиационного фона.

Наш аппарат работал, при подключении к телефону, но погрешность измерений была очень велика. Поэтому дальнейшие измерения мы проводили в фоновом режиме, считая количество щелчков за 40 секунд.

2.2 Проведение радиационных замеров на территории города Кировска

2.2.1 Район исследования и сроки проведения исследования

Исследования по замерам радиационного фона проводились осенью 2019 года в черте города Кировска. Все замеры были проведены в течение одного дня, с чёткой фиксацией времени и точки где проводился замер радиационного фона.

Кировск является районным центром. Он основан в 1931 году с началом строительства между деревнями Московская Дубровка и Марьино Дубровской электростанции.

В настоящее время Дубровская ТЭЦ-8 остается одним из главных градообразующих предприятий города, производит электроэнергию, тепло и горячую воду для населения. Вторым градообразующим предприятием стал и остается ОАО «завод Ладога», предприятие приборостроения военно-промышленного комплекса, строительство завода велось в 70-е годы прошлого столетия. Многочисленные предприятия в составе промзоны «Дубровка» находятся в стадии строительства и освоения. В основном это предприятия производящие строительные материалы, выбрасывающие в атмосферу цементную и древесную пыль, фенолы и формальдегид.

Проблемой города, да и района в целом, является отсутствие полигона для обезвреживания бытовых отходов, низкое качество жилищно-коммунального обслуживания населения, что во многом связано с плохой материально-технической базой предприятий ЖКХ.

Застройка города 5-9 этажная, от прежнего п. Невдубстрой сохранилось всего шесть 4-х этажных домов и здание школы, а также несколько 2-х этажных домов в старой части города, вдоль р. Невы. в микрорайоне д. Марьино и Набережных поселков имеется частный сектор. В Кировске проживает 27500 человек. Из которых больше половины населения старше 50 лет .

Границы города проходят: с севера – по трассе Кола, с юга – вдоль золоотвалов Дубровской ТЭЦ и по Невскому Пятачку к р. Неве, с запада – вдоль границ садоводств, с востока – по берегу р. Невы.

Для проведения своего исследования мы выбрали 12 точек в разных районах города. Все исследуемые точки обозначены нами на рисунке № 1 и отображены в таблице № 1. Как видно из географии района исследования охвачен весь город от завода «Океанприбор» (точка № 10), до района мусорного полигона (точка № 1) в районе 5-ого километра мгинской автомобильной трассы. Несколько точек было взято в центре города, рядом с оживлёнными транспортными магистралями.

Рис. 1 Точки измерения радиационного фона

Далее мы приводим сводную таблицу с точками, в которых производились измерения радиации.

Таблица № 1. Точки измерения радиационного фона

2.2.2 Методика измерения радиационного фона

Для обнаружения и измерения ионизирующих излучений использовалось два дозиметрических прибора. Первый прибор собранный нами непосредственно и второй сертифицированный индикатор радиоактивности "Мастер-1" (фото в приложении 1) производства московского НПО"Физика", предназначенный для контроля радиационной обстановки на местности, в рабочих и жилых помещениях. Прибор измеряет мощность полевой эквивалентной (экспозиционной) дозы бета-гамма-излучения в диапазоне от 1 до 999 мкР/ч; имеет портативное исполнение и предназначен для переноски и хранения в кармане одежды потребителя. Перед проведением замеров очень строго была изучена техническая документация к прибору заводской сборки.

Два прибора использовались для того, чтобы исключить возможность неисправности и некорректности замеров собранного нами прибора. Сначала измерение проводилось прибором собственной сборки, после чего эти измерения подтверждались прибором заводской сборки.

Для повышения достоверности результатов дозиметрического контроля измерения в каждой точке проводились по 3 раза, каждым из приборов, после чего нами вычислялось среднее арифметическое значение измерений.

Все проводимые измерения проводились на открытом воздухе, на высоте примерно 1.0 метра от поверхности земли. Через 40 секунд после включения прибора выводился результат нашего измерения.

Используемые нами дозиметры "озвучивают" ионизирующую радиацию, трансформируя каждое элементарное возбуждение счетчика Гейгера в акустический импульс. Редкое фоновое пощелкивание (реакция счетчика на естественный радиационный фон в имп/мин - его паспортная характеристика) учащается, переходя в сплошной треск при приближении к источнику радиации. Несмотря на простоту, такие приборы обладают высокой радиационной чувствительностью, мгновенной реакцией на изменение радиационной обстановки, высокой достоверностью своих показаний.

После завершения измерения в точке, результаты записывались в сводную ведомость. Результаты измерений приведены в таблице № 2.

