Promieniowanie gamma

Trzeci z podstawowych rodzajów promieniowania najbliższy jest potocznemu wyobrażeniu o promieniowaniu jako o energii. W odróżnieniu od promieniowania alfa i beta, które mają strukturę korpuskularną (są strumieniami cząstek) promieniowanie gamma jest falą elektromagnetyczną, tak jak fale radiowe, podczerwień czy ultrafiolet, tylko o znacznie wyższej częstotliwości. Sprzyja to oczywiście błędnemu stawianiu znaku równości między promieniowaniem gamma a mikrofalami, o czym już kilkukrotnie wspominałem [LINK]. Powtórzę raz jeszcze, że mikrofale znajdują się zupełnie przeciwnym końcu widma promieniowania elektromagnetycznego niż promieniowanie gamma, mają też znacznie większą długość fali:

https://www.prorankingi.pl/blog/czy-mikrofalowka-jest-szkodliwa-dla-zdrowia/

W przeciwieństwie do cząstek alfa i beta, mających ładunek elektryczny (odpowiednio: dodatni i ujemny), promieniowanie gamma, jako pozbawione ładunku nie ulega odchyleniu w polu magnetycznym i elektrycznym. 

https://vivadifferences.com/alpha-rays-vs-beta-rays-vs-gamma-rays/

Cechą charakterystyczną promieniowania gamma jest fakt, że nie występuje ono samoistnie. Zwykle towarzyszy emisji alfa albo beta, bądź też jest efektem innych przemian jądrowych. Przykładem może być rozpad alfa ameryku-241, stosowanego w izotopowych czujkach dymu. Oprócz emisji cząstek alfa o energii 5,4 MeV występują też niskoenergetyczne kwanty gamma, głównie 59 keV:

Z kolei kobalt-60, przechodząc rozpad beta-minus do niklu-60, emituje dwa kwanty promieniowania gamma (1,17 i 1,33 MeV), dlatego przyjmuje się średnią energię 1,25 MeV:

Dwa kwanty gamma powstają też przy anihilacji pary pozyton-elektron. Kwanty te rozchodzą się pod kątem 180 stopni od siebie, co jest wykorzystywane w pozytonowej tomografii emisyjnej (PET):

Powrót atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego ma również miejsce w reakcjach rozszczepienia jąder ciężkich (np. uranu lub plutonu) bądź też syntezy jąder lekkich (np. deuteru i trytu w hel). W przypadku rozszczepienia uranu następuje to po pochłonięciu neutronu przez jądro uranu-235. Powstaje wtedy wzbudzone jądro uranu-236 (oznaczone gwiazdką), które rozpada się na tzw. fragmenty rozszczepienia, wypromieniowując nadmiarową energię jako promieniowanie gamma. Poniżej dwie przykładowe reakcje, temat rozszczepienia szerzej omówię w osobnej notce.

http://ilf.fizyka.pw.edu.pl/podrecznik/1/3/7

Promieniowanie gamma jest praktycznie tożsame z promieniowaniem rentgenowskim, od którego różni się jedynie miejscem powstania, powstaje bowiem w jądrze atomu, a nie w wyniku interakcji cząstek naładowanych z powłokami elektronowymi bądź jądrami atomowymi. W lampie rentgenowskiej promieniowanie powstaje na skutek hamowania elektronów, wysyłanych z katody, na anodzie, czyli tarczy z wolframu lub innego ciężkiego pierwiastka:

https://www.4wsk.pl/pl/radiologia/radiologia.html

Rozpędzone elektrony zderzając się z elektronami na wewnętrznych powłokach atomu powodują ich wybicie poza atom. Na opróżnioną w ten sposób powłokę przechodzi elektron z powłoki wyższej. Ponieważ energia elektronów na niższych powłokach jest mniejsza niż na wyższych, nadmiar energii jest wypromieniowywany w postaci kwantów promieniowania rentgenowskiego.

