Viðloðun radons við gler. Emil Harðarson

Viðloðun radons við gler Emil Harðarson Eðlisfræðideild Háskóli Íslands 2012

VIÐLOÐUN RADONS VIÐ GLER Emil Harðarson 10 ECTS eininga sérverkefni sem er hluti af Baccalaureus Scientiarum gráðu í eðlisfræði Leiðbeinandi Páll Theodórsson Eðlisfræðideild Verkfræði- og náttúruvísindasvið Háskóli Íslands Reykjavík, maí 2012

Viðloðun radons við gler 10 ECTS eininga sérverkefni sem er hluti af B.Sc. gráðu í eðlisfræði Höfundaréttur c 2012 Emil Harðarson Öll réttindi áskilin Eðlisfræðideild Verkfræði- og náttúruvísindasvið Háskóli Íslands Hjarðarhaga 6 101, Reykjavík Ísland Sími: 525 4000 Skráningarupplýsingar: Emil Harðarson, 2012, Viðloðun radons við gler, Sérverkefni, Eðlisfræðideild, Háskóli Íslands. ISBN XX Printing: Háskólaprent, Fálkagata 2, 107 Reykjavík Reykjavík, Iceland, maí 2012

Útdráttur Radon úr bergrunninum er í öllu grunnvatni. Remma radons í grunnvatni hefur verið mæld í áratugi á Íslandi, en breytingar í henni geta verið fyrirboðar jarðskjálfta. Við Raunvísindastofnun Háskóla Íslands var í lok 10. áratugar síðustu aldar þróuð ný einföld mælitækni til að auka næmni mælinganna. Þá er radon dregið úr 200 ml vatnssýni yfir í 15 ml af sindurvökva í 22 ml sindurglasi. Einnig var þróað einfalt og næmt vökvasindurkerfi, sérhannað til radonmælinga. Meginhluti radons í vatninu átti að flytjast yfir í sindurvökvann. Í stað 72% kom aðeins um 40%. Rannsókn á þessu tapi benti til að hluti af radoninu væri bundinn í vegg glerflöskunnar. Líkanreikningar sem kynntir eru hér benda til að við jafnvægi sé um 70% af radoninu bundið í veggnum og að tímastuðullinn í flutningi radons milli glers og vökva sé um 15 mínútur.

Efnisyfirlit Myndaskrá Töfluskrá ix xi 1. Inngangur 1 2. Tæki og mælingar 5 2.1. Vökvasindurtalning............................ 5 2.2. Tilreiðsla mælisýnis............................ 7 2.2.1. Bein mæling............................ 7 2.2.2. Hringbólun............................ 7 2.3. Gerðir mælisýna.............................. 8 3. Einfalt líkan 9 3.1. Ostwaldsfastar............................... 9 3.2. Frávik frá einföldu líkani......................... 10 3.2.1. Hringbólun með breytilegu rúmmáli............... 11 3.2.2. Mæling á færslu radons með margendurtekinni hringbólun.. 11 3.2.3. Úskolun radons í opnu kerfi................... 12 3.2.4. Tilgáta: Sýndarrúmmál glers................... 13 4. Nýtt líkan 15 4.1. Líkan endurbætt............................. 15 4.2. Tímastuðull ákvarðaður......................... 16 4.3. Útskolun úr plast- og glerflösku athuguð nánar............. 17 5. Frávik frá nýju líkani 21 5.1. Hröð útskolun............................... 21 5.2. Flaska tæmd................................ 22 5.2.1. Losnun radons úr gleri yfir tíma................. 23 5.2.2. Losnun radons úr gleri við hringbólun.............. 23 5.3. Umræða.................................. 24 6. Hugmyndir að frekari tilraunum 25 7. Lokaorð 27 vii

Efnisyfirlit Heimildir 29 A. Aðrar tilraunir 31 A.1. Hringbólun með bið............................ 31 A.2. Hringbólun á 226 Ra-stöðlum....................... 32 A.3. Hringbólun og bein mæling....................... 33 A.4. Bein mæling fyrir og eftir hringbólun.................. 34 B. Matlab forrit 37 B.1. Einfalt líkan................................ 37 B.2. Endurbætt líkan.............................. 39 C. Ábendingar fyrir áframhald 43 C.1. Leki radons úr plastglösum........................ 43 C.2. Samanburður á uppgufun MOS og IG+................. 43 C.3. Staðfesting á úskolun úr sýnaglösum.................. 44 C.4. Breytilegur dæluhraði........................... 44 C.5. Breytilegt loftmagn í flösku....................... 44 viii

Myndaskrá 1.1. Hrörnunarkeðja úrans. Fengið af http://en.wikipedia.org/wiki/file: Decay_chain(4n%2B2,_Uranium_series).PNG............... 3 2.1. Dæmigert róf. Blái ferillinn sýnir heildar rófið og hinn rauði seinkuðu púlsana................................... 6 2.2. Ljósmynd af sýnaskiptinum. Margföldunarljósnemi og rafeindabúnaður eru inni í kassanum. Tengd tölva ekki sýnd á mynd........ 6 2.3. Skýringarmynd af rafeindabúnaði sýnaskiptisins............. 7 2.4. Hringbólun vatnsflösku með borholuvatni yfir í sindurglas með slöngudælu. Ljósmynd og skýringarmynd.................... 8 3.1. Fræðilegir reikingar - Magn radons í vatni og sindurvökva (hlutfall af heildarmagni í kerfi) sem fall af rúmmáli lofts hringbóluðu....... 10 3.2. Vatnssýni úr dælustöðinni á Flúðum hringbóluð með mis miklu rúmmáli lofts (slög/klst sem fall af rúmmáli lofts bóluðu).......... 11 3.3. Einfölduð mynd af útskolun radons úr vatni í sindurvökva með bólun í opnu kerfi................................. 13 3.4. Vatnssýni úr dælustöðinni á Flúðum hringbóluð með mis miklu rúmmáli lofts (slög/klst sem fall af rúmmáli lofts bóluðu) borin saman við lögmál Ostwalds með mis miklu rúmmáli vatns........... 14 4.1. Styrkur radons í sindurvökva sem fall af rúmmáli lofts bóluðu..... 16 4.2. Útskolun radons úr glerflösku og plastflöskum, með og án glermylsnu. Logrinn af slögum/klst sem fall af rúmmáli lofts bólað í opnu kerfi.. 17 ix

MYNDASKRÁ 4.3. Ólíkir fræðilegir reikningar sem sýna útskolun radons úr glerflösku. Logrinn af slögum/klst sem fall af rúmmáli lofts bólað í opnu kerfi.. 18 5.1. Radonremma í sýnum sem tekin voru með stuttu millibili í beinni mælingu eftir að skolað hafði verið úr vatnssýni í glerflösku....... 21 5.2. Skýringarmynd af tilraunalotu sem sýnir að radon losnar ekki af glerveggnum með tímanum einum....................... 22 A.1. Náttúrulegi logrinn af slögum/klst sem fall af rúmmáli lofts bóluðu fyrir hringbólun á 226 Ra-sýnastöðlum, bóluðum með mis mikilli bið.. 32 A.2. Fræðilegir reikningar - Hlutfall radonstyrks í sindurvökva, H sindur, af heildarmagni radons í kerfinu, sem fall af sýndarrúmmáli glers, V gler, skv. jöfnu 4.3................................ 33 x

Töfluskrá 1.1. Tegund geislunnar, helmingunartími og orka alfa og betageislunnar radons og dótturefna þess......................... 2 3.1. Endurtekin hringbólun á 226 Ra-staðli................... 12 A.1. Sjö sýni frá Flúðum mæld með beinni mælingu og hringbólunaraðferðinni................................... 33 C.1. Slög/klst fyrir hringbólun 200 ml glerflösku með mismunandi dæluhraða. Vatnssýni úr Elliðaárdal...................... 44 C.2. Slög/klst fyrir mismunandi vatnsmagn í 200 ml glerflösku. Vatnssýni úr Elliðaárdal................................ 45 xi

