07-przyklady

PRZYKŁADY
Zastosowanie metod analizy obrazu do
pomiaru aktywności promieniowania
naturalnego
1
Promieniowanie naturalnych źródeł
radioaktywnych
Promieniowanie jonizujące jest to rodzaj promieniowania
przenikliwego wywołujący jonizację ośrodka, przez który
przechodzi i w którym jest pochłaniane.
Jonizacja, to zjawisko polegające na odrywaniu elektronów
od obojętnych elektrycznie atomów, na skutek czego powstają
pary jonów: jony dodatnie i ujemnie naładowane elektrony.
2
Różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego.
104
105
106
103
108
10
1010
10-1
1012
10-3
1014
10-5
1016
1018
10-7
10-9
1020
10-11
1022 f[Hz]
10-13
λ[m]
UV
IR
MIKROFALE
VIS
RADIOWE
GAMMA
RENTGENOWSKIE
Spośród powyższych rodzajów promieniowania elektromagnetycznego
tylko promieniowanie X, γ i kosmiczne jest promieniowaniem
3
jonizującym.
Podział źródeł promieniowania:
naturalne – występujące w przyrodzie:
• substancje promieniotwórcze zawarte w skorupie ziemskiej, a
więc i w materiałach z których zbudowane są domy (uran, rad,
tor), a w mieszkaniach radon – gaz będący produktem rozpadu
radu, przenikający z ziemi i ścian do wnętrza domów;
• promieniowanie kosmiczne;
• substancje promieniotwórcze znajdujące się w naszym
organizmie organizmach innych organizmach żywych, głównie
potas-40 i inne naturalne pierwiastki promieniotwórcze;
4
sztuczne – wytworzone przez człowieka:
• źródła używane w badaniach radiologicznych, np. zdjęcia
rentgenowskie klatki piersiowej;
• opad promieniotwórczy – substancje promieniotwórcze
powstałe w wyniku próbnych wybuchów jądrowych oraz
podczas normalnej pracy i awarii elektrowni jądrowych krążą
razem z wiatrem, a po pewnym czasie opadają na ziemię;
• odpady promieniotwórcze;
• niektóre przedmioty codziennego użytku, np. zegarki świecące
i odbiorniki telewizyjne, w których powstaje niewielka ilość
promieniowania X;
• zastosowania w przemyśle i gospodarce.
5
Dawki promieniowania otrzymywane przez
mieszkańców Polski:
Wewnętrzne (8,6%)
Promieniowanie
kosmiczne (8,7%)
Radon (40%)
Toron (2%)
Promieniowanie gamma
(13,8%)
Diagnostyka medyczna
(25,8%)
Awarie (0,4%)
Inne (0,7%)
6
Źródła radonu:
Radon jest gazem naturalnym, a jego bezpośrednim źródłem jest
rad zawarty w skorupie ziemskiej, powstający w szeregu przemian
promieniotwórczych z uranu lub toru. Stężenie uranu i toru w
gruncie zmienia się w zależności od rodzaju skał i minerałów.
Rodzaj skały
wapienie
inne skały osadowe
Zawartość uranu (ppm)
1,3
1,2
granity
fosforyty (Płn.Afryka)
fosforyty (Floryda)
4
20-30
120
meteoryty
0,003
1 ppm = 1 część na milion = 0,0001%
7
Rola czynników geologicznych w kształtowaniu
się potencjału radonowego
niskie
stężenie radonu
wysokie
stężenie radonu
średnie
stężenie radonu
osad
polodowcowy
warstwa
gleby
granit
wapień
uskok
jaskinia
8
Do obszarów o zwiększonej ilości uranu lub toru w glebie należą:
Wybrzeże Malabarskie w Indiach, okolice miasta Guaraari w
Brazylii, niektóre tereny w Tybecie, Nigerii, Iranie, na
Madagaskarze.
Na wybrzeżu Malabarskim przeciętna dawka pochłaniana przez
mieszkańca tych ziem jest 5 do 10 razy większa od przeciętnej dla
pozostałych mieszkańców świata.
Na niektórych ulicach Guarapari, gdzie piasek zawiera znaczne
ilości związków toru, dawki absorbowane przez mieszkańców są
nawet 2 razy większe od przeciętnej.