Kiedyś odróżniano te promieniowanie gamma i rentgenowskie na podstawie energii, jednak ich zakresy pokrywają się w pewnym stopniu, jak widać na poniższym diagramie:

https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray#/media/File:X-ray_applications.svg

W praktyce mamy do czynienia z zakresem energii promieniowania gamma 30 keV - 3 MeV i na takie energie reaguje większość typowych liczników Geigera. Widmo energii promieniowania gamma jest monoenergetyczne i powiązane ściśle z danym izotopem, co umożliwia identyfikację za pomocą spektrometrów. Na temat samej spektrometrii pisałem nieco przy okazji recenzji spektrometru µSpect [LINK].

Najbardziej znane emitery promieniowania gamma to kobalt-60, iryd-192 i cez-137. Emisja gamma występuje również w przypadku radu-226 (188 keV), choć w widmie tego izotopu dominują głównie kwanty od jego produktów rozpadu (ołów-214, bizmut-214). 

Interakcja promieniowania gamma z materią zależy od energii promieniowania i liczby atomowej materiału, przez który przechodzą kwanty. Rozpraszanie odbywa się na zasadzie efektu fotoelektrycznego, zjawiska Comptona albo zjawiska tworzenia par:

https://promieniowanie.blogspot.com/2020/05/energia-promieniowania.html

Przenikliwość promieniowania gamma jest nieporównanie większa w stosunku do cząstek alfa i beta, gdyż kwanty gamma słabo oddziałują z materią, a ich działanie jonizujące ma charakter pośredni. 

Cyt. za: Podstawowe wiadomości z zakresu przysposobienia wojskowego (praca zbiorowa), wyd. II popr. i uzup., Wydawnictwo MON, Warszawa 1960

Jako materiały na osłony przed promieniowaniem gamma stosuje się pierwiastki ciężkie, głównie ołów, żelazo i rtęć. Osłony ołowiane mają większą skuteczność osłabiania niż stalowe, są jednak znacznie cięższe i mogą się odkształcać pod własnym ciężarem przy grubszych warstwach. Zwykle wykonuje się je w postaci cegieł łączonych ze sobą na pióro i wpust - poniżej ołowiana kształtka dwudaszkowa o grubości 10 cm i wadze 10 kg:

Z kolei osłony stalowe są samonośne z uwagi na większą twardość stali niż ołowiu, która zapewnia sztywność konstrukcji. 

Jeśli osłony muszą być przezroczyste, np. w wizjerach "komór gorących", wówczas stosuje się szkło ołowiowe, czyli domieszkowane tlenkami ołowiu:

Bardzo skutecznym materiałem osłonnym jest zubożony uran, którego aktywność właściwa jest niewielka, zaś ciężar atomowy znacznie większy niż ołowiu, co przekłada się na wydajność osłabiania. Poniżej porównanie grubości i masy warstwy półchłonnej, czyli osłabiającej promieniowanie o połowę - jak widać, zubożony uran jest bezkonkurencyjny:

https://www.nuclead.com/radiationshielding/

Do pomiaru promieniowania gamma stosujemy wszystkie rodzaje detektorów, przy czym wydajność liczników scyntylacyjnych (głównie jodek sodu i jodek cezu) jest znacznie większa niż liczników Geigera-Mullera. Liczniki G-M, pomimo niskiej wydajności dla promieniowania gamma (zaledwie 1%) są mimo to powszechnie stosowane z racji niskiej ceny i prostoty układu konstrukcyjnego. Ostatnio jednak zyskały konkurencję w postaci detektorów półprzewodnikowych, mających znacznie mniejsze wymiary przy lepszej wydajności.

