Siatka Auera - dogodne źródło promieniowania

Gdy zaczynamy przygodę z dozymetrią i mamy swój pierwszy dozymetr, zwykle chcemy go od razu przetestować na jakimś źródle promieniowania. Skąd jednak je wziąć, jeśli nie pracujemy w instytucji związanej z fizyką jądrową? Otóż w naszym otoczeniu znajduje się prawie 20 przedmiotów, mogących służyć do testowania aparatury dozymetrycznej [LINK], jednak najdogodniejsze są stare siateczki żarowe do lamp gazowych, zwane też koszulkami Auera.

Koszulki takie wykonane były z bawełny nasyconej związkami toru i ceru. Po założeniu jej na palnik lampy i zapaleniu gazu bawełna ulega spaleniu, pozostawiając delikatną skorupę kryształków dwutlenku toru i dwutlenku ceru. Ta skorupa rozżarza się w płomieniu gazu, dając intensywne białe światło. Więcej na ten temat pisałem w osobnej notce [LINK], tutaj więc przedstawię jedynie  wygląd koszulki przed pierwszym zapaleniem, podczas wypalania bawełny oraz gotowego wypalonego żarnika.

Niektóre siatki wypalano fabrycznie i sprzedawano w postaci kopułek lub rękawów, były one jednak bardzo kruche i obecnie występują dość rzadko.

Obecność toru-232 powoduje, że siateczki te wykazują dającą się zmierzyć radioaktywność, choć są to dawki zacznie poniżej wartości szkodliwych dla człowieka. Niska jest zarówno moc dawki, jak i energia promieniowania. Istnieje jednak możliwość skażenia radioaktywnym pyłem w przypadku pęknięcia już wypalonej siateczki, dlatego też w obecnie produkowanych koszulkach stosuje się nieradioaktywny cyrkon oraz itr. Zatem do celów dozymetrycznych nadają się jedynie siateczki ze starej produkcji, wyprodukowane do końca lat 80. Zwykle dołączano je do turystycznych lamp gazowych typu "Ala", "Kinga", "Lux", "Aladyn", GL-3, GL-5 itp. lub sprzedawano w opakowaniach zbiorczych po 24 sztuki. 

Jako źródło promieniowania koszulki żarowe mają bardzo wiele zalet. Przede wszystkim emitują wszystkie trzy rodzaje promieniowania - alfa, beta i gamma - gdyż oprócz toru-232 zawierają jego produkty rozpadu z torowego szeregu promieniotwórczego. 

https://www.nuclear-power.net/wp-content/uploads/2018/10/thorium-series-decay-chain.png

Oznacza to, że mogą być stosowane do testowania różnych typów detektorów, w tym scyntylacyjnych, czułych jedynie na określony rodzaj promieniowania - np. ZnS(Ag) wykrywający tylko emisję alfa, albo plastikowych na promieniowanie beta.
Energia promieniowania gamma emitowanego przez tor-232 jest większa niż w przypadku uranu-238 i 235, zawartego m.in. w ceramice uranowej, zatem zostanie wykryta również przez dozymetry z osłoniętym detektorem, który mierzy jedynie emisję gamma.  Będą to m.in.  Biełła, Fon, Raton-901, Jupiter SIM-05 i cała reszta prostych dozymetrów poczarnobylskich. Energia emisji gamma jest jednak mniejsza niż w przypadku radu, zatem łatwiej taką siateczkę bezpiecznie przechowywać, wystarczy w tym celu blaszane pudełeczko Nie ma też ekshalacji radonu, a emisję toronu można pominąć, co udowodniłem doświadczalnie (LINK). Jeśli mamy radiometr beta-gamma ze zdejmowaną klapką-filtrem (Polaron Pripyat', ANRI Sosna, RKSB-104, RK-67), możemy zmierzyć procentowy stosunek emisji gamma do beta, który dla toru-232 powinien wynosić mniej więcej 1:10. Jeśli proporcja ta jest zaburzona i odczytujemy zbyt duży lub zbyt mały wynik z zamkniętą klapką, wówczas nasz dozymetr ma albo za cienki, albo za gruby filtr. Wartości referencyjne dla najpowszechniej występujących dozymetrów przytoczę w dalszej  części notki.

