Komora jonizacyjna do pomiaru radonu

Jedne z Czytelników bloga przesłał mi dokumentację skonstruowanego przez siebie miernika stężenia radonu, wykorzystującego komorę jonizacyjną. Oddaję głos Autorowi:

Samodzielna budowa urządzenia do pomiaru narażenia od radonu w powietrzu.

Kilka lat termu natknąłem się na stronę https://www.theremino.com/en/ zawierającą m. in. informacje na temat pomiarów promieniowania jonizującego. Zainteresowały mnie dwie kwestie – wygodne oprogramowanie do akwizycji danych eksperymentalnych, Theremino Geiger, wstępnie skonfigurowane do użytku z szeregiem sensorów promieniowania (https://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_Geiger_V6.7.zip).

oraz problematyka pomiaru narażenia związanego z obecnością radonu w otoczeniu.

https://www.theremino.com/files/IonChamberV7/Radon_IonChamber_ENG.pdf

wraz z budową odpowiedniego detektora

https://www.theremino.com/files/IonChamberV7/Radon_IonChamberV7_Construction_ENG.pdf

https://www.theremino.com/files/IonChamberV7/Radon_IonChamberV7_Electronics_ENG.pdf

Ze względu na, wydawałoby się, prostotę detektora będącego w istocie rodzajem komory jonizacyjnej, zdecydowałem się na budowę.

Schemat urządzenia przedstawia rysunek poniżej

na którym:

1 – komora pomiarowa, najlepiej o objętości 1 litra

2 – elektroda zewnętrzna o wysokim potencjale dodatnim

3 – elektroda centralna połączona z układem pomiarowym

4 – izolacja elektrody centralnej

5 – tranzystor Fet jako detektor ultraniskiego prądu

6 – wzmacniacz prądowo-napięciowy

7 – generator wysokiego napięcia.

Każdy rozpad radonu w komorze (1) jonizuje powietrze i wytwarza tysiące par elektron-kation. Silne pole elektryczne w komorze (ok. 100 V/cm) szybko przyciąga kationy w kierunku elektrody środkowej (3), izolowanej plastikowymi oprawkami (4) i połączonej elektrycznie z tranzystorem FET (5).

Elektrony są przyciągane przez osłonę zewnętrzną (2). W ciągu kilku milisekund wszystkie elektrony wytworzone przez rozpad pojedynczego atomu radonu przepływają przez generator wysokiego napięcia (7), wzmacniacz (6), tranzystor FET (5) i rekombinują z jonami dodatnimi wyłapanymi przez elektrodę centralną.

Powstały, słaby prąd o natężeniu poniżej pA jest najpierw wzmacniany przez tranzystor FET i przekształcany w sygnał napięciowy. Następnie wzmacniacz i dyskryminator szerokości impulsu (6), odrzucają impulsy o niskiej energii i przesyłają właściwe impulsy na złącze wyjściowe (8).

Złącze wyjściowe (8) można podłączyć bezpośrednio do wejścia interfejsu „Theremino_Master module” (ja zakupiłem ten moduł na eBay-u) skonfigurowanego jako prosty "Licznik". Obróbką otrzymanych impulsów zajmuje się oprogramowanie Theremino Geiger.

Jak to wypadło w rzeczywistości, pokazują fotografie gotowego urządzenia.

Zewnętrzna obudowa to pojemnik na szczotkę WC o średnicy 90 mm i długości prawie 300 mm. Wewnątrz znajduje się elektroda zewnętrzna z rury kominowej o średnicy 80 mm i długości 200 mm, co daje praktycznie pojemność komory pomiarowej równą 1 litr. Elektroda zewnętrzna (2) odizolowana jest od obudowy pierścieniami z laminatu epoksydowo-miedzianego, wytrawionego tak, że jest przylutowany zarówno do elektrody, jak i obudowy, jednocześnie zapewniając niezbędną izolację elektryczną.

Dodatkowe osłony z obu stron obudowy, to nakrętki do słoików 86 mm, nawet takie same, jak w oryginalnej dokumentacji Autorów. W nakrętce z jednej strony jest filtr wlotowy (siatka metalowa z wkładem filtracyjnym od odkurzacza), z drugiej strony jest wentylator ssący wymuszający przepływ powietrza przez komorę, również przez filtr. Widoczna sonda wysokonapięciowa i pomiar napięcia elektrody zewnętrznej, na drewnianej podstawce pudełko z zamkniętym w nim interfejsem Theremino Master i wyprowadzeniem do gniazda USB komputera, dodatkowo zasilacze układów elektronicznych o niskim poziomie szumów oraz okablowanie.

Należy podkreślić, że w przeciwieństwie do licznika G-M, w którym w wyniku przejścia czynnika jonizującego następuje wyładowanie lawinowe, w komorze jonizacyjnej, jak tu opisana, mierzymy prąd jonowy powstały wskutek jonizacji powietrza przez cząstkę lub foton, przy czym prąd ten zależy od zdolności do jonizacji. W przypadku cząstki alfa podczas przejścia przez powietrze generuje ona na swojej drodze ogromną ilość par: kation – wybity elektron, wystarczającą do powstania mierzalnego impulsy prądowego pomiędzy dwoma naładowanymi elektrodami. Natomiast cząstka beta czy kwant gamma, choć też w jakimś stopniu zjonizują powietrze, to powstały impuls elektryczny zostanie przez opisany układ elektryczny zignorowany.

Jak to działa w praktyce? Oczywiście fakt otrzymania wykresu takiego jak poniżej jeszcze o niczym nie świadczy, mogą to być przecież przypadkowe zakłócenia elektryczne. 

