Jednostki pomiaru promieniowania

Zostałem poproszony o przedstawienie zestawienia wszystkich jednostek stosowanych przy pomiarach promieniowania jonizującego wraz z przelicznikami. Zanim jednak zacznę, przypomnę podstawowe pojęcia w dozymetrii, jakimi są dawka i moc dawki.

Dawka oznacza sumę skutków wywołanych przez promieniowanie w danej objętości ośrodka. Z kolei moc dawki to prędkość, z jaką dawka jest przyjmowana. Najbardziej obrazowo można to porównać do objętości i prędkości przepływu. Kufel piwa (0,5 l) możemy wypić "na hejnał" albo sączyć przez godzinę. W obu wypadkach wypijemy tyle samo piwa, czyli przyjmiemy taką samą dawkę, jednak z różną prędkością (mocą dawki). Inny też będzie skutek, zarówno w przypadku piwa, jak i promieniowania, ale o tym za chwilę.

***

Warto zapamiętać, że gdy mówimy o dawce, zwykle odnosi się ona do jakiegoś czasu. Może to być rok, dzień, przelot samolotem, badanie diagnostyczne, czas trwania akcji ratowniczej, sesja radioterapii itp. Generalnie dawkę stosuje się do dłuższych odcinków czasu lub jeśli chcemy oszacować skutki napromieniowania na skutek przyjęcia określonej "porcji" promieniowania. W językach obcych określana jest jako ang. dose, niem. Dosis, ros. doza.

Z kolei moc dawki oznacza szybkość przyjmowania dawki promieniowania i wyrażana jest w jednostkach dawki (R, Sv) podzielonych na jednostkę czasu, zwykle godzinę, rzadziej sekundę. Obie wielkości są od siebie zależne - przy mocy dawki od tła naturalnego rzędu 0,3 µSv/h otrzymamy przez rok 2628 µSv (2,628 mSv), zaś otrzymawszy w czasie 5 godzin lotu dawkę 22,5 µSv możemy obliczyć moc dawki, jaka panowała na pokładzie samolotu - 4,5 µSv/h. Moc dawki wykazuje zawsze pewne wahania, wynikające ze statystycznego charakteru promieniowania - rozpady promieniotwórcze następują w sposób losowy, ze zmienną (nieznacznie) częstotliwością. Używając naszej piwnej analogii, każdy łyk piwa różni się objętością, czasem zdarzy się łyk podwójny, a czasem tylko symboliczny. Często więc łatwiej mierzyć łączną dawkę, niż śledzić ciągłe wahania mocy dawki. Inną analogią będzie deszcz padający ze zmienną intensywnością, ale dający w ciągu doby określony łączny opad w litrach na metr kwadratowy albo w ciągu roku, wyrażony w litrach. 

Moc dawki w językach obcych to ang. dose rate, niem. Dosisleistung czy ros. moszcznost' dozy. Warto znać te określenia, ponieważ dzięki nim od razu ustalimy, czy dany dozymetr mierzy dawkę, czy jej moc, czy też obie wartości. Oszczędzi nam to rozczarowania zakupem miernika dawki lub sygnalizatora przekroczenia dawki, mało przydatnego w domowej dozymetrii.

Wróćmy do meritum. Wyróżniamy następujące rodzaje dawki:

Dawka ekspozycyjna - oznacza stopień zjonizowania powietrza przez promieniowanie gamma lub rentgenowskie - i tylko przez nie. Jakkolwiek w uproszczeniu spotyka się pomiar, a właściwie szacunek, mocy dawki promieniowania beta w jednostkach dawki ekspozycyjnej, to nie jest on uzasadniony [LINK].

Dawkę ekspozycyjną możemy mierzyć w jednostkach pozaukładowych - rentgenach (R) i ich podwielokrotnościach (mR, µR), jak również układowych - kulombach na kilogram (C/kg) i podwielokrotnościach, najczęściej µC/kg.