1. Inngangur Radon ( 222 Rn) er geislavirk eðallofttegund sem finnst víða í náttúrunni sem dótturefni radíns (Ra). Magn radons í andrúmslofti og vatni hefur verið mælt við Raunvísindastofnun Háskóla Íslands undanfarna áratugi, sér í lagi í heitu grunnvatni, því ýmislegt bendir til þess að sveiflur í radonmagni í vatninu geti verið fyrirboði jarðhræringa 1. Radongas er einnig mikilvægt viðfangsefni fyrir þær sakir að það er heilsuspillandi mönnum við innöndun í miklu magni. Við venjulegar aðstæður kemur meirihluti náttúrulegs geislunnarskammts fólks frá radongasi. Reglulega hafa verið tekin vatnssýni víðsvegar á landinu og send til Raunvísindastofnunnar þar sem radonmagnið í vatninu er mælt. Radonið smýgur út um veggi plastíláta og tapast því á skömmum tíma. Því er brugðið til þess ráðs að flytja sýnin í glerflöskum, en glerið hefur þó einnig ókost: Radonið virðist bindast við gleryfirborðið. Radon í vatni er mælt í vökvasindurkerfi (geislamælingatæki) í 20 ml glösum sem innihalda sindurvökva (e. liquid scintillator) og til þess að flytja radonið úr vatninu í sinduvökvan er notast við svokallaða hringbólun, en þá er lofti dælt í lokuðu kerfi milli vökvanna tveggja. Við hringbólunina færist radongasið úr vatninu í sindurvökvann. Þegar henni er lokið og jafnvægi hefur verið náð má lýsa remmunni (eða magni radons) í sindurvökvanum með Ostwaldsföstum 2 vatns og sindurvökva, en þeir segja til um hlutfallslegan uppleysanleika radons í vökvunum. Í fyrstu var talið að nóg væri að taka tillit til þriggja þátta þegar þessu líkani var beitt; vatnsins, loftsins og sindurvökvans. Það kom hins vegar fljótlega í ljós að þessi nálgun er ekki rétt. Flutningur radonsins úr vatninu í sindurvökvann reynist mun hægari en reikningarnir spáðu fyrir um. Mælingar benda nú til þess að ákveðinn hluti radonsins sitji eftir á (eða jafnvel í) veggjum glerflöskunnar. Þegar þessi hegðun var skoðuð nánar kom síðan einnig ýmislegt annað óvænt í ljós. Gísli Jónsson kannaði fyrir nokkru þetta fyrirbæri 3 en það hefur ekki enn fengist 1 (Theodórsson 1996) 2 Nánar í kafla 3.1 3 (Jónsson 2003) 1

1. Inngangur skýr heildarmynd af því. Í þessari skýrslu eru teknar saman mælingar sem gerðar hafa verið til þess að skilja betur hvernig radongasið binst gleri. Hluti þeirra voru framkvæmdar af höfundi fyrir þetta verkefni en stór hluti er fenginn að láni úr öðrum greinum og verkefnum. Hér er einnig sett fram nýtt líkan sem lýsir flutningi radons úr vatni í sindurvökva þegar vatnið er í glerflösku. Þetta líkan er megin efni þessarar skýrslu. Loks er þeim tilraunum lýst sem lagt er til að framkvæmdar verði til þess að slá botninn í þessa rannsókn. Radon er lyktarlaust, bragðlaust og ósýnilegt gas og því er ómögulegt að skynja það með skynfærunum einum. Radon hefur fyllta ytri refeindaskel og er því eðallofttegund, þyngsta eðallofttegundin sem finnst í náttúrunni og einnig þéttasta eðalgasið (9.73 kg/m 2 ). Þótt svo að við verðum aldrei vör við radon þá kemur það nánast alls staðar fyrir í umhverfi okkar. 222 Rn (sem er langlífasta samsætan) er hluti af úran-238 hrörnunarkeðjunni og hefur helmingunartímann 3,8 daga. Tafla 1.1 sýnir dótturefni radons. Sjá má úran-238 hrörnunarkeðjuna alla í mynd 1.1. Tafla 1.1: Tegund geislunnar, helmingunartími og orka alfa og betageislunnar radons og dótturefna þess. Atóm Helmingunartími Orka [MeV], ögn 222 Rn 3,82 dagar 5,49, α 218 Po 3,05 mínútur 6,00, α 222 Pb 26,8 mínútur 0,65, β 222 Bi 19,7 mínútur 3,17 (23%), 1,75 (77%), β 222 Po 0,16 ms 7,69, α 222 Pb 22 ár 0,018, β 2

Mynd 1.1: Hrörnunarkeðja úrans. Búið er að draga fram þann hluta keðjunnar sem hér kemur við sögu. 3

2. Tæki og mælingar 2.1. Vökvasindurtalning Radon í vatni er mælt í vökvasindurkerfi sem var hannað og smíðað á Raunvísindastofnun Háskóla Íslands. 1 Sá sindurvökvi sem notaður er í mælingar sem hér koma fram er MOS (Mineral Oil Scintillator). Radonremman í grunnvatni er venjulega veik og því truflar bakgrunnsgeislun mælinguna töluvert. Til þess að lágmarka núlltöluna er beitt aðferð sem byggir á helmingunartíma dótturefnis 222 Rn, hins skammlífa 214 Po (sjá töflu 1.1). 2 Eftir að mælisýnið er tilreitt þarf að bíða um 3 klukkustundir til þess að jafnvægi sé komið í geislakeðjunni, en þá eru að meðaltali jafn margar kjarnaummyndanir á mínútu af hverri kjarnagerð. Þá eru nánast allir púlsar frá ummyndunum radons og dótturefna þess mældir, en talningarheimtin er nánast 100%. 3 Innan við 1,0 ms eftir að β-púls 214 Bi kjarnanns eru 98,7% α-púlsa 214 Po dótturkjarnanns komnir. Með því að telja bara þau púlsapör þar sem minna en 1,0 ms líður milli púlsa (seinkaða púlsa) er talningarheimtin há en núlltalan lág, því svona þétt púlsapör eru sjaldgæf í bakgrunnspúlsum sindurnemans. β-agnir 214 Bi kjarnanns mælast með 97,0% talningarheimt og α-agnir 214 Po kjarnans með 93,2% talningarheimt. Samanlagt næst því (97,0% 93,2%) = 90,4% talningarheimt fyrir 214 Bi/ 214 Po púlsaparið. Ef allir púlsar eru taldir þá er núlltalan um 40 slög/mín en með því að telja einungis seinkaða púlsa er núlltalan aðeins um 0,1 slög/mín. Tækið sem notað er í sindurtalninguna er sjálfvirkur sýnaskiptir sem tekur 10 sýnaglös sem sitja á hringekju. Hringekjan er úr hvítu, hörðu tefloni og glösin sitja í teflon hólkum. Hvítum pappír er síðan vafið um sýnaglösin, þannig að endurvarpið beini hve stærstum hluta ljóssins að sindurnemanum. Fyrir neðan glösin situr 28 1 Hér er gert ráð fyrir að lesandinn þekki til geislasindurmælinga. Annars má benda á bókina Measurements of Weak Radioactivity (Theodórsson 1996), kafla 8.4 og kafla 14. 2 (Theodórsson, 1995) 3 Talningarheimt segir til um hversu margir púlsar eru taldir fyrir hverja kjarnaummyndun. 5

Fjoldi pulsa 2. Tæki og mælingar 1000 20 500 10 0 0 0 50 100 150 200 Ras Mynd 2.1: Dæmigert róf. Blái ferillinn sýnir heildar rófið og hinn rauði seinkuðu púlsana. Kvarðinn hægra meginn á við um seinkuðu púlsana. mm lóðréttur margföldurnarljósnemi. Sjá má tækið á mynd 2.2 og skýringarmynd af rafeindabúnaðinum á mynd 2.3. Mynd 2.2: Ljósmynd af sýnaskiptinum. Margföldunarljósnemi og rafeindabúnaður eru inni í kassanum. Tengd tölva er ekki sýnd á mynd. Rafeindabúnaðurinn samanstendur af háspennugjafa fyrir margföldunarljósnemann, formagnara, 12 bita AD breytu og örtölvu sem tekur við AD gildunum, velur seinkuðu púlsana og verkar sem 256 rása púlsagreinir. Örtölvan, sem er tengd við PCtölvu, stýrir einnig stighreyfli (e. stepper motor) sem færir sýnaskífuna. Háspennugildið og mælitímann má stilla í tölvunni. 6