2.2.3 Результаты исследования и их анализ

Далее мы приводим таблицу с результатами измерений радиационного фона в разных точках города.

Исходя из результатов наших измерений, мы можем констатировать, то обстоятельство, что радиационный фон в пределах наших измерений колеблется в среднем от 0,13 мкЗв/ч до 0,2 мкЗв/ч. Минимальные значения мы получили в точках № 1,5,7,10 и 11. В то время как максимальные значения были получены в точках № 3, 9 и 12. В целом, среднее значение измеренного нами радиационного фона составляет 0,15 мкЗв/ч, что не превышает допустимых значений естественного радиационного фона в нашей местности. Колебания радиационного фона в пределах нашего города составили всего 0,07 мкЗв/ч. Данные значения измерений радиационного фона не опасны для населения, проживающего на территории нашего города, но, несмотря на это, подобный мониторинг нужно проводить регулярно и отслеживать даже незначительные его колебания. На улицах нашего города и его пригородов радиационный фон находится в пределах от10 до 20 микрорентген в час (мкР/ч). В парках и скверах он меньше. В квартирах жилого дома радиационный фон, как правило, находится в пределах от 15 до 26 мкР/ч. Кроме того, исходя из данных таблицы, мы видим, что разница в измерениях дозиметром собственной сборки и заводской сборки незначительна, следовательно, прибор показывает корректные значения радиационного фона.

Выводы

В ходе нашего исследования гипотеза не подтвердилась, показания измеренных величин радиационного фона везде находятся в пределах нормы.

Была достигнута главная цель нашего проекта - изучен естественный радиационный фон в черте Кировска дозиметром собственной сборки, а полученные показания были подтверждены прибором заводской сборки «Мастер-1»

Исходя из результатов и поставленных целей, мы делаем следующие выводы:

Нами в полной мере изучена методическая база по данной проблематике.

Собран прибор (дозиметр) способный измерять радиационный фон. Прибор может работать не только от телефона, но и в фоновом режиме. Погрешность измерений, по сравнению с заводским дозиметром, не велика, поэтому можно использовать аппарат для определения естественного радиационного фона.

В ходе проведения исследования мы в полной мере овладели методикой измерения радиационного фона при помощи дозиметра.

Установлен уровень значений естественного радиационного фона нашего города. Из результатов наших измерений, мы можем констатировать, то обстоятельство, что радиационный фон в пределах наших измерений колеблется в среднем от 0,13 мкЗв/ч до 0,2 мкЗв/ч. Минимальные значения мы получили в точках № 1,5,7,10 и 11. В то время как максимальные значения были получены в точках № 3, 9 и 12. В целом, среднее значение измеренного нами радиационного фона составляет 0,15 мкЗв/ч, что не превышает допустимых значений естественного радиационного фона в нашей местности.

Список литературы

Василенко О.И., Ишханов Б.С., Капитонов И.М., Шумаков А.В. Радиация. М: изд-во Московского университета, 1996

Гусев Н.Г., Климанов В.А., Машкович В.П., Защита от ионизирующих излучений в 2 т., под ред. Н.Г. Гусева. – 3-е издание., М: Энергоатомиздат, 1989

Ильин Л.А. Техногенное облучение и безопасность человека, под общ. ред. Л.А. Ильина. - М.: ИздАТ, 2006. - 303 с.

Ким Д., Геращенко Л.А. Радиационная экология: учеб. Пособие. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2010

Петрушанский М.Г. Основы физики ионизирующих излучений: учебное пособие.- Оренбург: ГОУ ОГУ, 2008

Радиация. Дозы, эффекты, риск: Пер. с англ. – М: Мир, Р15 1988.

Все о радиации и ионизирующем излучении. [Электронный ресурс]: https://www.avdspb.ru/radiaciya-opredelenie.html

Ионизирующее излучение. [Электронный ресурс]: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%8E%D1%89%D0%B5%D0%B5_%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5

Природный радиационный фон. [Электронный ресурс]: https://studfile.net/preview/6853876/

Радиационная и экологическая безопасность. [Электронный ресурс]: https://fictionbook.ru/author/yan_marhockiyi/radiacionnaya_i_yekologicheskaya_bezopas/read_online.html?page=2

Виды ионизирующих излучений и их свойства. [Электронный ресурс]:https://studopedia.ru/15_55809_vidi-ioniziruyushchih-izlucheniy-i-ih-svoystva.html

Приложение

«Нормы радиационной безопасности»

Дозиметр «Мастер-1»

Самодельный дозиметр

Повышающий трансформатор ручной сборки