W Polsce zwiększone tło naturalne występuje w Sudetach i na
Przedgórzu Sudeckim. Promieniowanie skorupy ziemskiej jest
tam średnio około 1,5 razy wyższe niż w centrum kraju.
9
Duże znaczenie dla stężenia radonu w powietrzu atmosferycznym
ma struktura skał i gleby. Jeżeli skała jest spękana, radon może
bez trudu wydostać się z niej do atmosfery, natomiast lita skała
bez spękań więzi dużą część radioaktywnego gazu, znacznie
utrudniając migrację.
Drugą przeszkodą mogącą utrudnić wydostanie się radonu na
powierzchnię jest gleba. Wielką rolę gra przepuszczalność ziemi.
Czysta glina ma przepuszczalność około milion razy mniejszą niż
piach, co powoduje, że zatrzymuje w sobie znaczną część radonu.
Tak więc gleba jest jedną z lepszych barier powstrzymujących
migrację gazu na powierzchnię.
10
Źródła radonu w atmosferze:
gleba
81%
rośliny i wody gruntowe
18%
oceany
0,8%
budynki
ok. 0,04%
gaz ziemny
2E-4%
węgiel kamienny
2E-5%
11
W zamkniętych przestrzeniach koncentracja radonu może
być o rzędy wielkości wyższa niż na zewnątrz. Dotyczy to
kopalni, jaskiń i budynków.
Właśnie obecność radonu w budynkach mieszkalnych
budzi największe emocje, ponieważ problem ten potencjalnie
dotyczy dużej części społeczeństwa.
W budynkach największe stężenie występuje w piwnicach i
na parterze, ponieważ radon pochodzi głównie z podłoża.
Mniejsze znaczenie mają materiały budowlane, chyba że
zawierają naprawdę dużo radu i mają dostateczną
przepuszczalność i porowatość, żeby pozwolić radonowi się
wydostać.
12
Stężenie Ra226 w glebie na terenie Polski
<20 Bq/kg
20-40 Bq/kg
40-60 Bq/kg
> 60 Bq/kg
[max 124 Bq/kg]
Źródło: Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej
13
Stężenie Rn222 w powietrzu na terenie Polski:
Źródło: Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej
14
Źródła radonu w powietrzu wewnątrz
statystycznie reprezentacyjnego budynku:
(przy założeniu wymiany powietrza co godzinę)
Źródło radonu
podłoże gruntowe
materiały budowlane
% udziału
77,9
12,0
powietrze atmosferyczne
woda
gaz ziemny
9,3
0,2
0,6
15
Należy zauważyć, że mieszkania o wysokim stężeniu radonu
stanowią niewielki procent wszystkich mieszkań.
Jednak radon czasami sprawia niespodzianki. Znane są
przypadki domów zbudowanych na niewidocznym uskoku
tektonicznym, w których stężenie radonu było znacznie
większe niż w sąsiednich budynkach.
Ilość radonu pochodzącego z gleby zależy od parametrów
samego podłoża, jak i konstrukcji budynku.
Na przykład betonowa podłoga może zmniejszyć wydzielanie
gazu do wnętrza budynku 10-krotnie. Jednak mimo to radon z
gleby może stanowić poważny procent jego stężenia zwłaszcza w piwnicach.
16
Drogi przenikania radonu do wnętrza domu:
1) przez pęknięcia w ścianach,
2) przez pęknięcia w podłodze,
3) przez złącza w konstrukcji.
W jaki sposób rado dostaje się do wnętrza budynku mimo, że jest on
znacznie cięższy od powietrza i powinien pozostać w przyziemnej
warstwie.
Podstawowym powodem infiltracji tego gazu do domów jest
nieznaczna różnica ciśnień pomiędzy wnętrzem i zewnętrzem:
poprzez działanie w domu urządzeń "wypompowujących" powietrze
na zewnątrz, np. kanalizacji czy zsypów na śmieci lub poprzez
nagrzanie domu (unoszenie się ciepłego powietrza działa jak pompa
ssąca, wyciągając radon z niższych pomieszczeń i z gleby).