2.2. Tilreiðsla mælisýnis Mynd 2.3: Skýringarmynd af rafeindabúnaði sýnaskiptisins. 2.2. Tilreiðsla mælisýnis 2.2.1. Bein mæling Algengasta aðferðin við að mæla radonremmu í vatni er bein mæling. Þá er mæliglas með 10 ml sindurvökva vigtað og sent til sýnatökustaðarins og þar er vatnið látið renna hægt í glasið, þar til það er u.þ.b. fullt. Glasið er síðan sent til baka á tilraunastofuna þar sem það er vigtað á ný til þess að finna vatnsmagnið og loks mælt í sindurteljara.4 Þessi aðferð er einföld, en hentar ekki vel þegar mæla á veik sýni. Þar sem sýnastærðin er aðeins um 10 ml takmarkast næmnin við 0,2-5 Bq/l.5 2.2.2. Hringbólun Til þess að auka næmnina er hægt að grípa til hringbólunnar, en þá er radongas í 100-500 ml vatnssýni fært yfir í 15-20 ml sindurvökva með því að dæla lofti á milli vökvanna. Þar sem radon er 50 sinnum uppleysanlegra í sindurvökva en vatni, endar meirihluti radonsins í mæliglasinu. Mynd 2.4 sýnir uppstillinguna sem notuð er þegar sýni er hringbólað. Vatnssýnin 4 5 (Theodórsson 2003) Radonremma grunnvatns á Íslandi er yfirleitt undir 1 Bq/l. 7

2. Tæki og mælingar Mynd 2.4: Hringbólun vatnsflösku með borholuvatni (flaskan vinstra megin) yfir í sindurglas (glasið hægra megin) með slöngudælu. Ljósmynd og skýringarmynd. koma í stútfullum 200 ml glerflöskum frá sýnatökustaðnum. Umframvatn er sogað burt með sprautu til þess að það fari ekkert vatn í slöngurnar, sem liggja milli vatnsflöskunnar og 15 ml sindurvökva í mæliglasi og síðan til baka í vatnsflöskuna. Bæði flaskan og glasið eru lokuð, fyrir utan lítil göt á töppunum sem slangan fer í gegnum. Götin eru þétt með lími til þess að lágmarka tap úr kerfinu. Önnur slangan liggur svo í slöngudælu (e. peristaltic pump) sem dælir lofti með breytilegum hraða. 2.3. Gerðir mælisýna Rétt er að fara nokkrum orðum um vatnssýnin sem eru notuð í mælingar í þessari skýrslu. Þau má flokka í þrennt: Sýni frá dælustöðvum: Algengustu mælingarnar eru reglubundnar mælingar á grunnvatni frá borholum. Vatn úr dælustöðvum í Elliðaárdal, Húsavík og víðar er reglulega mælt, en sterkustu sýnin koma frá Flúðum. 226 Ra-sýnastaðlar : Nokkrir radín-sýnastaðlar eru mældir reglulega. Þeir hafa 9,57 Bq af radíni og eru í eins glerflöskum og vatnssýnin eru geymd í. Með því að hringbóla (mjólka) sýnastaðlana er radon flutt úr lausninni, en þá þarf staðallinn að standa í 3-5 vikur til þess að 222 Rn/226 Ra hlutfallið nái aftur jafnvægi. Íbætt sýni: Hægt er að útbúa radonsýni með því að bóla 20-40 ml lofts í gegnum 100 Bq radínlausn yfir í vatn. Einnig er hægt að íbæta vatnssýni með því að hringbóla 226 Ra-sýnastaðlana yfir í vatnið. 8

3. Einfalt líkan 3.1. Ostwaldsfastar Þegar radon er sett inní lokað rými með vatni dreyfast radon atómin í bæði vatn og loft og þegar jafnvægi er náð ræðst remman í hvorum hlutanum fyrir sig af lögmáli Ostwalds. Við jafnvægi er hlutfallið milli radonremman í lofti, C loft og vatni, C vatn þekkt. Hlutfallið, L vatn = C vatn C loft, (3.1) heitir Ostwaldsfasti fyrir vatn/loft. Ostwaldsfastinn fyrir sindurvökva/loft, L sindur er skilgreindur á sama hátt. Við herbergishita eru þessir fastar og L vatn = 0, 25 L sindur = 13, 2, hvort sem sindurvökvinn er að grunninum til tolúen eða benzen. Ef kerfi í radonjafnvægi inniheldur vatn, loft og sindurvökva og heildarvirkni randons í kerfinu er A 0, þá má finna hlutfallið milli virkni radons í hverjum vökvanna, A vökvi, á móti A 0, með jöfnunni H vökvi = A vökvi A 0 = L vökvi V vökvi L vatn V vatn + L sindur V sindur + V loft. (3.2) Með því að hringbóla loft í gegnum vatnssýni og sindurvökva nógu lengi má gera ráð fyrir því að radonjafnvægi sé komið á og þá má lýsa radonremmu í vökvunum með jöfnu 3.2. Ef flaska með 200 ml vatns er hringbóluð í 15 ml sindurvökva og 27 ml lofts eru í kerfinu 1 þá skiptist radonið á milli vökvanna í eftirfarandi hlutföllum: H vatn = 18%, H sindur = 72%, H loft = 10% 1 Þetta eru eðlilegar tölur, sjá kafla 2.1. Loftið í kerfinu er í slöngunum (10 ml), í vatnsflöskunni (10 ml) og í sindurglasinu (7 ml). 9

3. Einfalt líkan að því gefnu að radonið hvorki leki út úr kerfinu né bindist við annað. Þegar loftbóla fer gegnum vatnssýnið og sindurvökvann í hringbólun má gera þá nálgun að radonremman í loftinu og vökvanum nái jafnvægi á þeim stutta tíma sem það tekur loftbóluna að rísa úr vökvanum. Hægt er að líkja eftir flutningni radons í hringbólun með tölulegum reikningum sem nýta þessa staðreynd. Þá reikninga framkvæmdi Gísli Jónsson 2 og afraksturinn má sjá í viðauka B.1. Með því móti má finna hvernig H vatn og H sindur breytast með rúmmáli lofts sem bólað er, eins og mynd 3.1 sýnir. 1 Hlutfallslegur styrkur radons 0.8 0.6 0.4 0.2 Radon i vatni Radon i sindurvokva 0 0 50 100 150 200 250 300 Rummal lofts [ml] Mynd 3.1: Fræðilegir reikingar - Magn radons í vatni og sindurvökva (hlutfall af heildarmagni í kerfi) sem fall af rúmmáli lofts hringbóluðu. 3.2. Frávik frá einföldu líkani Mynd 3.1 sýnir meðal annars að samkvæmt lögmáli Ostwalds endar 72% radonsins í sindurvökvanum og 18% í vatninu og að til þess að ná 90% af lokastyrk radons í sindurvökvanum þarf að bóla u.þ.b. 76 ml af lofti. Raunin er önnur. Hér að neðan er lýst sumum þeirra mælinga sem gerðar hafa verið á Raunvísindastofnun Háskóla Íslands síðasta áratuginn sem stönguðust á við einfalda líkanið í kafla 3.1. 2 (Jónsson, 2003) 10

3.2.1. Hringbólun með breytilegu rúmmáli 3.2. Frávik frá einföldu líkani Tekin voru 15 vatnssýni samtímis í dælustöðinni á Flúðum svo gera má ráð fyrir sömu radonremmu í þeim öllum. 3 Sýnin voru hringbóluð með föstum dæluhraða (150 ml/mín) í mislangan tíma (og þar af leiðandi með mis miklu rúmmáli lofts). Mynd 3.2 ber saman fræðilega líkanið og mælingarnar. 2000 1500 Slog/klst 1000 500 maelipunktar Tolulegir reikningar 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 Rummal lofts [ml] Mynd 3.2: Vatnssýni úr dælustöðinni á Flúðum hringbóluð með mis miklu rúmmáli lofts (slög/klst sem fall af rúmmáli lofts bóluðu). Líkanið sem byggir á lögmáli Ostwalds (kafli 3.1) borið saman við mælipunktana. Hér var tölulega líkaninu stillt þannig upp að lokaremman í sindurvökvanum yrði sú sama og mælipunktarnir gefa, svo hér er einungis verið að skoða hversu lengi radonremman er að ná jafnvægi. Mælingar sýna að hringbóla þarf 1200 ml lofts til þess að ná 90% af hámarksfærslu radons en ekki 76 ml eins og fræðilegir reikningar kafla 3.1 gáfu til kynna. 3.2.2. Mæling á færslu radons með margendurtekinni hringbólun 226 Ra-staðall var hringbólaður sjö sinnum til þess að áætla radonmagnið í staðlinum. Í hvert skipti var hringbólað 1200 ml lofts í sindurglas og síðan skipt um glas. Niðurstöður mælinganna má sjá í töflu 3.1. 4 3 (Theodórsson, 2003) 4 (Jónsson, 2003) 11

