Energia emitowanego promieniowania jest jednym z najważniejszych parametrów charakteryzujących dany izotop promieniotwórczy, obok aktywności właściwej i stałej jonizacyjnej. Wyraża się ją w elektronowoltach. Jeden elektronowolt (eV) jest to energia, jaką otrzymuje lub traci elektron przemieszczający się w polu elektrycznym o różnicy potencjałów 1 V. Jest to bardzo mała jednostka, zatem w fizyce jądrowej najczęściej posługujemy się wielokrotnościami - kiloelektronowoltami (keV) i megaelektronowoltami (MeV, potocznie zwany "mewą"). Od energii promieniowania zależy jego przenikliwość, a co za tym idzie, grubość ścianki detektora, którym mamy je zmierzyć, oraz grubość osłony, mającej nas przed nim chronić. Jednak oprócz samej energii promieniowania dla obliczenia jego przenikliwości istotny jest rodzaj promieniowania - alfa, beta lub gamma (dla uproszczenia pomijam promieniowanie neutronowe i protonowe). Poszczególne rodzaje promieniowania powstają na skutek różnych przemian jądrowych i diametralnie różnią się właściwościami.
Energie cząstek alfa zaczynają się od 1,8 MeV, (https://application.wiley-vch.de/books/info/0-471-35633-6/toi99/www/decay/table3.pdf ) choć większość nuklidów zawiera się między 4 a 6 MeV, zmałymi wyjątkami między 6,5 a 8 MeV:
W powyższym wykazie brakuje radu-226, który ma energię cząstek alfa rzędu 4,7 MeV i polonu-210 (5,4 MeV). Energie polonu-214, radu-226 i radonu-222 widzimy tutaj:
Energia cząstek beta zaś zamyka się w przedziale 18 keV - 2 MeV, z kolei kwantów gamma 30 keV - 3 MeV. Pamiętajmy jednak, że energii tych rodzajów promieniowania nie można porównywać bezpośrednio z uwagi na ich zupełnie inną naturę. Cząstki alfa to jądra helu (2 protony, 2 neutrony), które bardzo silnie jonizują materię i maja w niej niewielki zasięg. Cząstki beta to elektrony, znacznie bardziej przenikliwe, choć nadal łatwe do zatrzymania, zaś promieniowanie gamma to fala elektromagnetyczna i jej przenikliwość jest najwyższa z tych trzech rodzajów. Dlatego też promieniowanie alfa, nawet o energii 5 MeV będzie przez swą naturę miało znacznie mniejszą przenikliwość niż beta o energii 1,7 MeV, czy gamma 0,6 MeV.
Energia promieniowania ma wpływ, na zasięg w różnych ośrodkach (powietrze, metal, tkanki), łatwość powstawania promieniowania rozproszonego i hamowania oraz aktywacji niektórych pierwiastków. Ma to kluczowe znaczenie zarówno w ochronie radiologicznej, jak i w dozymetrii.
Szczególnie przy pomiarach istotne jest dobranie grubości ścianki detektora do energii i rodzaju mierzonego promieniowania. Promieniowanie gamma o energiach od 30 keV do 1,5 MeV można mierzyć zwykłymi metalowymi cylindrycznymi licznikami Geigera o gęstości powierzchniowej ścianki 40-50 mg/cm2. Mierzą one też promieniowanie beta od 500 keV. Starsze szklane liczniki ze ścianką 70 mg/cm2 mierzą emisję beta dopiero od 700 keV. Specjalne okienkowe liczniki z okienkiem mikowym 4 mg/cm2 mierzą betę od 100 keV. Aby mierzyć promieniowanie alfa, potrzebna jest grubość ok. 1 mg/cm2, a i tak mierzone będą cząstki od 4 MeV w górę.
Sytuację na szczęście ułatwia fakt, że wiele izotopów emituje kilka rodzajów promieniowania (zwykle alfa i gamma lub beta i gamma), a do tego dochodzi emisja produktów rozpadu, zatem zawsze któreś promieniowanie danej próbki będzie możliwe do zmierzenia naszym detektorem. Dobrym przykładem jest radon, który choć emituje tylko cząstki alfa, to jego produkty rozpadu wysyłają kwanty gamma możliwe do zmierzenia typowym cylindrycznym licznikiem G-M - stosowny eksperyment można obejrzeć TUTAJ.