Dlatego na wlocie zainstalowałem pojemnik na próbki, z odciętego dna butelki PET. Umieszczałem w nim takie generatory gazowych emiterów alfa, jak torowa siatka Auera (toron-220) lub wypatrzoną na garażówce polską busolę Adrianowa z 1954 roku w doskonałym stanie (radon-222). Takie rozwiązanie pozwala na bezpośredni pomiar obecności nawet tak skrajnie krótko żyjącego izotopu, jak toron/radon-220 o czasie półtrwania 55 sekund. Ponadto, w przeciwieństwie do metody z adsorpcją izotopów pochodnych na węglu aktywnym, jest to bezpośredni, a nie wtórny pomiar obu tych izotopów.

Już pierwsze próby, przeprowadzone z siatką Auera, były zachęcające. Ze względu na długi czas ich trwania, nie mieszczący się w oknie programu, skorzystałem z eksportu danych do rozdzielanego spacjami, przecinkami i dwukropkami pliku tekstowego o strukturze:

# -------------------------------------

#  Session start: 2021-12-19 13:15:19

# -------------------------------------

#       FIR Seconds: 7200

#       Sensor type: IonChamber

#      Sensor Sens.: 0.43

#        Sensor BKG: 0.00

#  Sensor Dead-time: 10000

# -------------------------------------

#  DATE      TIME      CPM     pCi/l

# -------------------------------------

2021-12-19 13:15:19,00000.000,00000.010

2021-12-19 13:15:20,00000.000,00000.010

2021-12-19 13:15:30,00000.000,00000.010

2021-12-19 13:15:40,00000.000,00000.010

2021-12-19 13:15:50,00002.401,00002.620

2021-12-19 13:16:00,00001.715,00001.849

Dane z takiego pliku można zaprezentować w dowolnym programie do obróbki danych jak Origin czy SigmaPlot.

Rysunek jest dość wymowny. Przy początkowym stężeniu radonu ok. 30 Bq/m³ (pomiar w zimie, więc gorsza wentylacja) umieszczenie siatki na wlocie komory powoduje w ciągu ok. półtorej godziny wzrost odczytu do ok. 2000 Bq/m³. Usunięcie siatki powoduje najpierw powolny spadek odczytu przez ok. 2 godz. (wynika to z ustawienia długiego czasu pomiaru równego 7200 s, więc bezwładność układu pomiarowego jest olbrzymia), ale po następnych 7200 s odczyt stabilizuje się na poziomie 200 Bq/m³. Widoczne w tym zakresie 2 „ząbki” to efekt wyłączenia i włączenia urządzenia na kilka sekund, aby sprawdzić stabilność odczytu.

Warto zaznaczyć, że podwyższone odczyty utrzymywały się przez kilka dni, czego powodem był najprawdopodobniej izotopy: Pb-212 i w mniejszym stopniu Bi-212, o dość długim. w porównaniu do toronu-220, czasie półtrwania.

I na koniec wisienka na torcie, czyli pomiary wydzielania radonu-222 przez busolę Adrianowa.

Tym razem wykresy oryginalne z okna programu.

Stan początkowy to ok. 20 Bq/m³

 Po umieszczeniu busoli w kieszeni przyrządu:

Wzrost odczytów zawartości radonu był tak szybki, że jeszcze szybciej usunąłem busolę z kieszeni przyrządu, zamknąłem w szczelnym słoiku z uszczelką silikonową i umieściłem w najgłębszym zakamarku pakamery. Ponownie, jak w przypadku toronu-220, widoczny jest efekt bezwładności wynikający z 2-godzinnego czasu uśredniania pomiarów. 

Ciąg dalszy wykresu z poprzedniej ilustracji (całość wykresu obejmuje 4 godziny pomiaru)

Pomiar dokonany następnego dnia praktycznie nie wykazywał wzrostu poziomu promieniowania. Skąd taka różnica w zachowaniu się tych obu izotopów? Mogę przypuszczać, że ze względu na krótki okres półtrwania toronu (55 s) ogromna jego większość rozpada się we wnętrzu komory jonizacyjnej, paskudząc ją izotopami pochodnymi, głównie Pb-212, podczas gdy radon-222 (T_1/2 ok. 3,8 dnia) w ogromnej większości „przelatuje” przez komorę jonizacyjną, a izotop Pb-210 (T_1/2 ponad 22 lata) praktycznie nie ma wpływu na poziom tła komory.

Jako ciekawostkę można podać, że ponieważ zmierzone aktywności toronu-220 i radonu-222 były zbliżone, to fizycznie emisja radonu-222 była ok. 6000 razy większa od emisji toronu(!!!). I dotyczyło to busoli w doskonałym stanie technicznym. Ze względu na tę emisję busoli nie powinno się raczej trzymać w mieszkaniu.

Na koniec jeszcze jedno wyjaśnienie. W dziedzinie ochrony przed radonem funkcjonują dwa terminy: stężenie radonu oraz narażenie na radon, przy czym drugi termin obejmuje również wpływ izotopów z szeregu radowego. Większość profesjonalnych detektorów radonu skalowana jest dla narażenia od radonu, czyli pokazuje wartości ok. 2 razy wyższe niż fizyczne stężenie radonu.