Tor-232 i jego produkty rozpadu ma dosyć charakterystyczne widmo energii promieniowania, co umożliwia zastosowanie tych koszulek jako źródła do kalibrowania spektrometrów gamma. Mniejsza gęstość materiału w porównaniu z elektrodami i soczewkami zawierającymi tor przekłada się na wyraźniejsze widmo, z mniejszą liczbą szumów wywołanych rozpraszaniem comptonowskim oraz większą wysokością słabszych pików. Poniżej spektrum Th-232 w skali liniowej:

i półlogarytmicznej (źródło, wraz z wyszczególnionymi wszystkimi energiami produktów rozpadu, na tej stronie: https://www.gammaspectacular.com/blue/th232-spectrum )

Porównanie wysokości niskoenergetycznych pików z siatki (jasne) i soczewki:

Posiadanie większej liczby siateczek rozszerza możliwości testowania dozymetru, gdyż dokładanie kolejnych powoduje zwiększanie mierzonej mocy dawki, oczywiście do pewnej granicy. Później dochodzi samoabsorbcja w źródle, osłabiająca promieniowanie, a  z drugiej strony - promieniowanie rozproszone. Poniżej pomiar emisji łącznej gamma+beta coraz większej liczby siatek GL-3 za pomocą dozymetru ANRI Sosna o dwóch blisko rozstawionych licznikach G-M:

1. 2,48
2. 3,6
3. 4,5
4. 5,1
5. powyżej 4 siateczek wynik oscyluje wokół 5 mR/h albo nawet nieco spada

Gdy mierzymy samą emisję gamma, szereg nieco się wydłuża, ale przyrost powyżej 5. siateczki jest minimalny:

1. 0,110
2. 0,157
3. 0,195
4. 0,235
5. 0,303
6. 0,328
7. 0,337
8. 0,344

Kolejną serię pomiarów wykonałem radiometrem scyntylacyjnym SRP-68, który ma wyjątkowo dużą wydajność pomiaru promieniowania gamma. Do testów użyłem aż 20 koszulek:

Kolejną zaletą koszulek Auera jest płaski kształt i elastyczność tkaniny. Umożliwia to wręcz owinięcie siateczką detektora, co daje geometrię układu pomiarowego zbliżoną do 4 pi i zwiększa wydajność pomiaru w stosunku do zwykle  stosowanego układu 2 pi.
Płaski kształt siateczek przydaje się też przy robieniu tzw. autoradiogramów, czyli obrazów fotograficznych powstających w materiale światłoczułym pod wpływem promieniowania, głównie cząstek alfa [LINK]. Siateczkę kładziemy na papier fotograficzny, przyciskamy płaskim ciężarkiem i zamykamy w światłoszczelnym pudełku na 3-4 miesiące. Potem wywołujemy jak normalną odbitkę w ręcznym procesie czarno-białym. Do tego celu lepsze są siateczki ze ściągaczem umieszczonym na jednym końcu, a nie centralnie, gdyż łatwiej je równo docisnąć, niestety są trudniejsze do nabycia. Centralny ściągacz, jak widać, wybrzusza papier fotograficzny i powoduje powstanie nieostrego obrazu:

W Polsce najczęściej spotykane są koszulki brytyjskiej firmy Valor Ltd z Londynu, importowane przez Centralę Handlu Zagranicznego "Universal" i oznaczane jako GL-3. Pakowane są w celofan z karteczką informującą o producencie i importerze.

Występują też austriackie marki "Luxor" z charakterystycznym zielonym lwem na papierowym opakowaniu. Często są do nich przypinane zszywaczem karteczki z polskim numerem katalogowym (GL-1) i datą konfekcjonowania.

Zerknijmy teraz na właściwości najpopularniejszych u nas koszulek, czyli wspomnianych GL-3 firmy "Valor". Średnica waha się między 7 a 8 cm, obszar w pobliżu ściągacza, mocującego koszulkę na palniku, jest barwiony na różowo, w starszych egzemplarzach kolor wypłowiał: 

Moc dawki gamma oraz beta+gamma mierzona typowymi dostępnymi w Polsce radiometrami beta-gamma wynosi:

• ANRI Sosna (2 liczniki blisko siebie) - 0,107/2,97 mR/h
• ANRI Sosna (2 liczniki rozstawione) - 0,084/2,32 mR/h
• Polaron Pripyat - 1,2/30 µSv/h
• RK-67 - 0,2/3 mR/h
• RK-21-1-C - poniżej progu/0,002-0,003 mGy/h