 |
| https://www.env.go.jp/en/chemi/rhm/basic-info/1st/01-03-01.html |
Energie cząstek alfa zaczynają się od 1,8 MeV, (https://application.wiley-vch.de/books/info/0-471-35633-6/toi99/www/decay/table3.pdf ) choć większość nuklidów zawiera się między 4 a 6 MeV, zmałymi wyjątkami między 6,5 a 8 MeV:
W powyższym wykazie brakuje radu-226, który ma energię cząstek alfa rzędu 4,7 MeV i polonu-210 (5,4 MeV). Energie polonu-214, radu-226 i radonu-222 widzimy tutaj:
Energia cząstek beta zaś zamyka się w przedziale 18 keV - 2 MeV, z kolei kwantów gamma 30 keV - 3 MeV. Pamiętajmy jednak, że energii tych rodzajów promieniowania nie można porównywać bezpośrednio z uwagi na ich zupełnie inną naturę. Cząstki alfa to jądra helu (2 protony, 2 neutrony), które bardzo silnie jonizują materię i maja w niej niewielki zasięg. Cząstki beta to elektrony, znacznie bardziej przenikliwe, choć nadal łatwe do zatrzymania, zaś promieniowanie gamma to fala elektromagnetyczna i jej przenikliwość jest najwyższa z tych trzech rodzajów. Dlatego też promieniowanie alfa, nawet o energii 5 MeV będzie przez swą naturę miało znacznie mniejszą przenikliwość niż beta o energii 1,7 MeV, czy gamma 0,6 MeV.
Energia promieniowania ma wpływ, na zasięg w różnych ośrodkach (powietrze, metal, tkanki), łatwość powstawania promieniowania rozproszonego i hamowania oraz aktywacji niektórych pierwiastków. Ma to kluczowe znaczenie zarówno w ochronie radiologicznej, jak i w dozymetrii.
Szczególnie przy pomiarach istotne jest dobranie grubości ścianki detektora do energii i rodzaju mierzonego promieniowania. Promieniowanie gamma o energiach od 30 keV do 1,5 MeV można mierzyć zwykłymi metalowymi cylindrycznymi licznikami Geigera o gęstości powierzchniowej ścianki 40-50 mg/cm2. Mierzą one też promieniowanie beta od 500 keV. Starsze szklane liczniki ze ścianką 70 mg/cm2 mierzą emisję beta dopiero od 700 keV. Specjalne okienkowe liczniki z okienkiem mikowym 4 mg/cm2 mierzą betę od 100 keV. Aby mierzyć promieniowanie alfa, potrzebna jest grubość ok. 1 mg/cm2, a i tak mierzone będą cząstki od 4 MeV w górę.
Sytuację na szczęście ułatwia fakt, że wiele izotopów emituje kilka rodzajów promieniowania (zwykle alfa i gamma lub beta i gamma), a do tego dochodzi emisja produktów rozpadu, zatem zawsze któreś promieniowanie danej próbki będzie możliwe do zmierzenia naszym detektorem. Dobrym przykładem jest radon, który choć emituje tylko cząstki alfa, to jego produkty rozpadu wysyłają kwanty gamma możliwe do zmierzenia typowym cylindrycznym licznikiem G-M - stosowny eksperyment można obejrzeć TUTAJ.
***
Promieniowanie gamma jest najmniej osłabiane przez materię i wpływ energii na przenikliwość jest tutaj najmniejszy. Różnice występują w mechanizmie osłabiania. Przy absorbentach o najniższych liczbach atomowych (Z) występuje praktycznie tylko efekt Comptona, niezależnie od energii. Powyżej 0,1 MeV i Z=20 przeważa efekt fotoelektryczny. Zjawisko tworzenia par przeważa przy energiach powyżej 10 MeV i Z>20, ale z takimi energiami trudno mieć styczność w codziennym życiu. Warto też wspomnieć, że tak wysokie energie kwantów gamma mogą nawet doprowadzić do aktywacji niektórych pierwiastków, czyli tworzenia nuklidów radioaktywnych. Temat ten rozwinę w osobnej notce.
Ponieważ poszczególne izotopy emitujące promieniowanie gamma mają ściśle przypisane energie emitowanych kwantów, zatem możliwa jest ich identyfikacja za pomocą spektrometrów. Poniżej spektrogramy radu-226 zawartego w farbach świecących starego typu - widać wyraźnie piki zarówno samego radu, jak i jego produktów rozpadu:
Poniżej energie promieniowania najczęściej spotykanych izotopów gamma-aktywnych:
- cez-137 - 0,662 MeV
- kobalt-60 - 1,17 i 1,33 MeV (emituje też promieniowanie beta 0,31 MeV i śladowo 1.48 MeV)
- jod-131 - 365 keV (81,7%), 637 keV (7,2%) i 284 keV (6,1%) oraz beta - patrz niżej
- Wszystkie izotopy uszeregowane wg energii - https://www.cpp.edu/~pbsiegel/bio431/genergies.html
Jeżeli izotop emituje kwanty o różnych energiach, przyjmuje się wartość średnią. Dla kobaltu-60 będzie to 1,25 MeV. Z kolei na spektrogramach poszczególne piki od tego samego izotopu nakładają się na siebie, tworząc pik sumaryczny - dla kobaltu powstaje pik 2,5 MeV. Stwarza to problemy podczas identyfikacji izotopów z próbek o bardziej złożonych składach, należy wówczas dążyć do radiochemicznego rozdzielenia izotopów przed pomiarem.