Wnioski końcowe:

• w warunkach domowych można zbudować własnoręcznie przyrząd do pomiaru obecności radonu w powietrzu
• dzięki oprogramowaniu z portalu Theremino.com możliwa jest wszechstronna analiza i interpretacja wyników
• niedogodność stanowi, jak w przypadku wszystkich pomiarów w warunkach niskiej aktywności, długi czas uśredniania wyników (1-2 godziny) i związana z tym ogromna bezwładność detektora, wskutek czego otrzymane wykresy odstają od szybkich zmian stężenia radonu. W przypadku pomiarów wysokich aktywności czas uśredniania można ustawić na krótszy, co pozwoli otrzymać wyniki zbliżone do rzeczywistego przebiegu pomiarów
• w miarę dokładny pomiar obecności radonu w mieszkaniu trwa ok. 2 godz., chodź wstępnie wynik można szacować po ok. ½ godz.

Na koniec zagadka – ile może wynosić emisja radonu z „eksponatu” określonego jako „wojenna radziecka busola Adrianowa” oferowanego na jednym z portali aukcyjnych?

Sprawy licencyjne:

Warunki korzystania z oprogramowania i rozwiązań konstrukcyjnych przedstawionych na portalu Theremino.com zawarte są w dokumencie https://www.theremino.com/en/contacts/copyrights 

W największym skrócie:

Legal notice and GDPR

This site does not capture and store personal information.

Even in the case of donations through PayPal, We do not collect user's details.

We do not accept advertising, therefore do not propose it to us.

Everything on the site is completely free, Open Source and no copyright.

For the license, legal notices and the privacy of personal data, consult This page.

The software, the firmware and circuit diagrams published on this site, must not be used in any life support system, or project where a fault may have a safety impact.

This does not mean that the system is particularly unreliable. Indeed, precisely because of its smooth functioning, could someone use it inappropriately.

The system Theremino has not been designed for applications that may involve risks and, therefore, we will not be liable for any damage resulting from your use.

W zakresie będącym wynikiem moich osobistych prac, zarówno budowy urządzenia do pomiaru stopnia narażenia na promieniowanie od radonu, jak i uzyskanych wyników i metod prowadzących do ich otrzymania, udzielam portalowi https://promieniowanie.blogspot.com/ bezpłatnej, do niekomercyjnego użytku, licencji na publikację udostępnionych danych, pod warunkiem podania strony https://www.theremino.com/en/ jako źródła rozwiązań projektowych, oprogramowania, modułu komunikacji sprzętu pomiarowego z komputerem oraz informacji na temat narażenia spowodowanego obecnością radonu w powietrzu.

Oświadczam, że w podanym zakresie prezentowane wyniki eksperymentalne są rezultatem moich osobistych prac, jestem ich jedynym autorem i nie są one obciążone roszczeniami osób trzecich.

***

Autorowi dziękuję za udostępnienie materiałów, zaś Czytelników zachęcam do wyrażania opinii w komentarzach, jak również przesyłania własnych projektów, którymi chcecie się podzielić z ogółem. Mogę też przetestować Wasze konstrukcje w praktyce. 

Wojenne losy radu

Odkrycie radu przez Marię Skłodowską-Curie i jej męża Piotra Curie (1898) zapoczątkowało nowy okres zarówno w fizyce i chemii, jak również w medycynie. Ponieważ małżonkowie Curie nie opatentowali technologii otrzymywania radu, chcąc by odkrycie służyło całej ludzkości, wkrótce patent zastrzegły korporacje zajmujące się wydobyciem i przetwarzaniem rudy uranowej. Doszło więc do paradoksalnej sytuacji, w której Skłodowska, chcąc podarować rad dla tworzonego w Warszawie Instytutu Radowego, musiała prowadzić zbiórkę wśród Polonii amerykańskiej i organizować odczyty w USA. Ostatecznie udało się zgromadzić niezbędne fundusze, a firma Union Miniere du Haut Katanga, wydobywająca rudę uranu w Kongu (wówczas kolonia Belgii) sprzedała 833,33 mg radu, dorzucając do tego 200 mg gratis z uwagi na wieloletnią współpracę. Ten rad - łącznie 1033 mg w 166 ładunkach - oznaczono RMS ("rad Marii Skłodowskiej"). Instytut otwarto w 1932 r., jeszcze za życia Skłodowskiej, jednak pełne uruchomienie i rozwinięcie działalności zajęło kilka następnych lat. Rozwój Instytutu sprawił, że w 1938 r. dokupiono 533 mg radu, który oznaczono MSC ("Maria Skłodowska-Curie"), łącznie posiadano więc 1566 mg. 

Kaseta na 50 igieł po 6,66 mg radu w Instytucie Radowym, 1936, zbiory NAC

Pewne ilości radu miały też inne szpitale (Łódź, Wilno, Cieszyn) i niektórzy lekarze prowadzący prywatną praktykę. Warto wspomnieć, że w roku otwarcia Instytutu (1932) w różnych rękach znajdowało się w kraju aż ok. 3000 mg radu, jednak nie zawsze był on umiejętnie stosowany, a uzyskane efekty niepewne i przypadkowe. Dopiero powstanie Instytutu Radowego, łączącego działalność medyczną z badaniami naukowymi spowodowało dynamiczny rozwój radioterapii i zagadnień pokrewnych. Krajowe zasoby radu stały się wkrótce przedmiotem śmiertelnej rywalizacji, w której po jednej stronie stali polscy uczeni, po drugiej niemieckie gestapo.

W drugiej połowie 1939 r. wybuch wojny był coraz bardziej prawdopodobny, zaś latem praktycznie pewny - nie pytano już, czy, tylko kiedy. W związku z zagrożeniem wojennym 25 sierpnia 1939 r. przywieziono do Warszawy rad z Cieszyna (320 mg). Łączna ilość tego pierwiastka w Instytucie wyniosła więc 1886 mg. 

