25 września, 2021

Pomiar promieniowania beta

Promieniowanie beta stanowi strumień elektronów, czyli cząstek elementarnych o ujemnym ładunku elektrycznym. Jego przenikliwość jest znacznie większa niż cząstek alfa - w powietrzu mogą pokonać nawet kilka metrów, w ciele człowieka zaś kilka centymetrów, zatrzyma je dopiero blacha aluminiowa lub szkło, są jednak mniej przenikliwe niż kwanty promieniowania gamma [LINK].

Źródło - LINK


Do pomiaru promieniowania beta stosuje się głównie liczniki Geigera-Mullera, które z zasady mają bardzo wysoką wydajność pomiaru tej emisji, rzędu 99%, w odróżnieniu od 1% dla promieniowania gamma [LINK]. Mogą to być:

  • metalowe liczniki cylindryczne (STS-5, STS-6, SBM-19, SBM-20, BOI-33, BOI-53), wykrywające cząstki beta o energii powyżej 500 keV, 
  • szklane liczniki cylindryczne (BOB-33A, M4011), czułe na silną emisję, powyżej 700 keV,
  • liczniki okienkowe (BOH-45, SBT-10A, Beta-1, Beta-2, LND-7317), których czułość zależy od grubości okienka mikowego (16-200 keV).

Stosować też można odpowiednie scyntylatory plastikowe. Problem pojawia się dopiero przy jednostkach pomiaru. Jakkolwiek teoretycznie możliwe jest mierzenie promieniowania beta w jednostkach równoważnika mocy dawki, to z uwagi na zróżnicowane energie różnych izotopów beta-aktywnych taki pomiar byłby zupełnie niemiarodajny. 

Najbardziej wiarygodny jest "surowy" pomiar liczby impulsów na sekundę (cps) lub na minutę (cpm) zliczonych przez detektor. Na tej podstawie, znając powierzchnię detektora i współczynnik kalibracyjny dla danego izotopu, możemy obliczyć aktywność powierzchniową w Bq/cm2. Wymaga to oczywiście wiedzy, jaki izotop mierzymy, oraz wyznaczenia współczynnika kalibracyjnego dla tego nuklidu w danym dozymetrze. Konieczna jest więc kalibracja w laboratorium posiadającym odpowiednie źródła, m.in. CLOR [LINK].

https://www.ifj.edu.pl/badania/przeglady-naukowe/2009-2010/presentations/laboratoria/lwpd.pdf


Dzięki temu będziemy wiedzieć, że dla izotopu X częstość zliczania 10 cps oznacza aktywność powierzchniową 5 Bq/cm2, zaś dla izotopu Y częstość zliczania 15 cps przekłada się na aktywność 8 Bq/cm2. Pozwoli to wyznaczyć tzw. współczynnik kalibracyjny, czyli stosunek liczby impulsów do jednostki, w której chcemy wykalibrować miernik, w tym wypadku aktywności Jest to sytuacja idealna, z którą rzadko będziemy mieli do czynienia, szczególnie że rzadko kiedy mierzymy promieniowanie jednego tylko izotopu lub jest on nieznany, bądź też emisja beta występuje z innymi rodzajami promieniowania, szczególnie niskoenergetycznymi kwantami gamma.

Pomiar częstości zliczania jest podstawową funkcją wszystkich radiometrów uniwersalnych (RUST, URL, URS), które ponieważ służą do pracy z bardzo zróżnicowanymi sondami, mierzącymi wszystkie rodzaje promieniowania, muszą podawać surowy wynik do dalszych przeliczeń.


Stosowany bywa też w uniwersalnych miernikach przenośnych (RKP-1-2, RKP-2, EKO-C), zwykle jako dodatkowy tryb, obok pomiaru mocy dawki promieniowania gamma. Dzięki niemu, po wyznaczeniu odpowiednich współczynników kalibracyjnych, możemy mierzyć aktywność dowolnego izotopu beta-aktywnego.

Pomiar częstości zliczania może być przełączany, jak w powyższym monitorze EKO-C, a może odbywać się równolegle z pomiarem w jednostkach równoważnika dawki. Z popularnych mierników wymienić można:

  • Gamma Scout (wszystkie wersje)
  • Mazur PRM-9000
  • GQ GMC-320 Plus

Niektóre przyrządy oferują pomiar aktywności powierzchniowej, najczęściej w rozpadach na minutę (lub rzadziej na sekundę) z centymetra kwadratowego. W tym wypadku producent fabrycznie ustalił współczynnik kalibracyjny, zwykle dla strontu-90, jako najpopularniejszego emitera beta. Nie jest to popularne rozwiązanie, ze starszych przyrządów miały je:

  • RKS-20.03 Prypeć
  • RKSB-104 Radian
  • RKGB-01 Gorin 
  • ANRI Sosna (wymaga przeliczenia po zliczeniu impulsów przez określony czas)
  • DRGB-01 EKO-1
  • IRD-02B1
  • DP-66

Jeżeli chodzi o nowsze mierniki, to będą to 

  • Terra (wszystkie modele)
  • MKS-01SA1M
  • Radex RD1008 (w układzie antykoincydencyjnym z licznikiem na promieniowanie gamma)

Taki pomiar jest najbardziej przydatny w warunkach amatorskich, gdyż daje bezpośrednią informację o liczbie rozpadów beta przypadających na centymetr kwadratowy powierzchni i wymaga tylko posiadania dozymetru z odpowiednim detektorem. Oczywiście pamiętajmy, by wykonać pomiar zarówno z otwartą (gamma+beta), jak i z zamkniętą osłoną detektora (gamma), a następnie odjąć wartość pomiaru gamma od łącznego gamma+beta. Taki wynik będzie nieco zawyżony przez niskoenergetyczną emisję gamma, ale wystarczy do pomiarów porównawczych.