3. Einfalt líkan Tafla 3.1: Endurtekin hringbólun á 226 Ra-staðli. Númer hringbólunnar [slög/klst] Styrkur 1 9758 2 4936 3 2700 4 1471 5 828 6 455 7 282 Summa 20430 Radonstyrkurinn helmingast um það bil við hverja hringbólun, svo gera má ráð fyrir því að 282 slög/klst myndu bætast við ef óendanlega oft yrði bólað í viðbót. Heildarstyrkur radons í sýnastaðlinum mælist því 20712 = 22912 kjarnaummyndanir á klukkustund, eða 6,36 Bq. Því næst 6,36 Bq 9,57 Bq 0,904 = 66% af radoninu úr sýninu. 3.2.3. Úskolun radons í opnu kerfi Sú tilraunalota sem hvað best sýnir fram á áhrifin sem glerið hefur á hringbólun radonsýna er útskolun radons í opnu kerfi. Þá voru vatnssýni í glerflösku og plastflösku, íbætt skv. aðferðinni í kafla 2.3. Síðan voru sýnin bóluð í opnu kerfi 5 í sindurglös á dæluhraðanum 12 ml/mín. Dælt var í eina mínútu áður en skipt var um sindurglas. Niðurstöður mælinganna má sjá á mynd 3.3. Þegar radon er skolað úr vatnssýni með bólun í opnu kerfi gegnum sindurvökva má lýsa styrk radons í sindurvökvanum sem veldisvísisfalli (sjá kafla 4.3). Mynd 3.3 sýnir náttúrulega logrann af talningu slíkra sýna sem fall af rúmmáli lofts bóluðu, fyrir plastflösku annars vegar og glerflösku hins vegar. 6 Ferillinn fyrir útskolun plastflöskunnar er bein lína og hallatalan passar vel við fræðin sem lýst var hér að ofan (nánar í kafla 4.3). Ferill glerflöskunnar er hins vegar flóknari. Hér sést að glerið hefur skýr áhrif á flutning radons úr vatni í sindurvökva. Fjallað verður nánar um útskolun í kafla 4.3. 5 (Sjá kafla 2.2.2) 6 Ferlarnir hafa verið færðir til svo að þeir hafi upphaf á sama stað. Við það breytist lögun ferlanna ekkert. Þetta er gert til þess að myndin sé sem skýrust. Göngin eru fengin frá Gísla (Jónsson, 2003). 12

3.2. Frávik frá einföldu líkani 10 9 glerflaska plastflaska ln(slog/klst) 8 7 6 5 0 50 100 150 200 Rummal lofts [ml] Mynd 3.3: Einfölduð mynd af útskolun radons úr vatni í sindurvökva með bólun í opnu kerfi. Beina línan í gegnum mælipunktana sem eiga við plastflöskuna passar vel við lögmál Ostwalds. Ferill útskolunarinnar úr glerflöskunni er hins vegar eitthvað flóknari. 3.2.4. Tilgáta: Sýndarrúmmál glers Ljóst er af niðurstöðunum að ofan að hluti radonsins er bundinn í glerveggjum flöskunnar. Líta má svo á að glerið hafi ákveðið sýndarrúmmál, V gler, sem bætist við rúmmál vatnsins. Ef 200 ml vatns eru í glerflöskunni má finna fyrstu nálgun á sýndarrúmmáli glerveggsins, V gler, í ígildi vatns á eftirfarandi einfalda hátt: Við bólun með meira en 1200 ml lofts er komin mettun, æstæð radonremma í vatni og sindurvökva. Þá er samkvæmt kafla 3.2.2 hér að ofan u.þ.b. 50% af radoninu í sindurvökvanum og 50% í vatninu og glerinu, V = (200 + V gler ). 7 Vatnsígildi 15 ml af sindurvökva er 15 52 = 780 ml. Vatnsígildi vatnsins og glersins er því (200 + V gler ) = 780 V gler = 580 ml, eða u.þ.b. 74% af heildarrúmmáli vatns og glers. Þessi viðbót við líkanið dugir samt ekki til þess að útskýra allar niðurstöðurnar hér að ofan. Í kafla 3.2.1 kom í ljós að bóla þarf meira en 1200 ml til þess a radonremma í sindurvökva nái jafnvægi. Mynd 3.4 sýnir það sama og mynd 3.3, tölulega reikninga sem byggja á lögmáli Ostwalds borna saman við hringbólun á sýnum frá Flúðum með mis miklu lofti. En nú sýna tölulegu reikningarnir ekki aðeins hringbólun 200 ml vatnssýnis, heldur einnig 500 og 10000 ml vatnssýnis. Það svarar til þeirrar aukningar í sýndarrúmmáli sem glerið gæti ollið. 7 Við hverja bólun helmingast radonremman, svo ætla má að um helmingur sitji eftir í glerinu. Hér er alveg litið framhjá því radoni sem bundið er loftinu í kerfinu. 13

3. Einfalt líkan 2000 1500 Slog/klst 1000 500 0 maelipunktar 200 ml vatns 780 ml vatns 10000 ml vants 0 1000 2000 3000 4000 5000 Rummal lofts [ml] Mynd 3.4: Vatnssýni úr dælustöðinni á Flúðum hringbóluð með mis miklu rúmmáli lofts (slög/klst sem fall af rúmmáli lofts bóluðu). Inn í líkanið er sett mis mikið rúmmál vatns. Sú breyting dugir ekki til þess að líkja eftir mælingunum. Við sjáum af myndinni að aukning í rúmmáli nægir ekki til þess að skýra þá 1200 ml sem bóla þarf til að ná jafnvægi. Við grípum því til þess ráðs að lýsa flutningi radons úr gleri í vatn með einhverjum tímastuðli, τ. 14

4. Nýtt líkan 4.1. Líkan endurbætt Í kafla 3.2 var sýnt að hluti radonsins loðir við glerflöskuna. Þetta kemur ekki á óvart, þar sem Van der Waals geisli radons er 220 pm og því er skautunarhæfni þess (e. polarizability) há miðað við önnur eðalgös. Hér er lagt til að lýsa megi flutningi radonsins í og úr glerinu með eftirfarandi diffurjöfnu: ds v = ds g = (S v S g ) e dt τ (4.1) þar sem S v er styrkur radons í vatninu S g er styrkur radons í glerinu, og τ er tímastuðull. Styrkur radonsins í glerinu er fundinn með jöfnunni S g = (magn radons í glerinu) V g (4.2) þar sem V g er sýndarrúmmál glers. Við líkjum því glerinu við vökva sem bóla þarf í gegnum og hefur óþekkt rúmmál og sama Ostwaldsstuðul og vatnið. Flutningurinn milli vatns og glers er ekki aðeins háður rúmmáli lofts sem bólað er, heldur einnig tíma. Því skiptir dæluhraði (ml/mín) bólunarinnar máli. Ef bólað er nógu lengi má gera ráð fyrir að jafnvægi sé náð og lýsa megi hlutföllunum milli virkni radons í hverjum vökvanna á móti A 0 með jöfnunni H vökvi = A vökvi A 0 = L vökvi V vökvi L vatn (V vatn + V gler ) + L sindur V sindur + V loft. (4.3) Óljóst er hvaða gildi á að gefa V gler. Þá stærð, auk tímastuðlinum, τ, þarf að ákvarða með tilraunum. Tímastuðullinn, τ, getur haft margvíslega merkingu. Mögulega kemur hann til vegna flutningi radonsins í vatninu, en hann gæti þá verið háður dæluhraðanum. 1 Hann mætti einnig reyna að útskýra með því að radonið sitji ekki bara á ysta lagi gleryfirborðsins, heldur smjúgi það inn í glerið og sitji þar fast. 1 Blástur lofts í gegnum vökva er góð leið til að hræra í vökvanum. 15