Zerknijmy jeszcze na promieniowanie rentgenowskie, które ma taką samą naturę, jak promienie gamma, powstaje jednak w inny sposób - wskutek reakcji rozpędzonych elektronów z powłokami elektronowymi pierwiastków ciężkich.
W tym przypadku energia promieniowania zależy od energii elektronów bombardujących "tarczę" w lampie rentgenowskiej, czyli od napięcia na lampie, mierzonego w kilowoltach.
***
W przypadku izotopów beta-aktywnych, widmo ma charakter ciągły, o energii cząstek od zera do wartości maksymalnej, a najwięcej cząstek przypada na 1/3 widma. Przykłady maksymalnej energii cząstek beta najpowszechniej występujących izotopów:
- tryt - 18 keV
- węgiel-14 - 156,5 keV
- stront-90 - 546 keV
- itr-90 (produkt rozpadu Sr-90) - 2,28 MeV
- jod-131 - 606 keV (oraz gamma - zob. wyżej)
- Wszystkie izotopy beta-aktywne - http://homepages.cae.wisc.edu/~blanchar/purebeta.htm
Energia cząstek beta ma istotny wpływ na ich zasięg w tkance, a co za tym idzie, również szkodliwość biologiczną. Jak widać, emisja węgla-14 praktycznie nie pokonuje naskórka, cząstki beta z fosforu-32 penetrują tkankę na głębokość 8 mm, a zasięg wysokoenergetycznych kwantów gamma z kobaltu-60 jest nieporównanie większy:
 |
| http://www.ilocis.org/documents/chpt48e.htm |
 |
| Źródło |
***
Energia promieniowania gamma odgrywa istotną rolę przy pomiarach za pomocą radiometrów wykorzystujących licznik Geigera. Są one zwykle kalibrowane dla energii cezu-137 lub kobaltu-60, zatem w okolicach tych energii wykazują największą czułość. Charakterystyka czułości poszczególnych liczników ma kształt krzywej, mającej jedno lub więcej maksimów. Zwykle czułość liczników Geigera na słabsze promieniowanie jest paradoksalnie wybitnie wyższa niż na silne, stąd konieczność owinięcia licznika folią ołowianą.
Folia ta znacznie osłabia niskoenergetyczne promieniowanie, przepuszczając większość mocniejszego, zatem liczba uzyskanych impulsów przy danej mocy dawki jest podobna zarówno przy pomiarze promieniowania słabego, jak i silnego. Bez tej folii "miękkie" promieniowanie dawałoby nadmiernie zawyżone odczyty. Oczywiście odbywa się to kosztem odcięcia najsłabszego promieniowania gamma oraz większości emisji beta. Ale mimo to, mierząc licznikiem Geigera promieniowanie izotopów o innych energiach niż wzorca kalibracyjnego, należy liczyć się ze znacznym błędem pomiaru, nawet rzędu kilkudziesięciu procent. Dlatego też pomiar promieniowania o nieznanym widmie może mieć jedynie charakter orientacyjny. Instrukcje obsługi dozymetrów podają zwykle zależność wyniku pomiaru od odchylenia energii mierzonego promieniowania względem energii cezu-137 lub kobaltu-60. Warto pamiętać o wspomnianej charakterystyce energetycznej licznika GM, zanim zdecydujemy się odwinąć ołowianą folię z licznika. Oczywiście uzyskamy większą czułość, jednak kosztem znacznych przekłamań wyników. Problem nie dotyczy dozymetrów ze zdejmowaną osłoną liczników, tylko prostych kieszonkowych przyrządów, fabrycznie przystosowanych do pomiaru tylko emisji gamma. Temat jeszcze poruszę przy okazji błędów pomiarowych aparatury dozymetrycznej.