Instytut Radowy przy ul. Wawelskiej w Warszawie, 1932, zbiory NAC

Na początku wojny, 5 września,  jeszcze przed rozpoczęciem oblężenia Warszawy, dyrektor Franciszek Łukaszczyk wywiózł cały rad do Józefowa i zakopał na działce konsultanta Instytutu, otolaryngologa Dionizego Zuberiera. Po kampanii wrześniowej Łukaszczyk wrócił do Warszawy i przywiózł część radu (320 mg z Cieszyna i 400 mg MSC) z zamiarem kontynuowania radioterapii w warunkach okupacji. Oprócz wspomnianych 1886 mg radu w Instytucie znajdował się jeszcze roztwór 100 mg bromku radu, używany do pozyskiwania radonu. Zaraz po wkroczeniu Niemców kierownik Pracowni Fizycznej Cezary Pawłowski odparował ten roztwór, a osad na trzech platynowych płytkach umieszczono w zalutowanej puszce, opieczętowano i zakopano [LINK]. Radem już interesowali się Niemcy. Dokonali rewizji w Instytucie, jednak przestraszyli się ostrzeżeń o ryzyku związanym z otwarciem sejfu (trezora) mieszczącego dawki radu. Udało się uzyskać chwilową zwłokę, jednak ostatecznie Niemcy zarekwirowali całe 720 mg radu znajdującego się w Instytucie (wg innych szacunków 853 mg, czyli cały MSC liczący 533 mg, plus 320 mg z Cieszyna - LINK). Podjęto też intensywne śledztwo mające ustalić, co stało się z resztą radu (1166 mg), w tym całym radem RMS (1033 mg) i resztą (133 mg) MSC. Finalnie po czterech miesiącach udało się przekonać Niemców (za pomocą sfałszowanej dokumentacji), że rad ten został ewakuowany do Francji wraz z innym wyposażeniem przez wojsko, w związku z czym w Instytucie nie ma już zupełnie radu. Jednocześnie uzyskano zgodę na kontynuowanie działalności Instytutu, który został przemianowany na Miejski Szpital Przeciwrakowy, z użyciem radu znajdującego się w rękach prywatnych. W rzeczywistości używano w nim dwóch "porcji" radu:

• oficjalnej, tzw. prywatny rad, pozyskany od Polskiego Komitetu do Zwalczania Raka (100 mg) i kilku lekarzy (ok. 420 mg), na co posiadano zgodę Niemców
• nielegalnej, stanowiącej 500 mg RMS z zasobów ukrytych przez Łukaszczyka na działce, a następnie przywiezionych do Instytutu i ukrytych w przewodach wentylacyjnych łazienki

Ta podwójna działalność wymagała fałszowania dokumentacji oraz ścisłej konspiracji. Dyrektor Łukaszczyk większość działań wykonywał osobiście, aby niepotrzebnie nie wtajemniczać współpracowników, a także nie narażać ich na promieniowanie. Radu używano tylko tam, gdzie był niezastąpiony (nowotwory macicy), w innych przypadkach stosując radioterapię rentgenowską lub leczenie chirurgiczne.

Pojemnik z radem, fot. M. Bil-Bilażewski, zbiory NAC

Spodziewano się, że nawet "legalny" rad może paść łupem Niemców, szczególnie wobec spodziewanej klęski Rzeszy. Wykonano więc kopie zasobników, które w rzeczywistości zawierały ołów i były specjalnie postarzone, by łudząco przypominały oryginały. Prawdziwy rad ukrywano zarówno we wspomnianym przewodzie wentylacyjnym, jak również w gabinecie dyrektora.

Dr Franciszek Łukaszczyk, dyrektor i naczelny lekarz Instytutu Radowego, w swoim gabinecie, 1936, zbiory NAC.

Podczas powstania warszawskiego Instytut Radowy został zdewastowany i obrabowany, personel i pacjenci wypędzeni, a chorzy niemogący się poruszać wymordowani przez niemieckie jednostki kolaboracyjne z brygady RONA. Zniszczono też aparaturę do otrzymywania radonu, powodując silne skażenia. 

Franciszek Łukaszczyk, który na początku powstania ewakuował się z Warszawy do Reguł, postanowił wraz z żoną wrócić po rad ukryty w Instytucie. Przekupując Niemców 20 sierpnia pojechał transporterem opancerzonym (!) do spalonego gmachu i uratował ok. 1000 mg radu. Cytuję oryginalne wspomnienia:

„W czasie powstania opuściłem Instytut w dość dramatycznych okolicznościach: nie było wówczas żadnej możliwości zabrania radu, który był częściowo schowany, a częściowo w kasie radowej. Z częścią personelu udało mi się uwolnić z rąk niemieckich. Zatrzymałem się pod Warszawą [w Regułach, gdzie w domu przyjaciół przebywała żona wraz z synami] czekając na możliwość dostania się do Instytutu celem zabrania radu. Wkrótce, bo około 2-go sierpnia 1944 r. [być może jest omyłka w maszynopisie, dotycząca daty] udało mi się pojechać do broniącej się i płonącej wówczas Warszawy w niemieckim tanku z 4-ma żołnierzami. Wyjąłem rad ze schowka i z kasy radowej, pozostawiając w kasie – przygotowane już kilka miesięcy przed tym [w porozumieniu z AK] na wypadek ewakuacji Niemców – fałszywe duplikaty, gdyż liczyłem się, że wiadomość o leczeniu radem mogła dojść do niektórych Niemców. Rad ten udało mi się szczęśliwie wywieźć. Według wiadomości osób z pośród personelu Instytutu, które ukrywały się w tym czasie w Instytucie, na 2-gi dzień po tym zaczął się zorganizowany rabunek Instytutu, wywożenie aparatów Roentgena itp. Rozpruto też wówczas kasę radową i zabrano falsyfikaty radu” [https://intapi.sciendo.com/pdf/10.2478/v10013-007-0017-2]