17
Średnie stężenia radonu Ra222 [Bq/m3]
w pomieszczeniach mieszkalnych (w piwnicach):
olsztyńskie
33,4
(63,0)
suwalskie
73,8
(194,2)
łonżyńskie
26,4
ostrołęckie (43,6) białostockie
ciechanowskie
32,8
43,0
26,5
(49,4)
(81,2)
(55,3)
siedleckie
25,5
(49,8)
Źródło: Zakładzie Biofizyki Akademii Medycznej w Białymstoku
18
Metody pomiaru:
Dwie najszerzej stosowane metody pomiaru średniego stężenia
radonu to: detektor cząstek alfa oraz absorbcja na węglu
aktywnym i następnie zliczenie kwantów gamma z produktów
rozpadu radonu.
Detektor cząstek alfa to płytka wykonana ze specjalnej masy
plastycznej, którą pozostawia się w badanym punkcie na rok.
(Krótszy okres nie jest reprezentatywny, gdyż stężenie radonu
zmienia się sezonowo). Rozpady alfa radonu i jego produktów są
bardzo energicznym procesem, zostawiającym ślad, widoczny pod
mikroskopem po wytrawieniu płytki w kwasie. Ślady te są liczone
w laboratorium i na tej podstawie ustala się liczbę rozpadów alfa,
które zachodzą w domu.
19
W drugiej metodzie posługujemy się otwartą puszką z węglem
aktywnym, którą umieszczamy w domu. Część radonu będzie
zaabsorbowana przez węgiel i zatrzymana w puszce. Po
pewnym czasie, zazwyczaj 3-7 dniach, zakłada się pokrywkę i
pojemnik wysyła do laboratorium. Tam otwiera się go i określa
aktywność próbki węgla przez pomiar promieniowania gamma,
które jest emitowane przez pochodne radonu w czasie ich
rozpadu. Aktywność ta jest proporcjonalna do średniej
koncentracji radonu w domu.
20
Detektor śladowy CR-39
a)
rzeczywisty wygląd
b)
schemat
Płytki SSNTD typu CR-39 wykonane są z poliwęglanu
allilo diglikolowego. Średnica mikrośladu powstałego w
wyniku uderzenia cząsteczki jest rzędu 20nm.
Po wytrawieniu w N7KOH, mikroślady powiększyły swą
średnicę około 1000 razy, co umożliwiło ich zliczanie.
21
Fragment płytki widziany pod mikroskopem:
22
Mikroskop biologiczny SOLIGOR BM-503 PV
Miejsce mocowania
kamery lub aparatu
fotograficznego.
23
Porównanie obszaru widzianego w okularze
(koło) i obrazu na ekranie komputera :
24
Obraz śladów cząstek α widziany na ekranie komputera:
1
3
2
1 - przykłady cząstek α,
2 - sklejone cząstki
3 - inne cząstki
25
Kryterium klasyfikacji obiektów jest ich wielkość.
Jeżeli przyjąć współczynnik wielkości cząstek wynoszący 1 dla
największych zarejestrowanych na obrazie cząstek, to cząstki α
zawierają się w przedziale <0,4;1>.
Mniejsze wartości odnoszą się do śladów innych cząstek, np.
protonów i powinny być usuwane.
Obiekty, których współczynnik wielkości jest znacznie większy
od 1 powinny być klasyfikowane jako artefakty.
26
Schemat blokowy algorytmu:
Obraz wejściowy
BMP_0
Negatyw
Normalizacja
Dylatacja
x2
Rozdzielanie
sklejonych
cząstek
BMP_1
Zamknięcie
Zachowanie
cząstek
znikających
podczas
procesu
rozdzielania
BMP_2
27
BMP_1
BMP_2
Usuwanie tła
Dyskretyzacja na
poziomie 100
Oczyszczanie
brzegów
Usuwanie
obszarów
sklejenia
Dyskretyzacja na
poziomie 150
Porównanie
BMP_1 i BMP_2
28
Porównanie
BMP_1 i BMP_2
Pokazanie
rezultatu
Zliczanie
Porównanie
BMP_1 i BMP_2
WYNIK
29
Etapy automatycznej obróbki obrazu:
a) oryginał
b) negatyw, normalizacja
c) dylatacja i zamknięcie x 2
w celu segmentacji obrazu
d) oczyszczanie brzegów cząstek
(dylatacja)
30
e) usuwanie obszarów sklejenia
g) porównanie BMP_1 i BMP_2
f) binaryzacja BMP_2
h) zliczanie
31
Porównanie obrazu początkowego z wynikiem
analizy:
32