W dozymetrii promieniowania gamma i rentgenowskiego do niedawna główną rolę odgrywała dawka ekspozycyjna, czyli zdolność promieniowania do jonizowania powietrza. Wyrażano ją w pozaukładowej jednostce, zwanej rentgenem (R), lub rzadziej w układowych - kulombach na kilogram (C/kg). Dawka ekspozycyjna dotyczyła tylko promieniowania gamma lub rentgenowskiego. Obecnie dawka ekspozycyjna straciła znaczenie na rzecz dawki pochłoniętej i równoważnika dawki. Dawka pochłonięta oznacza ilość energii przekazanej określonej masie materii i wyraża się ją w grejach (1 Gy =  1 J/lg). Z kolei równoważnik dawki, mierzony w siwertach (Sv) uwzględnia biologiczne działanie promieniowania w efekcie pomnożenia dawki pochłoniętej przez współczynnik jakości (QF) danego rodzaju promieniowania. Promieniowanie gamma ma ten współczynnik równy 1, zatem można przyjąć, że 1 Gy promieniowania gamma odpowiada 1 Sv.

  

***

Zastosowanie promieniowania gamma i rentgenowskiego opiera się przede wszystkim na zastosowaniu jego wysokiej przenikliwości oraz działania biobójczego.  Będą to:

• prześwietlenia w diagnostyce medycznej (zdjęcia rentgenowskie, fluoroskopia) i technicznej (defektoskopia)
• sterylizacja żywności i wyrobów medycznych
• radioterapia (brachyterapia, teleradioterapia, nóż gamma)
• diagnostyka radioizotopowa (scyntygrafia, PET)
• izotopowa aparatura pomiarowo-kontrolna (wskaźniki poziomu, przekaźniki, wagi izotopowe, grubościomierze)

Źródła izotopowe promieniowania gamma ma tą przewagę nad lampami rentgenowskimi, że nie wymagają zewnętrznego źródło energii, a moc dawki można zwiększać do bardzo wysokich poziomów, instalując po prostu silniejsze źródło. Jedynym ograniczeniem jest grubość osłony, niezbędna do zapewnienia bezpieczeństwa podczas transportu. Z kolei lampa rentgenowska wymaga prądu zarówno do działania, jak i do chłodzenia, zaś pobór energii rośnie znacznie wraz z mocą. Źródło izotopowe może być zupełnie pozbawione zasilania niezależnie od aktywności, wystarczy mechaniczny lub pneumatyczny układ otwierający osłonę z odległości bezpiecznej dla osób obsługujących. Jedyny problem, jaki może tu powstać, to zablokowanie się źródła przy otwartej osłonie. Z drugiej strony brak możliwości przerwania emisji promieniowania ogranicza nieco zastosowanie źródeł izotopowych ze względów bezpieczeństwa. Lampa rentgenowska umożliwia też w pewnym zakresie regulację energii generowanego promieniowania przez zwiększanie napięcia na lampie, źródła izotopowe zaś emitują promieniowanie o stałej energii, charakterystycznej dla danego izotopu, zwykle cezu-137, irydu-192 lub kobaltu-60.

Dla odróżnienia, czy źródło promieniowania można wyłączyć, czy też nie, zastosowano odmienne kolory symbolu "koniczynki" - czerwony dla źródeł izotopowych, czarny dla źródeł niebędących izotopami (lampy rentgenowskie, cyklotrony itp).

W "codziennej dozymetrii" praktycznie nie będziemy mieli do czynienia z czystym promieniowaniem gamma, chyba że natkniemy się na skradzione źródło izotopowe. Pierwiastki promieniotwórcze występujące w wyrobach codziennego użytku czy w minerałach (uran, rad, tor) emitują mieszaninę promieniowania alfa, beta oraz gamma o różnych energiach, pochodzącego zarówno od macierzystego izotopu, jak i od jego produktów rozpadu. Promieniowanie gamma stanowi zaledwie niewielki fragment łącznej emisji, ale dość wyraźny. Z kolei ze stosunku łącznej emisji do samej emisji gamma niekiedy możemy ustalić, z jakim izotopem mamy do czynienia - w przypadku toru-232 stosunek ten będzie wynosił 1:10.