Jeżeli chodzi o wpływ energii promieniowania na jego skuteczność biologiczną, to przy obliczeniach zwykle jest on pomijany. Współczynnik wagowy promieniowania, ukazujący biologiczne działanie danej dawki promieniowania określonego typu, jest niezależny od energii:
Wydaje się to być sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, natomiast podejrzewam, że ma uzasadnienie praktyczne. W większości przypadków energia promieniowania jest albo nieznana, albo widmo ma charakter złożony, obejmujące zarówno główny izotop, jak również jego produkty rozpadu. Ma to miejsce np. w przypadku pierwiastków z trzech głównych szeregów promieniotwórczych. Do celów obliczeniowych można przyjąć umowną, średnią energię promieniowania i przypisać jej współczynnik wagowy 1.
W radzieckiej publikacji B.W. Polenowa Dozimetriczeskije pribory dlja nasielienija (Moskwa 1991) spotkałem się z dwiema wartościami współczynnika wagowego dla emisji gamma: przy energii kwantów powyżej 1 MeV wynosił on 1, zaś przy 5 keV, czyli przy najniższej z energii - 2,6. Potwierdzałoby to tezę o silniejszym działaniu słabszych kwantów gamma, zarówno na licznik Geigera, jak i na ciało człowieka.
Folia ta znacznie osłabia niskoenergetyczne promieniowanie, przepuszczając większość mocniejszego, zatem liczba uzyskanych impulsów przy danej mocy dawki jest podobna zarówno przy pomiarze promieniowania słabego, jak i silnego. Bez tej folii "miękkie" promieniowanie dawałoby nadmiernie zawyżone odczyty. Oczywiście odbywa się to kosztem odcięcia najsłabszego promieniowania gamma oraz większości emisji beta. Ale mimo to, mierząc licznikiem Geigera promieniowanie izotopów o innych energiach niż wzorca kalibracyjnego, należy liczyć się ze znacznym błędem pomiaru, nawet rzędu kilkudziesięciu procent. Dlatego też pomiar promieniowania o nieznanym widmie może mieć jedynie charakter orientacyjny. Instrukcje obsługi dozymetrów podają zwykle zależność wyniku pomiaru od odchylenia energii mierzonego promieniowania względem energii cezu-137 lub kobaltu-60. Warto pamiętać o wspomnianej charakterystyce energetycznej licznika GM, zanim zdecydujemy się odwinąć ołowianą folię z licznika. Oczywiście uzyskamy większą czułość, jednak kosztem znacznych przekłamań wyników. Problem nie dotyczy dozymetrów ze zdejmowaną osłoną liczników, tylko prostych kieszonkowych przyrządów, fabrycznie przystosowanych do pomiaru tylko emisji gamma. Temat jeszcze poruszę przy okazji błędów pomiarowych aparatury dozymetrycznej.
Jeżeli chodzi o wpływ energii promieniowania na jego skuteczność biologiczną, to przy obliczeniach zwykle jest on pomijany. Współczynnik wagowy promieniowania, ukazujący biologiczne działanie danej dawki promieniowania określonego typu, jest niezależny od energii:
 |
| https://slideplayer.pl/slide/5651143/ |
Wydaje się to być sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, natomiast podejrzewam, że ma uzasadnienie praktyczne. W większości przypadków energia promieniowania jest albo nieznana, albo widmo ma charakter złożony, obejmujące zarówno główny izotop, jak również jego produkty rozpadu. Ma to miejsce np. w przypadku pierwiastków z trzech głównych szeregów promieniotwórczych. Do celów obliczeniowych można przyjąć umowną, średnią energię promieniowania i przypisać jej współczynnik wagowy 1.
W radzieckiej publikacji B.W. Polenowa Dozimetriczeskije pribory dlja nasielienija (Moskwa 1991) spotkałem się z dwiema wartościami współczynnika wagowego dla emisji gamma: przy energii kwantów powyżej 1 MeV wynosił on 1, zaś przy 5 keV, czyli przy najniższej z energii - 2,6. Potwierdzałoby to tezę o silniejszym działaniu słabszych kwantów gamma, zarówno na licznik Geigera, jak i na ciało człowieka.
Bardzo dobry artykuł ! Ja "współczynnik wagowy" tłumaczę sobie trochę inaczej. A mianowicie chodzi o wpływ promieniowania w momencie gdy jego emiter wniknął do organizmu. Wtedy cząstki alfa są najgroźniejsze. Być może jest to tylko zbieżność liczb, ale w https://en.wikipedia.org/wiki/Alpha_particle#Biological_effects jest napisane, że cząstki alfa średnio 20 razy bardziej uszkadzają chromosomy niż ekwiwalent promieniowania gama/beta. Taka sama wartość wynika z podzielenia współczynnika wagowego cząstek alfa przez współczynnik fotonów/gamma.
OdpowiedzUsuń