Przyrządy mierzące jedynie łączną moc dawki lub tylko emisję gamma:

• RKP-1-2 - 220 cps (beta+gamma)
• EKO-C 60/350 cps, 3,5/23 µSv/h (gamma/alfa+beta+gamma)
• KB4011 - 3,6 µSv/h (gamma)
• Soeks Ecovisor F4 - 9,6 µSv/h (beta+gamma)
• Radiatex MRD-2 - 5,8 µSv/h (gamma i częściowo beta)
• MS-04B Expert - 0,93/12,36 (gamma/alfa+beta+gamma)

Prezentowane wyniki mogą różnić się pomiędzy poszczególnymi egzemplarzami dozymetrów, głównie z uwagi na błąd pomiaru, wynoszący, zależnie od klasy przyrządu, między 10 a 30 % (w najprostszych indykatorach nawet i 50%). W przypadku różnych modeli mierników dochodzą różnice spowodowane rodzajem i liczbą detektorów, sposobu ich zamontowania w przyrządzie, rozmiarem okienka pomiarowego itp.

Moc dawki emitowana przez siatki Auera zależy przede wszystkim od zawartości związków toru w materiale siatki, jak również od jej wielkości. Rozmiary podawane są zwykle w zakresach, z dodatkowym oznaczeniem literowym CP. Najpopularniejszy to 200-300 CP, odpowiadający wspomnianym siateczkom GL-3. W obrębie jednego rozmiaru różnice aktywności zwykle są niewielkie, choć zdarzają się wyjątki: siatki 200-300 CP firmy "Todi" dawały zaledwie 200 cps na monitorze EKO-C, zaś 200-300 CP "Nightsun" aż 300! Tak duże różnice w obrębie tego samego rozmiaru wynikać mogły jedynie z mniejszej zawartości Th-232 w siateczce.

Z kolei dużo większe siatki "Butterfly" (300-400 CP) dawały odczyt rzędu 400 cps, a w mocy dawki 4 i 40 µSv/h. Większy rozmiar siateczek przydaje się przy testowaniu monitorów skażeń, mających dużą powierzchnię okienka pomiarowego, do wszystkich innych zastosowań wystarczy w zupełności 200-300 CP.
Szukając siateczek uważajmy na produkowane współcześnie, które nie  zawierają toru, tylko cyrkon i itr. Można je rozpoznać po współczesnym wzornictwie opakowania, często też są oznaczane przekreślonym symbolem promieniowania. Poniżej współczesna koszulka Luxor porównana ze starszą produkcją:

Na sam koniec kwestia bezpieczeństwa. Jeżeli chodzi o promieniowanie, to nie jest ono groźne dla zdrowia przy okazjonalnym kontakcie, czyli np. wzięciu do ręki podczas pomiaru. Należy oczywiście unikać noszenia w kieszeni czy przebywania w bezpośredniej bliskości, szczególnie jeśli mamy całą paczkę tych koszulek.
Inną kwestią jest możliwość skażenia przez drobiny Th-232 osypujące się z siateczek. Dlatego też najlepiej przechowywać je w woreczkach strunowych, czy wręcz zafoliować przy pomocy zgrzewarki. Jeśli musimy dotykać siateczki wyjętej z opakowania, róbmy to w gumowych rękawiczkach, a po pracy umyjmy ręce. Generalnie siateczek lepiej w ogóle nie wyjmować z folii, jednak jeśli mierzymy aktywność alfa detektorem scyntylacyjnym albo chcemy zrobić autoradiogram, nie mamy innego wyjścia.
Najbardziej jednak trzeba uważać na siateczki, które są już zamontowane i wypalone na palniku lampy gazowej. Ich struktura jest bardzo delikatna i wyjątkowo łatwo się kruszą, prowadząc do skażenia. Jeśli mamy taką lampę z resztkami siateczki albo z uszkodzoną siateczką, zalecam ostrożnie usunąć pozostałości pod wodą i całą lampę wielokrotnie przepłukać, a następnie gruntownie wysuszyć [LINK]

Jeżeli trafiliście na jakieś ciekawe wzory koszulek żarowych, wyróżniające się kształtem, wielkością, mocą dawki lub producentem, dajcie znać w komentarzach.