Wydobył wówczas rad ukryty na działce i mając łącznie 1686 mg tego pierwiastka (w tym cały RMS), wywiózł go w plecaku (!) do Poronina. Znając aktywność właściwą radu (~1 Ci/g) można obliczyć moc dawki, na jaką narażony był Łukaszczyk podczas tej podróży - przyjmując, że 1,686 mg radu to 1,686 Ci, w zależności od odległości mamy:

• 5 cm - 4,35 Sv/h
• 10 cm - 1,088 Sv/h
• 20 cm - 0,272 Sv/h
• 30 cm - 0,120 Sv/h [KALKULATOR]

Obliczenia mają charakter przybliżony, ponieważ dotyczą pojedynczego źródła o aktywności 1,686 Ci i bez żadnej osłony, a nie tej samej aktywności rozłożonej na kilkadziesiąt źródeł w cienkich metalowych osłonach (tubki, igły). Ma to jednak niewielki wpływ na sumaryczną moc dawki, szczególnie że nie zastosowano dodatkowych osłon lub były one niewystarczające. Możemy jedynie spekulować, czy plecak Łukaszczyka był wypełniony innymi rzeczami, co mogło zwiększyć dystans od źródła i zgodnie z zasadą odwrotnych kwadratów obniżyć moc dawki. Tym niemniej, nawet jeśli przyjmiemy wypchany plecak, który odsunął źródło na 30 cm, to mamy narażenie na 120 mSv/h przez wiele godzin podróży z Warszawy do Poronina. Przyjmijmy że pokonanie ok. 400 km dzielących te miejscowości zajęło 10 godzin, Łukaszczyk otrzymał więc 1,2 Sv. Jest to dawka wystarczająca do wywołania choroby popromiennej, a nawet śmierci 10-25% napromieniowanych w ciągu miesiąca, jeśli nie udzielono pomocy medycznej [LINK]. Pamiętajmy też, że była to trzecia podróż Łukaszczyka z radem w plecaku, a skutki kolejnych napromieniowań kumulują się i mogą dawać efekty oddalone w czasie.

W Poroninie Łukaszczyk miał przy ul. Tatrzańskiej (na wysokości cmentarza) działkę z domem i szopą, w której ukrył rad. Następnie w 1945 r. przewiózł 1000 mg radu do Krakowa, gdzie był używany w szpitalu im. Narutowicza. W listopadzie 1945 r. rad ten trafił do Warszawy, gdzie zaplanowano odbudowę Instytutu. Odkopano wówczas komisyjnie depozyt Cezarego Pawłowskiego, zawierający 100 mg bromku radu odparowanego z roztworów. Nie był to koniec znalezisk: Podczas prac budowlanych na terenie Instytutu znaleziono 4 preparaty radu RMS (2 szt. po 3,33 mg i 2 szt. po 13,33 mg), które być może zostały zagubione przez  Łukaszczyka, lub przez chore [LINK]. W Poroninie nadal jednak znajdowało się 686 mg radu (133 mg MSC, 100 mg PKdZR i 420 mg prywatnego od lekarzy). Zaginiony rad z pewnością interesował władze i milicja prowadziła tam jedne poszukiwania w 1955 r., jednak bezskutecznie (albo przynajmniej nie zachowały się żadne źródła). 

Franciszek Łukaszczyk na skutek wielokrotnego napromieniowania podczas przenoszenia radu i pracy z nim zachorował na białaczkę. Choroba była zaawansowana, gdy we wrześniu 1953 r. został profesorem nadzwyczajnym. Uczony zmarł 19 maja 1956 r., pochowany został na cmentarzu parafialnym w Poroninie i wydawać by się mogło, że nikt nie odnajdzie pozostałego radu. Tutaj  pojawia się Amelia Kostkowska (ur. 1927), asystentka Łukaszczyka, która dzięki niemu zrobiła szybką karierę. Cytuję artykuł Andrzeja Fedorowicza "Co się stało z radem ofiarowanym Polsce przez Marię Skłodowską-Curie":

[Amelia Kostkowska] w 1949 r., nie mając jeszcze skończonych studiów medycznych, została asystentką dyr. Łukaszczyka. Dyplom zrobiła w 1952 r. i wtedy zaczęła się jej zawrotna kariera. 25-latka objęła stanowiska sekretarzy: Polskiego Towarzystwa Onkologicznego, posiedzeń naukowych w instytucie, wydawnictwa Nowotwory i Problemowej Rady Naukowej Ministerstwa Zdrowia ds. wczesnego rozpoznawania raka. Napisała też pod kierunkiem Franciszka Łukaszczyka sześć prac naukowych, a dwa lata po dyplomie miała już II stopień specjalizacji. Kostkowska była w instytucie prawą ręką dyrektora. Mówiono o niej szefowa i powszechnie narzekano na jej apodyktyczny charakter. Tajemnicą poliszynela było uczucie, które od początku znajomości łączyło prof. Łukaszczyka z asystentką. Dopóki kierował instytutem, jej pozycja była niezagrożona. Zmieniło się to, gdy choroba popromienna uniemożliwiła mu wykonywanie obowiązków. W lutym 1953 r. Amelia Kostkowska została przeniesiona z Warszawy do Krakowa, a pół roku później do Białegostoku. Zanim jednak wyjechała, dyrektor zdradził jej tajemnicę