4. Nýtt líkan Jöfnu 4.1 má síðan bæta við tölulegu reikningana í viðauka B.1, t.d. með því að nota Euler-aðferð við tölulega lausn diffurjöfnunnar. Forritið í viðauka B.2 byggir á þessu. Að lokum skal tekið fram að jafna 4.1 er reynslujafna, hún byggir ekki á fræðilegum grundvelli. 4.2. Tímastuðull ákvarðaður Hvernig má ákvarða τ? Enn lítum við til vatnssýnanna 15 frá Flúðum. Mynd 4.1 sýnir gögnin borin saman við nýja líkanið (þar sem reiknað er með glerinu) og mismunandi V gler og τ eru sett inn. Myndir 4.1(a) og 4.1(b) sýna tölulega reikninga fyrir τ = 15, 30, 45 og 60 mínútur og V gler = 100 ml, annars vegar, og 300 ml hins vegar. Myndir 4.1(c) og 4.1(d) sýna það sama fyrir τ = 5, 10, 15 og 30 mínútur og V gler = 500 og 1200 ml. 2000 2000 1500 1500 Slog/klst 1000 500 0 maelipunktar τ = 15 τ = 30 τ = 45 τ = 60 0 1000 2000 3000 4000 5000 Rummal lofts [ml] Slog/klst 1000 500 0 maelipunktar τ = 15 τ = 30 τ = 45 τ = 60 0 1000 2000 3000 4000 5000 Rummal lofts [ml] (a) V gler = 100 ml. (b) V gler = 300 ml. 2000 2000 1500 1500 Slog/klst 1000 500 0 maelipunktar τ = 5 τ = 10 τ = 15 τ = 30 0 1000 2000 3000 4000 5000 Rummal lofts [ml] Slog/klst 1000 500 0 maelipunktar τ = 5 τ = 10 τ = 15 τ = 30 0 1000 2000 3000 4000 5000 Rummal lofts [ml] (c) V gler = 500 ml. (d) V gler = 1200 ml. Mynd 4.1: Styrkur radons í sindurvökva sem fall af rúmmáli lofts bóluðu. Ferlarnir sýna mismunandi stærðir fyrir V gler og τ. Þessar myndir má nota til þess að finna fyrstu nálgun fyrir tímastuðulinn. Ljóst er 16

4.3. Útskolun úr plast- og glerflösku athuguð nánar að samband þarf að gilda milli V gler og τ til þess að ferlarnir passi við mælingar. Eftir því sem V gler er minna þarf hærri tímastuðul. Ef V gler = 1200 ml myndi τ = 10 mínútur passa best, en fyrir V gler = 500 væri τ = 15 mínútur nær lagi. V gler = 300 ml krefst tímastuðuls upp á a.m.k 30 mínútur, og V gler = 100 ml passar einfaldlega ekki við gögnin. Í kafla 3.2.4 var reiknað út að V gler 500 ml, svo við myndum búast við tímastuðlinum τ 15 mínútur. 4.3. Útskolun úr plast- og glerflösku athuguð nánar Nú beitum við endurbætta líkaninu til þess að skoða nánar útskolunina sem fjallað var um í kafla 3.2.3. Sérstaklega er skoðað hversu hratt radon skolast úr glerflösku miðað við plastflösku. 9.5 ln(cph) 9 8.5 8 7.5 7 6.5 6 5.5 5 plastflaska glerflaska glermylsna 0 50 100 150 200 Rummal lofts [ml] Mynd 4.2: Útskolun radons úr glerflösku og plastflöskum, með og án glermylsnu. Logrinn af slögum/klst sem fall af rúmmáli lofts bólað í opnu kerfi. Takið eftir tvískiptingu ferlanna þar sem gler kemur við sögu. Ef útskolunin fylgdi lögmáli Ostwalds eins og það er sett fram í kafla 3.1 þá fengist styrkur radons í sindurvökvanum með jöfnunni A sindur = A 0 e V V út (4.4) þar sem V er rúmmál loftsins sem hefur verið bólað og V út er útskolunarrúmmál, það rúmmál lofts sem þarf að dæla til þess að styrkurinn falli um e. V út er sem 17

4. Nýtt líkan sagt mælikvarði á það hversu hratt radonið skolast úr sýninu. Útskolunarrúmmálið mætti þá reikna út svona: V út = V vökvi L vökvi, (4.5) þannig að fræðilegt útskolunarrúmmál fyrir 200 ml vatnssýni (eins og í glerflöskunni) er V út,fræði = 50 ml. Sýnið í plastflöskunni var 180 ml, þannig að V út,fræði = 45 ml fyrir plastflöskuna. Ferilinn fyrir útskolun úr plastflöskunni er bein lína, eins og líkanið spáir fyrir um, með útskolunarrúmmál 53 ml. Þetta er stórt séð það sem við var búist. Málin flækjast hins vegar þegar ferlarnir fyrir hinar flöskurnar eru skoðaðir. Athugum fyrst útskolunarferilinn fyrir sýnið í glerflöskunni. Ljóst er að hann er ekki bein lína, eins og við var búist, heldur virðist hann skiptast í tvennt. Fyrst er V út = 21 ml, þannig að radonið virðist skolast hraðar út en fræðin segja til um. Síðan, eftir u.þ.b. 100 ml verður V út = 215 ml, ríflega fjórum sinnum hærra en hið einfalda líkan segir til um. Svipaða sögu er að segja af sýninu með glermylsnunni, fyrst er V út = 10 ml og síðan 359 ml. Það er því alveg ljóst að þessi áhrif koma til vegna glersins. ln(slog/klst) 7 6 5 eldra likan endurbaett likan gler tomt 4 0 50 100 150 200 Rummal lofts [ml] Mynd 4.3: Ólíkir fræðilegir reikningar sem sýna útskolun radons úr glerflösku. Logrinn af slögum/klst sem fall af rúmmáli lofts bólað í opnu kerfi. Bláa línan sýnir einfalda líkanið í kafla 3.1 og rauði ferillinn sýnir endurbætta líkanið í kafla 4.1. Græni ferillinn sýnir endurbætta líkanið ef gert er ráð fyrir því að ekkert radon loði við glerið í upphafi útskolunnar. Mynd 4.3 sýnir hermun líkananna tveggja á útskolun radons úr glerflösku. Hlutverk myndarinnar er að sýna áhrif glersins á eigindlegan hátt og ekki er mælst til þess 18

4.3. Útskolun úr plast- og glerflösku athuguð nánar að útkoman sé borin saman við mælingar að öðru leiti. Gert var ráð fyrir sömu sýnastærð og venjulega, en í endurbætta líkaninu er gert ráð fyrir að V gler = 600 ml. Blái ferillinn er teiknaður með einfalda líkaninu og svarar til útskolunnar þar sem radonið binst ekkert glerinu. Þar er V út = 50 ml eins og við var að búast. Rauði punktaferillinn er teiknaður með endurbætta líkaninu og þá sést hvernig V út er fyrst það sama og fyrir hið einfalda, en síðan hægist á útskoluninni eftir um 100 ml lofts. Þessi nálgun útskýrir því tvískiptingu ferilsins og að það hægist síðan á útskoluninni, en getur ekki skýrt hina hröð útskolun í upphafi. Á því höfum við tvær mögulegar skýringar: Fyrri tilgátan er sú að þegar bólunin hefst sé töluvert af radoni í loftinu í vatnsflöskunni og að það radon skolist hratt út. Í viðauka C.5 er laggt til að á þetta verði reynt með einfaldri tilraun. Hin tilgátan (og sú sem við teljum líklegri) er að þegar bólunin hefst þá sé minna radon bundið við glerið en við jafnvægi. Þá er radonið bæði að skolast úr vatninu og leka yfir í glerið í upphafi, sem veldur því að það virðist skolast hraðar úr vatninu. Græni brotni ferillinn sýnir endurbætta líkanið með þessu upphafsskilyrði. 2 Þar sjáum við að útskolunin er ekki aðeins hægari en í plastflöskunni í lokin, heldur virðist hún einnig hraðari í upphafi. Það er vegna þess að radonið er ekki aðeins að fara úr vatninu, heldur einnig í glerið. Með þessari viðbót teljum við að komin sé skýring á flestum þeim atriðum sem lagt var upp með að skýra þegar þetta verkefni var hafið. Þó þurfa margar hliðar málsins nánari greiningu. 2 Vert er að taka það fram að rauði punktaferillinn í mynd 4.3 sýnir kerfi þar sem heildar remma radons er hærri en í hinum tveim ferlunum. Þar er hluti radonsins falinn í glerinu í upphafi. 19