Niestety większość dozymetrów dostępnych obecnie na rynku nie oferuje pomiaru ani częstości zliczania, ani aktywności powierzchniowej. Najczęściej mamy do czynienia z następującymi układami:

  • detektor ze zdejmowaną przesłoną lub umieszczony w dwustronnej sondzie, ale bez skali w rozpadach, jedynie z opcją "indykacji beta"
  • detektor na stałe odsłonięty, skala j.w.
  • detektor zasłonięty cienkim plastikiem obudowy
  • detektor w ekranie ołowianym i zasłonięty plastikiem ołowianym.

Więcej o tych "szkołach" budowy dozymetrów pisałem na łamach Postępów Techniki Jądrowej [LINK], teraz chciałbym skupić się na dwóch pierwszych układach. 

"Indykacja beta" oznacza orientacyjny pomiar aktywności beta w tych samych jednostkach, w których mierzona jest moc dawki promieniowania gamma.  Oznacza to, że promieniowanie beta jest mierzone na tej samej skali, co promieniowanie gamma, wyskalowanej w jednostkach mocy dawki ekspozycyjnej (mR/h), pochłoniętej (µGy/h) lub równoważnika dawki µSv/h). Jest to tak naprawdę stwierdzenie obecności promieniowania beta po porównaniu wyniku pomiaru z zasłoniętym i odsłoniętym detektorem (DP-66M, DP-75) lub odkrytą i zakrytą stroną sondy pomiarowej (RK-67, RK-20, RK-21). Instrukcja do RK-21 podaje, że różnica w pomiarach obiema stronami sondy wynosi dla emisji gamma od 1,2 do 5 w zależności od energii promieniowania, dla emisji beta zaś aż 1000:



Oprócz obecności promieniowania beta można też oszacować aktywność, choć trudno przełożyć wartości w jednostkach mocy dawki na jednostki aktywności powierzchniowej. Ciekawym przykładem jest tutaj seria wojskowych rentgenoradiometrów DP-66 - pierwszy model, oznaczony DP-66, miał skalę w mR/h i rozp/min/cm2, drugi (DP-66M) już tylko w mR/h, ale instrukcja podawała sposób przeliczania tych wartości. 

Dla celów amatorskich, jeśli mamy któryś z mierników wyskalowanych tylko w jednostkach mocy dawki, możemy podać aktywność beta w tych jednostkach, zaznaczając tylko, jakim przyrządem była mierzona. Sam często podaję łączny pomiar beta+gamma wg Polarona z uwagi na powszechne stosowanie tych mierników wśród dozymetrystów amatorów, szczególnie dla ceramiki z glazurą uranową, która emituje całe spektrum promieniowania. Pamiętajmy też, że pomiar licznikiem G-M generalnie ma charakter orientacyjny i porównawczy, a do dokładniejszych i bardziej selektywnych pomiarów służą inne detektory, głównie scyntylacyjne. Szczególnie w przypadku ceramiki uranowej łatwo pomylić emisję beta z niskoenergetycznym promieniowaniem gamma, które w dodatku zawyża wynik z powodu energetycznej zależności licznika G-M. 

Obecnie niestety większość dozymetrów ma całkowicie lub częściowo odsłonięty detektor bez żadnej zdejmowanej klapki, pozwalającej na odcięcie promieniowania beta. Taki przyrząd mierzy swoisty "groch z kapustą", czyli mieszankę promieniowania gamma i beta o różnych energiach. Jeśli detektor jest częściowo osłonięty, np. gęstą kratką lub szczelinami w obudowie, wówczas część emisji beta i niskoenergetycznej gamma ulegnie osłabieniu i wynik pomiaru będzie składał się w większości z promieniowania gamma o wyższych energiach. Nie będzie to jednak pomiar samej "czystej" emisji gamma, jak w przypadku miernika z klapką-filtrem lub detektorem owiniętym folią ołowianą, tak samo jak nie będzie to pomiar całości emisji z danego źródła. Możemy co prawda wykonać filtr z blachy aluminiowej o grubości 1 mm i wykonać dwa pomiary tak samo, jak przy dozymetrach ze zdejmowanym filtrem, jednak zarejestrujemy znacznie niższy odczyt emisji beta. 

Pomijam już fakt, że to, co umownie nazywamy "betą", szczególnie przy źródłach zawierających naturalny tor i uran, w rzeczywistości jest mieszanką emisji beta i niskoenergetycznych kwantów gamma. W dodatku jeśli pomiar dokonywany jest nieskompensowanym energetycznie licznikiem G-M, wówczas niskoenergetyczne kwanty gamma znacznie zawyżają pomiar, gdyż taki licznik jest znacznie bardziej czuły na promieniowanie gamma o niskiej energii niż o wysokiej. Wówczas część odczytu to faktyczne cząstki beta, zaś reszta zliczeń to przeszacowane impulsy od niskoenergetycznego promieniowania gamma. Jednak do dokładnego rozdzielenia tych rodzajów promieniowania potrzebne są detektory scyntylacyjne. 

Podsumowując, dla celów porównawczych, głównie ceramiki uranowej, możemy posługiwać się wartościami podawanymi przez Polarona bez klapki, gdyż i tak, większością kieszonkowych dozymetrów, nie uzyskamy pomiaru samego promieniowania beta. Praktycznie zawsze będzie to pomiar łączny aktywności beta i niskoenergetycznych kwantów gamma. Zatem miejmy to na uwadze, gdy mówimy, że dane źródło daje ileś  µSv/h "bety" na Polaronie.

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz

Jeśli znajdziesz błąd lub chcesz podzielić się opinią, zapraszam!

[komentarz ukaże się po zatwierdzeniu przez administratora]