Amelia wykonywała w ramach prywatnej praktyki zabiegi naświetlania radem bez wskazań medycznych lub po pobieżnych badaniach i arbitralnej diagnozie, narażając pacjentki na bezpłodność. Skargi pacjentów i ich rodzin doprowadziły do procesu przed Sądem Wojewódzkim w Białymstoku:

 

Lekarkę oskarżono, że „pracując w Poradni Onkologicznej i przeprowadzając leczenie raka skóry, żądała od swoich pacjentów honorariów”. Zeznawało 27 świadków. Jedna z kobiet opowiadała, że „za pierwszą kurację radową przeprowadzoną w Poradni Onkologicznej, zapłaciła lekarce 400 zł. Ponieważ podczas pierwszej rozmowy z Kostkowską nie miała takiej sumy, oskarżona powiedziała jej, że jak nie ma pieniędzy, to nie będzie leczenia”. Publiczność wysłuchała też wstrząsającej historii męża pacjentki, który aby sprostać wymaganiom finansowym lekarki sprzedał cały i tak niewielki dobytek, żeby ratować żonę, której stan w chwili rozpoczęcia leczenia i tak był beznadziejny [LINK] 

https://pbc.biaman.pl/Content/24668/PDF/1959.04.17%20nr%2091.pdf

Inne artykuły o jej procesie na łamach "Gazety Białostockiej":

https://pbc.biaman.pl/Content/24749/PDF/1959.07.21%20nr%20173.pdf

https://pbc.biaman.pl/Content/24846/PDF/1959.11.12%20nr%20271.pdf

Podczas procesu oskarżona wyjawiła prawdę o ukrytym radzie, być może licząc na łagodniejszy wyrok. W 1959 r. milicja odkryła w szopie Łukaszczyka łącznie 254,59 mg radu (7 osłon złotych, 34 tubki z platyny) pochodzącego z różnych źródeł:

• 14 tubek RMS 
• 8 tubek Polski Komitet Przeciwrakowy
• 12 od lekarzy (Emil Meisels, Wiktor Chajes, Zbigniew Rybkowski, dr Folkszturm)

Nadal nie był to cały rad - jeśli Łukaszczyk przywiózł do Poronina 1686 mg radu, a następnie do Krakowa wywiózł ok. 1000 mg, w Poroninie zostało 686 mg, z których milicja odnalazła 254,59 mg. Co zatem stało się z pozostałymi 432 mg? Przytaczany już wcześniej artykuł wspomina o rewindykacji pewnej ilości radu po wojnie, jednak nie był to rad z warszawskiego Instytutu, ani ze szpitala w Cieszynie:

Odnaleziono i rewindykowano z Kilonii rad w ilości 323,28 mg oraz z Wiednia rad w ilości 65,00 mg. Na podstawie odtworzonej dokumentacji można przyjąć, że z Kilonii wrócił cały rad Łódzkiego Chrześcijańskiego Towarzystwa Dobroczynności, Łódzkiego Towarzystwa Zwalczania Raka oraz zaledwie 4 mg ze 145 mg radu Kliniki Chirurgicznej Uniwersytetu Poznańskiego. Rad rewindykowany z Wiednia odpowiadał ilościowo i jakościowo radowi wywiezionemu z Państwowego Szpitala Powszechnego we Lwowie. Rad złożono w Instytucie Radowym. Jednakże ten odnaleziony rad nie miał takiego znaczenia klinicznego (ze względu na rodzaj preparatów), jak zrabowany i nigdy nie odnaleziony rad Instytutu (MSC) i rad Szpitala Cieszyńskiego.

Protokół przekazania 67 preparatów zawierających łącznie 303,8 mg radu, cyt. za Barbara Gwiazdowska, Jerzy Tołwiński, Wojciech Bulski - Kamieniem węgielnym był rad, NOWOTWORY 2000/ tom 50 Zeszyt 4 / 410–416 (w tekście artykułu błędna wartość 3423,28 mg) 

W 1998 r. w Instytucie zauważono, że błony dozymetryczne przypięte do fartuchów ciemnieją po przechowywaniu w nowo utworzonej małej szatni. Odkryto wówczas pośród gruzu w przewodzie wentylacyjnym jeden zapomniany ładunek RMS (6,66 mg). 

Świadectwo odnalezionego radu RMS, cyt. za Barbara Gwiazdowska, Jerzy Tołwiński, Wojciech Bulski - Kamieniem węgielnym był rad, NOWOTWORY 2000/ tom 50 Zeszyt 4 / 410–416 

Można się więc spodziewać, że część radu nadal leży w zapomnianych skrytkach Instytutu lub innych placówek, bądź też w mieszkaniach niczego nieświadomych osób. W zbiorach NAC znajduje się fotoreportaż CAF dotyczący poszukiwań radu 31 maja 1961 r. na posesji przy ul. Ulanowskiej we Wrocławiu (sygn. 3/4/0/-/108299), niestety z uwagi na autorskie prawa majątkowe materiał nie jest udostępniany online
 - https://www.szukajwarchiwach.gov.pl/jednostka/-/jednostka/34339472

Gdyby ktoś dysponował bliższym informacjami, np. artykułem, w którym opublikowano te zdjęcia, proszę o informację przez formularz bloga. Ze swojej strony dodam, że zaginiony rad może być dosłownie wszędzie:

• nadal na terenie dawnego Instytutu Radowego przy ul. Wawelskiej
• w zwłokach pacjentów zamordowanych przez RONA na terenie Instytutu
• w nieodkrytym depozycie w prywatnym domu w Polsce, Niemczech lub byłym ZSRR
• jako niezidentyfikowany "dynks" w skrzynce z narzędziami czy szufladzie z "przydasiami"
• w prywatnej kolekcji (rozpoznany lub nie)

Ponieważ posiadanie dozymetru nadal nie jest powszechne, taka igła radowa może pozostać niezidentyfikowana, emitując promieniowanie, a w przypadku rozszczelnienia grozić skażeniem oraz emisją radonu. Zatem warto ze sobą nosić miniaturowy dozymetr, najlepiej scyntylacyjny, zwłaszcza jak często odwiedzamy targi i giełdy staroci. Może to akurat my odnajdziemy zaginiony MSC lub rad z Cieszyna? 

Na zakończenie warto wspomnieć, że w 1947 r. Polska w ramach pomocy UNRRA otrzymała aż 15 gramów radu, przesłanych do kraju w trzech turach - najpierw 3 gramy w czerwcu, pod koniec lipca 5 gramy i pod koniec sierpnia 7 gramów: 

"Życie Warszawy" nr 164(950) z 17.06.1947 r., 
https://mbc.cyfrowemazowsze.pl/dlibra/publication/65989/edition/60900/content

Według innego źródła (B. Gwiazdowska et al, Kamieniem węgielnym był rad) Polska otrzymała łącznie 17 gramów radu, dostarczonego w trzech turach w latach 1947-1948 r. Taka ilość umożliwiła prowadzenie leczenia na masową skalę. Jest w tym pewien chichot historii, że dyrektor Łukaszczyk poświęcił zdrowie i życie, by uratować 1 gram radu, żyjąc 4 lata w śmiertelnym zagrożeniu od promieniowania i Niemców, podczas gdy wkrótce po wojnie Instytut otrzymał ogromną ilość tego pierwiastka. Jednak ofiara Łukaszczyka nie była daremna, szczególnie że nie cały rad z UNRRA nadawał się do stosowania w brachyterapii (radioterapii kontaktowej) i nadal stosowano rad Skłodowskiej. Część nieprzydatnego terapeutycznie radu z UNRRA (łącznie 3605 mg w różnych źródłach) posłużyła do budowy eksperymentalnej "bomby radowej", poprzedniczki bomby kobaltowej, stosowanej w teleterapii (naświetlaniu z zewnątrz). 

***

Opracowując powyższy tekst korzystałem z informacji zawartych w artykule Andrzeja Fedorowicza "Co się stało z radem ofiarowanym Polsce przez Marię Skłodowską-Curie" (Polityka 29.2017 (3119) z dnia 18.07.2017; Historia; s. 58 Oryginalny tytuł tekstu: "Radioaktywny skarb w góralskiej szopie") https://www.polityka.pl/tygodnikpolityka/historia/1712444,1,co-sie-stalo-z-radem-ofiarowanym-polsce-przez-marie-sklodowska-curie.read

Drugim źródłem była praca zbiorowa: Barbara Gwiazdowska, Wojciech Bulski, Andrzej Pruszyński, Jerzy Tołwiński, Historia Zakładu Fizyki Instytutu Onkologii w Warszawie w okresie kierownictwa prof. Cezarego Pawłowskiego (Polish Journal of Medical Physics and Engineering 2007;13(4):183-238.) - https://intapi.sciendo.com/pdf/10.2478/v10013-007-0017-2

Trzecim praca zbiorowa: Barbara Gwiazdowska, Jerzy Tołwiński, Wojciech Bulski - Kamieniem węgielnym był rad (NOWOTWORY Journal of Oncology • 2005 • volume 55 Number 1 • 86–91) https://journals.viamedica.pl/nowotwory_journal_of_oncology/article/download/53826/40464

Jeżeli macie uwagi co do powyższego tekstu lub dysponujecie dodatkowymi źródłami, dajcie znać w komentarzach! 

***

Zachęcam też do wspierania bloga, zarówno pośrednio, poprzez zakup dozymetrów [LINK], jak i bezpośrednio, przez Patronite lub BuyCoffeeTo 

Dozymetr HFS-01 z Aliexpress

Ten dozymetr sprawia wrażenie wariacji na temat BR-9B i XR-1 - zarówno obsługa, jak i funkcjonalność są bardzo podobne. Główną różnicę stanowi obudowa, dłuższa i węższa, a także dwie dodatkowe funkcje.

Przyrząd mierzy moc dawki promieniowania gamma i silniejszego beta za pomocą szklanego licznika G-M, osłoniętego całkowicie plastikiem obudowy. Należy więc do tzw. drugiej szkoły budowy dozymetrów według mojej autorskiej systematyki, którą przedstawiłem w osobnym artykule [LINK]

Wynik podawany jest na kolorowym wyświetlaczu i obejmuje bieżącą (REAL) i średnią (AVG) moc dawki, wykres zmian mocy dawki w ciągu ostatnich dwóch minut, a także łączną dawkę (ACC).

Miernik obsługujemy za pomocą pięciu przycisków - dolne trzy oznaczono L, M, R i do złudzenia przypominają rozwiązanie z BR-9B. Przycisk M zatrzymuje pomiar, zaś L włącza/wyłącza dźwięk impulsów. Pojawiły się jednak pewne modyfikacje.