5. Frávik frá nýju líkani Enda þótt endurbætta líkanið lýsi vel mikilvægustu atriðunum (hlutfall radons sem skilar sér í sindurvökvann við hringbólun og hversu langan tíma það tekur) þá eru nokkur atriði sem benda til að enn vanti eitthvað í fullan skilning. Hér er lýst tveim tilraunalotum sem sýna að skoða þarf líkanið nánar. 5.1. Hröð útskolun Gerð var tilraun til þess að mæla hvernig radon losnar af gleryfirborði yfir tíma. Radongasi var skolað úr íbættu sýni með bólun í opnu kerfi og síðan voru tekin sýni í beina mælingu með þriggja mínútna millibili. Búist var við því að radonremman í sýnunum myndi aukast eftir því sem tíminn liði, en annað kom á daginn. 80 60 Slog/klst 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 Timi fra utskolun [min] Mynd 5.1: Radonremma í sýnum sem tekin voru í beinni mælingu eftir að skolað hafði verið úr vatnssýni í glerflösku. Þrjár mínútur liðu milli sýnatöku. Rauða línan sýnir radonremmu í vatninu áður en radongasinu gafst tími til að leka inn í glervegginn. Blá línana sýnir radonremmu í núlltölusýni. 226 Ra-sýnastaðall var hringbólaður með 150 ml/mín dæluhraða í 5 mínútur (750 ml) yfir í glerflösku sem innihélt 200 ml kranavatns. Beðið var í 40 mínútur til þess að radon myndi bindast glerinu. Þá var vatnið bólað í opnu kerfi í 4 mínútur (600 ml) til þess að skola radoni út. Síðan voru 5 ml vatns teknir á 3 mínútna fresti í beina 21

5. Frávik frá nýju líkani mælingu, 1 og niðurstöður mælinganna má sjá á mynd 5.1. Um leið og íbótin var búin (fyrir 40 mínútna bið og útskolun) voru teknir 5 ml í beina mælingu sem gaf 61,6 slög/klst (rauða línan). Núlltölusýni fékkst með beini mæling á 5 ml kranavatns sem gaf 4,4 slög/klst (bláa brotna línan). Lítil sem engin aukning er á radonremmu í vatninu á þeim tólf mínútum sem líða frá því að skolað er úr vatninu. Það kann að vera að ekki hafi skolast nógu mikið úr vatninu með þeim 600 ml sem bólaðir voru gegnum það, en reikningarnir í kafla 3.1 segja að aðeins þurfi að bóla 76 ml til þess að tæma úr vatni. Gott væri að endurtaka tilraunina og skola þá lengur úr vatninu í upphafi. 5.2. Flaska tæmd Annað atriði sem vakið hefur spurningar er að færsla radons úr gleri í vatn reynist háð því hvort verið sé að hringbóla vatnið. Þessi kafli lýsir tilraunum sem gerðar voru til þess að athuga hvort radon losni hraðar af glervegg flösku ef verið er að bóla lofti gegnum vatnið á sama tíma. Niðurstaðan kom á óvart: Töluvert meira radon losnar úr glerinu ef hringbólað er í tvær mínútur en ef beðið er í klukkustund. Mynd 5.2: Skýringarmynd af tilraunalotu sem sýnir að radon losnar ekki af glerveggnum með tímanum einum. Nánari lýsing í meginmáli. Tvær glerflöskur, hvor um sig með 200 ml vatns, voru íbættar og látnar standa í sjö klukkustundir. Síðan voru báðar flöskurnar tæmdar yfir í tvær plastflöskur sem voru bólaðar yfir í sýnaglas með sindurvökva (sýni 1 á mynd 2 ). Glerflöskurnar voru síðan 1 Þessir 5 ml voru settir í 10 ml InstaGel+. 2 Til einföldunnar var myndin teiknuð þannig að sýnatakan hafi átt sér stað áður en flaskan var tæmd. Hægt væri að framkvæma tilraunina þannig, og þá með beinni mælingu, en gæta þarf þess að nota nógu sterkt sýni. 22

5.2. Flaska tæmd fylltar með kranavatni. Við þær aðstæður má gera ráð fyrir því að ekkert radon sé í vatninu, en að eitthvað sitji eftir í glerinu. Þegar hingað var komið fóru flöskurnar tvær hvor sína leiðina: Önnur flaskan var sett í hringbólun í lokuðu kerfi með ekkert sýnaglas í tvær mínútur. Vatninu var svo hellt yfir í plastflösku, sem var hringbóluð yfir í sýnaglas með sindurvökva. Hin flaskan var látin sitja lokuð í klukkustund áður en vatninu var hellt í aðra plastflösku sem einnig var hringbóluð yfir í sýnaglas með sindurvökva. Skýringarmynd af tilraunalotunni má sjá á mynd 5.2 5.2.1. Losnun radons úr gleri yfir tíma Til þess að athuga hversu mikið radongas losnar úr glervegg flösku á klukkustund var vatnssýni í glerflösku mælt, nýtt vatn sett í flöskuna og það vatn mælt klukkustund síðar. Glerflaska með 200 ml af kranavatni var íbætt með því að bóla 100 Bq radínlausn. Eftir að hafa staðið í sjö klukkustundir 3 var vatninu hellt í plastflösku og glerflaskan aftur fyllt með kranavatni. Vatnssýnið í plastflöskunni var hringbólað með 2250 ml lofts og mæling gaf 545,4 slög/klst. Kranavatnið var þá látið sitja í glerflöskunni í klukkustund, hún var síðan tæmd í aðra plastflösku og sú bóluð með sama rúmmáli lofts. Þá fengust 87,7 slög/klst, eða um 16% af fyrra gildi. Til samanburðar gaf bólun plastflösku sem einungis innihélt kranavatn 26,7 slög/klst. 5.2.2. Losnun radons úr gleri við hringbólun Til samanburðar við tilraunina að ofan var athugað hversu mikið radongas losnar úr glervegg flösku við hringbólun. Vatnssýni í glerflösku var mælt, nýtt vatn sett í flöskuna og vatnið hringbólað án mæliglass. Síðan var vatnið mælt á ný. Aftur var glerflaska með 200 ml vatns úr krana var íbætt með því að bóla 100 Bq radínlausn. Sjö klukkustundum síðar var vatninu hellt í plastflösku, glerflaskan fyllt með kranavatni og vatnssýnið í plastflöskunni hringbólað yfir í sindurglas. Mæling gaf 186,6 slög/klst. Vatnið í glerflöskunni var hringbólað í tvær mínútur með dæluhraðanum 150 ml/mín í lokuðu kerfi, en með engan sindurvökva í mæliglasinu. 3 Þetta var gert til þess að radonremma í gleri og vatni næði örugglega jafnvægi. 23

5. Frávik frá nýju líkani Vatninu var svo hellt í aðra plastflösku og hún bóluð yfir í sindurglas og mæling gaf þá 80,5 slög/klst. Með þessu móti mældust þá 43% af fyrra gildinu. 4 Svo virðist sem radonið losni mun frekar af glerinu þegar vatnið er hringbólað. Þó vitum við ekki hversu mikið radon skolast úr glerinu þegar hellt er úr flöskunum. Með því að endurtaka tilraunina nokkrum sinnum fengist tryggari niðurstaða. 5.3. Umræða Þær tilraunir sem greint var frá hér að ofan benda báðar í sömu átt: Hringbólun lofts um vatn í glerflösku virðist hafa áhrif á bindingu radonsins í glerveggnum. Ef sú er raunin þá er endurbætta líkanið sem sett var fram í kafla 4.1 aðeins einföldun. Hugsanleg ástæða þess að bólun lofts í gegnum vatnið hafi áhrif á bindingu við glerið er sú að bólunin kemur hreyfingu á vatnið. Þannig gæti vatnið sem liggur upp við glervegginn fljótt mettast af radongasi ef engin hreyfing er á vatninu. Önnur möguleg skýring fæst með því að líkja hringbólun við það þegar gosflaska er hrist. Þegar flaska eða dós með kolsýrðum vökva er hrist, myndast loftbólur í vökvanum. Uppleyst gasið á þá auðveldara með að losna úr vökvanum í loftbólurnar. Það er orkufrekt fyrir litla loftbólu að aðskilja vatnssameindirnar vegna yfirborðsspennu í vökvanum, en minni orku þarf þegar stærri loftbóla er þegar til staðar í vökvanum. Á svipaðan hátt getur loftið sem dælt er í hringbóluninni auðveldað radon gasinu að losna af glerveggnum. Þessar tilraunir þarf að endurtaka og greina nánar áður en skýr mynd fæst. Í næsta kafla eru settar fram lýsingar á nokkrum tilraunum sem vonandi gætu svarað þessum spurningum. 4 Reynt var við þessa sömu tilraun með beinni mælingu, en sýnið reyndist of veikt til þess. 24