Z kolei moc dawki ekspozycyjnej mierzymy w rentgenach na jednostkę czasu, zwykle na godzinę (R/h, µR/h, mR/h), ewentualnie na sekundę (R/s). Przy jednostkach układowych pojawia się amper na kilogram (A/kg), wynikający z przeliczeń ładunku na natężenie:

  A/kg = (Q/s)/kg = Q/kg *1/s = dawka/s = moc dawki.  

Jednostka ta pojawiła się pod koniec stosowania dawki ekspozycyjnej i sprawia duże trudności przy przeliczeniach.

Dawka pochłonięta to ilość energii w dżulach (J) przekazanej przez promieniowanie ośrodkowi o masie 1 kg. Układową jednostką jest grej (Gy), równy 1 J/kg.  Dawniej stosowano rady z przelicznikiem 100 rad = 1 Gy. Obie jednostki mogą wskazywać moc dawki, jeśli podzielimy je przez czas (Gy/h, mGy/h, cGy/h, µGy/h, rad/h, mrad/h).

Przy przeliczaniu dawki pochłoniętej na ekspozycyjną powinno stosować się przelicznik: 1 mR/h = 8,7 µGy/h (1 µGy/h = 0,144 mR/h), jednak większość popularnych dozymetrów (np. Pripyat') korzysta z uproszczonego: 1 µGy/h = 0,1 mR/h. Wyjątkiem jest m.in. EKO-D

Powyższe jednostki nie uwzględniały biologicznego działania promieniowania.  Aby je uwzględnić należy przemnożyć wartość dawki pochłoniętej przez współczynnik jakości promieniowania (QF), znany dawniej jako współczynnik wagowy promieniowania (WR). Otrzymamy wówczas biologiczny równoważnik dawki, wyrażony obecnie w siwertach (Sv) i ich podwielokrotnościach, najczęściej milisiwertach (mSv). Ponieważ jednak promieniowanie gamma, rentgenowskie i beta ma współczynnik jakości równy 1, zatem dla tych rodzajów promieniowania dawka pochłonięta równa jest biologicznemu równoważnikowi dawki (1 Gy = 1 Sv, 1 µGy = 1 µSv). Ta sama relacja zachodzi przy mocy dawki, stąd też skalowanie większości popularnych dozymetrów w µSv/h, zaś profesjonalnych w µGy/h.

Dawną, pozaukładową jednostką równoważnika dawki był rem (roentgen equivalent man), zaś w krajach bloku wschodniego ber (biologiczny ekwiwalent rentgena). Często jednak, zwłaszcza w wojskowych dozymetrach indywidualnych, przewidzianych na wypadek wojny jądrowej, dawkę wyrażano po prostu w rentgenach (DKP-50, DP-70).

Zerknijmy teraz na przeliczniki. Za punkt wyjścia przyjmijmy typowe tło naturalne, wynoszące 0,1 µSv/h:

0,1 µSv/h (µGy/h) = 11,4 µR/h = 0,0114 mR/h = 0,003 µR/s = 0,716 pA/kg = 0,000716 nA/kg = 0,000002942 mC/kg = 0,002942 µC/kg = 0,01 mrem/h = 0,01 mrad/h

W kwestii dalszych przeliczeń polecam następujące konwertery jednostek:

1. Dawka pochłonięta, równoważnik dawki, dawka ekspozycyjna i kalkulator objawów choroby popromiennej: https://www.convert-me.com/en/convert/radiation/

2. Aktywność, równoważnik dawki, dawka pochłonięta, aktywność masy, objętości i powierzchni, krotność osłabienia w wybranych odległościach od źródła: http://www.radprocalculator.com/Conversion.aspx

3. Dawka ekspozycyjna, pochłonięta, równoważnik, aktywność promieniotwórcza, z praktycznie wszystkimi przedrostkami, tylko niezbyt wygodny interfejs wyszukiwania kategorii: https://www.calculand.com/przelicz-jednostki/?t=0&gruppe=Dawka+ekspozycyjna

Powyższy wpis ogranicza się jedynie do rodzajów dawek, które możemy najczęściej mierzyć dozymetrami do użytku amatorskiego i profesjonalnego. Pomijam tutaj takie kwestie jak dawka równoważna, dawka skuteczna itp., które rozwinę w osobnym wpisie.