6. Hugmyndir að frekari tilraunum Til þess að fullum skilningi á aðstæðum við hringbólun vatnssýnis sé náð þarf frekari tilraunir. Hér eru settar fram lýsingar á nokkrum tilraunum sem gætu slegið botninn í þessa rannsókn. Auk þeirra tilrauna sem hér koma fram væri æskilegt að endurtaka tilraunir sem fjallað er um í viðaukum C.4 og C.5, en heppnuðust illa vegna veikra sýna. Athuga skal að þessi listi er ekki tæmandi. Glerperlur: Með því að nota glerperlur sem hafa þekkt yfirborðsflatarmál á þyngdareiningu má e.t.v. finna sýndarrúmmál glers fyrir ákveðið yfirborð. Hægt væri t.d. að fylgjast með útskolun úr plastflösku með mis mikið af glerperlum í botninum og magnbinda þannig áhrifin. Bein mæling fyrir og eftir hringbólun: Hægt er að mæla áhrif hringbólunnar á bindingu radons við glervegg flösku með því að mæla með beinni mælingu radonremmu í vatnssýni fyrir og eftir hringbólun. Þá mætti til dæmis íbæta 200 ml vatnssýni með bólun gegnum radín upplausn, bíða í klukkutíma og taka svo 5 ml í beina mælingu. Síðan hringbóla án sýnaglass í nokkrar mínútur og taka svo strax aftur 5 ml. Með þessu væri radon gasið rekið í glerið með bóluninni. Áhrif hitastigs á bindingu: Þekkt er að hitastig hefur töluverð áhrif á viðloðun gass við yfirborð. Hægt væri að hringbóla fast rúmmál lofts úr vatnssýni í hitabaði yfir í sindurvökva. Með því að hafa baðið nógu heitt ætti nánast allt radon að losna af glerinu og flytjast í glerið. 25

7. Lokaorð Nýja, endurbætta líkanið sem smíðað var til þess að lýsa flutningi radons úr vatni í sindurvökva við hringbólun hefur að mestu staðist prófanir. Tekist hefur að skýra flest þau atriði sem flæktu úrvinnslu mælinga. Enn vantar þó að magnbinda líkanið og fá frekari steðfestingu með mælingum. Einnig hafa skotið upp kollinum frávik frá líkaninu sem benda til þess að einhvern skilning skorti ennþá. Þótt svo nokkur atriði sé enn ekki skilin að fullu skilar það sér ekki í næmni aðferðarinnar. Með því að framkvæma hringbólun og mælingar alltaf á sama hátt má tryggja sömu endurkvæmni og við hefðbundna beina mælingu. 1 Stefnt verður að því á næstu mánuðum að skrifa tvær greinar í erlend vísindarit, önnur myndi fjalla um fræðin sem kynnt voru í þessari skýrslum, en hin yrði almenn umfjöllun um hringbólunaraðferðina. 1 Sjá má í viðauka A.3 að mælingar með hringbólunaraðferðinni hefur sama innra samræmi og beinar mælingar. Sama staðalfrávik fæst þegar hringbólunaraðferðin er notuð og þegar hefðbundinni aðferð er beitt. 27

Heimildir [1] G. Jónsson (2003). Færsla radons úr vatni yfir í sindurvökva með hringbólun. Sérverkefni í eðlisfræði, Háskóla Íslands. [2] P. Theodórsson, G. I. Guðjónsson (2003). Increased Radon Detection Sensitivity: Extraction from 200 ml of Water and Liquid Scintillation Counting. Health Physics 85(5): 610-612. [3] P. Theodórsson (1995). A New Method for Automatic Measurement og Low-level Radon in Water. Applied Radiation and Isotopes 47, 969-8043. [4] P. Theodórsson (1996). Measurements of Weak Radioactivity. World Scientific. 29

A. Aðrar tilraunir Í þessum kafla eru settar fram niðurstöður nokkurra tilrauna sem var til einföldunnar sleppt í meginmáli skýrslunnar en eru þó áhugaverðar. Fyrsti kaflinn fjallar um veigamikla tilraunalotu sem framkvæmd var í vor (2012) en gaf ekki þá niðurstöðu sem búist var við. Restin af kaflanum lýsir tilraunum sem framkvæmdar hafa verið síðasta áratuginn. Sá hluti er að mestu tekinn beint upp úr skýrslu Gísla 1 en reynt er að skýra niðurstöður tilraunanna með hjálp endurbætta líkansins. A.1. Hringbólun með bið Til þess að aðgreina tímastuðulinn og sýndarrúmmál glersins í endurbætta líkaninu var brugðið til þess ráðs að hringbóla 226 Ra-sýnastaðlana ítrekað, en bíða nokkrar mínútur milli bólanna. Með þessu móti mætti ef til vill sjá áhrifin sem tími hefur á losnun radons úr glerinu. 226 Ra-sýnastaðlarnir voru hringbólaðir yfir í sýnaglös. Bólað var 30 ml í hvert sýnaglas með dæluhraðanum 150 ml/mín, sjö sinnum í senn. Tilraunin var framkvæmd fjórum sinnum, en beðið var mis lengi milli bólanna. Beðið var 15, 10 og 5 mínútur milli þess sem hvert sýni var bólað, og einu sinni var bólað án tafar. Niðurstöðuna má sjá á mynd A.1. Það er erfitt að lesa út úr þessum niðurstöðum. Útskolunin virðist vera nokkuð óháð því hversu lengi er beðið milli bólanna. Niðurstöður kafla 5 styðja þá tilgátu. 1 (Jónsson, 2003) 31

A. Aðrar tilraunir 6.5 ln(slog/klst) 6 5.5 5 4.5 engin bid 5 min bid 10 min bid 15 min bid 4 3.5 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Rummal lofts bolad [ml] Mynd A.1: Náttúrulegi logrinn af slögum/klst sem fall af rúmmáli lofts bóluðu fyrir hringbólun á 226 Ra-sýnastöðlum. Mis mikil bið var höfð milli bólanna og ferlarnir fjórir lýsa hver sínum biðtíma. Ferlunum hefur verið hliðrað fast-lógariþmískt, þannig að þeir byrji allir á sama stað. A.2. Hringbólun á 226 Ra-stöðlum 226 Ra-staðlarnir voru hringbólaðir með 1200 ml af lofti og mældir 26 sinnum yfir 7 mánaða tímabil. Mælingarnar gáfu 10 820 slög/klst = 3,00 slög/sek með staðalfrávik 4,7%. 2 3,00 Í sindurvökvanum eru því = 3, 32 Bq af radoni. 1200 ml lofts voru 0,904 hringbólaðir svo við fáum 90% af hámarksfærslu radonsins í sindurvökvann. Hlutfall styrks radons í sindurvökvanum á móti upphafsstyrksins í vatninu er því H sindur = 3, 32/0, 9 95, 7 sem er mun lægra en þau 72% sem jafna 3.2 gefur. = 39%, (A.1) Þetta getur nýja líkanið einnig skýrt. Mynd A.2 sýnir útkomu jöfnu 4.3 fyrir H sindur sem fall af V gler, þannig að hægt er að sjá hvernig H sindur breytist með sýndarrúmmáli glers. Lausn á jöfnu 4.3 gefur H sindur = 39% V gler = 930 ml. (A.2) 2 (Theodórsson, 2003) 32

A.3. Hringbólun og bein mæling 0.8 0.6 Hsindur 0.4 0.2 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 Syndarrummal glers [ml] Mynd A.2: Fræðilegir reikningar - Radonstyrkur í sindurvökva, H sindur, sem hlutfall af heildarmagni radons í kerfinu sem fall af sýndarrúmmáli glers, V gler, skv. jöfnu 4.3. A.3. Hringbólun og bein mæling Sjö vatnssýni voru tekin á sama tíma á Flúðum og hvert sýni mælt bæði með beinni mælingu og hringbólunaraðferðinni. Þegar mælt var beint voru teknir 10 ml af vatnssýnunum og sett út í 10 ml af sindurvökva og þá voru 2 ml af lofti eftir í sýnaglasinu. Niðurstöður mælinganna má sjá í töflu A.1. Tafla A.1: Sjö sýni frá Flúðum mæld með beinni mælingu og hringbólunaraðferðinni. Sýni Bein mæling [slög/klst] Hringbólun [slög/klst] 1 329 4372 2 316 4283 3 349 3605 4 316 3516 5 452 5064 6 354 4554 7 339 4028 Meðaltal: 351 4203 Staðalfrávik 13% 13% Jafna 3.2 gefur að í beinni mælingu var 97% af radoninu í sindurvökvanum, þannig að radonstyrkur í 10 ml vatnsins var að meðaltali A 10 = 351 = 0, 11 Bq. (A.3) 0, 904 0, 97 3600 33

A. Aðrar tilraunir Ef gert er ráð fyrir að radonið loði ekki við glerið má þá reikna radonstyrkinn í 200 ml vatninu með því að margfalda A 10 með = 10 þ.e. A 10 ml vatn = A 0 = 2, 20 Bq. Virkni radons í sindurvökvanum eftir hringbólun gefur: A sindur = 4203 = 1, 46 Bq, (A.4) 0, 904 0, 9 3600 svo H sindur = 1,46 = 66% sem er aftur lægra en þau 72% sem búist var við. Athygli 2,20 vekur einnig að ekki fæst sama niðurstaða og þegar 226 Ra-staðlarnir voru bólaðir. Það reynist ekki eins gott að skýra þetta með nýja líkaninu. Ef hluti radonsins er bindinn við glerið eru báðar aðferðirnar, hringbólunin og beina mælingin, að mæla óbeint radonið í vatninu. Beina mælingin gefur: þannig að Jafna 4.3 gefur þá: H sindur = A sindur A 0 = A 10 = A 0 10 200 + V gler, (A.5) 1, 46 0, 011 (200 + V gler ). (A.6) 1, 46 0, 011 (200 + V gler ) = 13, 2 15 13, 2 15 + 27 + (200 + V gler ) 0, 25 (A.7) sem hefur lausnina V gler = 18, 8 ml, sem getur ekki staðist. Þetta frávik er ekki búið að útskýra. A.4. Bein mæling fyrir og eftir hringbólun Eitt sýnanna frá Flúðum var mælt með beinni mælingu bæði fyrir og eftir hringbólun. Þá voru teknir 10 ml af vatninu og sett út í 5 ml sindurvökva. Fyrir hringbólun gaf beina mælingin 312 slög/klst en eftir hringbólunina gaf hún 149 slög/klst. Radonvirknin í vatninu eftir hringbólun er því 48% af virkninni fyrir hringbólun. Samkvæmt einfalda líkaninu (jöfnu 3.2) ætti hlutfallið að vera 18%. Ef hluti radonsins er bundinn við glerið þá eru hvorugar beinu mælinganna að mæla heildar radonstykinn í kerfinu. Þá höfum við og A vatn, eftir A 0 = A vatn, fyrir A 0 = L vatn V vatn L vatn (V vatn + V gler ) L vatn V vatn L vatn (V vatn + V gler ) + L sindur V sindur + V loft. (A.8) (A.9) 34

A.4. Bein mæling fyrir og eftir hringbólun Ef A vatn,eftir A vatn,fyrir = 48%, þá er má leysa fyrir V gler : V gler = 630 ml. (A.10) Þessa mælingu er því mögulegt að skýra með nýja líkaninu. 35

B. Matlab forrit Hér má sjá þau Matlab forrit sem notuð voru í fræðilega reikninga í skýrslunni. Fyrra forritið (kallað hér einfalt líkan) er alfarið sköpun Gísla Jónssonar. Hið síðara, endurbætt líkan, er byggt á forriti gísla, en með þeirri viðbót að flutningur úr gleri í vatn fylgir jöfnu 4.1. Einnig var bætt við möguleikanum að fylgjast með ferlinu í hreyfimynd. B.1. Einfalt líkan Lýsing Gísla á forritinu er eftirfarandi: 1 Módelið í tölulegu útreikingunum er einfaldað örlítið frá raunverulegu kerfi. Við hringbólun þá eru notaðir 200 ml af vatni, 15 ml af sindurvökva og 27 ml af lofti í leiðslum og efst í vatnsflöskunni og sindurglasinu. Tölulega módelið er hugsað þannig að loftbóla af ákveðinni stærð ferðast í gegnum vatnið, sindurvökvann og loks í gegnum loftið í kerfinu. Loftbólan nær alltaf radonjafnvægi við vatnið, sindurvökvann og loftið, og þar með færist radonið til, þangað til að jafnvægi næst sem ræðst af Ostwaldsföstunum, L vatn = 0,25 fyrir vatn/loft og L sindur = 13,2 fyrir sindurvökva/loft. Einföldunin felst í því að litið er á loftið í kerfinu sem eina heild sem loftbólan fer í gegnum eftir að hafa farið í gegnum sindurvökvan, en í raunveruleikanum er loftið í kerfinu dreift. Það hefur áhrif hvort þetta loft er staðsett í leiðslunum sem liggja frá vatninu til sindurvökvans, eða leiðslunum sem liggja frá sindurvökvanum til vatnsins en ekki áhrif á lokaremmu. Eins og matlabkóðinn er skrifaður, þá er allt loftið staðsett eftir sindurvökvann og það þýðir að styrkur radons í sindurvökvanum byrjar að vaxa aðeins fyrr en ef loftið væri staðset á undan sinurvökvanum. En raunveruleikinn væri einhversstaðar þarna á milli. En þessi munur er ekki það mikill að hann skipti máli í þeim útreikningum sem gerðir eru og auk þess verður jafnvægisástandið alltaf það sama. 1 (Jónsson, 2003) 37

B. Matlab forrit clear all vatn = 200; % magn vatns i vatnsflosku [ ml] sindur = 15; % magn sindurvokva i sindurglasi [ ml] loft = 0.1; % staerd loftbolu [ ml] rummal (1) = 0; % Heildarrummal bolads lofts [ ml] dauttloft = 27; % magn lofts i hringbolunarkerfinu [ ml] LM = [0]; % magn radons i loftbolunni [ ml] LS = [0]; % styrkur i loftbolunni [ ml] VM = [1]; % magn radons i vatninu [ ml] VS = [ VM/ vatn ]; % styrkur radons i vatninu [ ml] SM = [0]; % magn radons i sindurvokvanum [ ml] SS = [0]; % styrkur radons i sindurvokvanum [ ml] LoftM = [0]; % magn radons i loftinu i kerfinu [ ml] LoftS = [0]; % styrkur radons i loftinu i kerfinu [ ml] i =1; while rummal ( i) < 1500 % bolun gegum vatn % radon leidir ur loftbolu og flyst yfir i vatnid : VM(i) = VM(i)+LM(i); % styrkur radons i vatni reiknadur : VS(i +1) = VM(i)/ vatn ; % radonjafnvaegi loftbolu og vatns : LS(i +1) = 4.0* VS(i +1) ; % radonmagn i loftbolu eftir ad jafnvaegi hefur nadst : LM(i +1) = LS(i +1) * loft ; % Magn radons i vatni eftir ad loftbolan er farin : VM(i +1) = VM(i)-LM(i +1) ; % styrkur radons i vatni eftir ad loftbolan er farin : VS(i +1) = VM(i)/ vatn ; % bolun gegnum sindurvokva % radon leidir ur loftbolu og flyst yfir i sindurvokva : SM(i) = SM(i)+LM(i +1) ; % styrkur radons i sindurvokva reiknadur : SS(i +1) = SM(i)/ sindur ; % radonjafnvaegi loftbolu og sindurvokva : LS(i +1) = SS(i +1) /13.2; % radonmagn i loftbolu eftir ad jafnvaegi hefur nadst : LM(i +1) = LS(i +1) * loft ; 38