Pierwszą nowością jest wygaszacz ekranu - po wciśnięciu przycisku R ekran znacznie zmniejsza intensywność świecenia, co pozwala na oszczędność baterii. 

Drugą nową opcją jest wybór języka przyciskiem CN/EN - mamy do dyspozycji aż 9: angielski, chiński, japoński, koreański, niemiecki, francuski, włoski, hiszpański, rosyjski:

Opisy w innych językach niż angielski są przewijane z racji większej długości. Czy ta funkcja jest istotna w dobie praktycznie powszechnej znajomości języka angielskiego, czy też lepiej byłoby dodać programowany alarm progowy lub inną, bardziej potrzebną funkcję?

Jak przedstawia się czułość dozymetru? Miernik reaguje na większość "domowych" źródeł, choć nie ustrzegł się zawyżenia wyniku przy silniejszych, jak również dość powolnej reakcji na spadek mocy dawki. Z tego powodu film z testem miernika trwa aż 17 minut - przy każdym artefakcie czekałem, aż wynik wróci do poziomu tła naturalnego:

Próg alarmu mamy tylko jeden (0,5 µSv/h), zatem pomiary prowadzić będziemy z wyłączonym dźwiękiem.

W zestawie otrzymujemy sztywne pudełko z wypełnieniem z pianki, instrukcję oraz kabel do ładowania przez port USB-C:

Nad instrukcją warto chwilę się pochylić. Pierwsza część jest krótką laurką pochwalną pod adresem przyrządu. Zastosowany licznik G-M reklamowany jest jako "wysokoczuły, zapewniający dokładny pomiar i jednocześnie odporność na zakłócenia". Sam miernik zaś przedstawiono jako "wysoce funkcjonalny, o małych wymiarach i niewielkim poborze prądu". Jego zastosowanie, według producenta, obejmuje chyba wszystkie dziedziny życia, w których możemy spotkać się z promieniowaniem: od najbliższego otoczenia aż po medycynę, przemysł jądrowy, defektoskopię, prospekcję geologiczną (!) itp.

Następnie przedstawiono limity dawek dla osób zatrudnionych przy promieniowaniu (średnia dla 5 następujących po sobie lat 20 mSv, roczna dawka efektywna 50 mSv) i dla ogółu ludności (efektywna dawka roczna 1 mSv, warunkowo 5 mSv jeśli średnia roczna dawka w ciągu 5 lat nie przekracza 1 mSv). Później pokrótce omówiono funkcje poszczególnych przycisków, po czym umieszczono tabelkę "safety tips" skonstruowaną jak dla idiotów, którą zostawię bez komentarza, bo szkoda strzępić klawiatury:

Ciekawe, że znacznie bardziej funkcjonalny DY003, wyposażony w Wi-Fi, zapis pomiaru i inne bajery - nie ma takiej laurki pochwalnej w instrukcji.

Czas na podsumowanie. HFS-01 dzieli większość zalet i wad z BR-9B i XR-1, od których się w prostej linii wywodzi. Czułość jest na niezłym poziomie, miernik jednak ma mało dodatkowych funkcji - i dodanie wygaszacza ekranu oraz dodatkowych języków w menu niewiele zmienia. 

Plusy

• dobra czułość
• wygaszacz ekranu

Minusy

• tylko jeden próg alarmu
• mało funkcji
• powolna reakcja na spadek wyniku

Jeśli testowaliście już ten dozymetr lub macie uwagi co do powyższej recenzji, dajcie znać w komentarzach!

Uszkodzenia radiacyjne w materii

Promieniowanie jonizujące w interakcji z materią powoduje różnorakie skutki, zarówno fizyczne, jak i chemiczne. Do tej pory na blogu przedstawiałem działanie promieniowania na organizmy żywe:

• choroba popromienna [LINK]
• mutacje [LINK]
• śmiertelna dawka promieniowania [LINK]
• incydent krytyczny w Tokaimura [LINK]
• napromieniowanie drwali w Gruzji [LINK]

Przyjrzyjmy się teraz działaniu promieniowania na materię nieożywioną. Promieniowanie jonizujące stanowi przekaz energii – jednostkę dawkipochłoniętej, greja (Gy) definiujemy jako dżul na kilogram (J/kg). Energia przekazywana przez promieniowanie może powodować m.in.:

• utratę struktury krystalicznej minerałów
• ciemnienie szkła
• kruszenie tworzyw sztucznych
• zmianę właściwości metali, głównie wzrost twardości

Skutki wywoływane w materii przez promieniowanie zależą od wielu czynników:

• rodzaju promieniowania (alfa, beta, gamma, neutrony, protony, jony)
• energii promieniowania
• mocy dawki
• czasu napromieniowania
• obecności innych czynników fizykochemicznych, mogących wzmacniać lub (rzadziej) osłabiać niszczący wpływ promieniowania (światło widzialne, ultrafiolet, podczerwień, tlen, woda, udary mechaniczne). 

Zjawisko uszkodzeń radiacyjnych szczególnie istotne jest w takich gałęziach techniki, jak:

• technika reaktorowa (niszczenie osłon stalowych i betonowych oraz koszulek prętów paliwowych)
• sterylizacja radiacyjna, zwłaszcza sprzętu medycznego
• lotnictwo i astronautyka (narażenie samolotów, satelitów i statków kosmicznych)
• wojskowość (zabezpieczenie sprzętu na wypadek konfliktu nuklearnego)

1. Minerały

Utratę struktury krystalicznej można zaobserwować w wysokoaktywnych rudach uranu i toru - w zależności od zawartości uranu w rudzie może dość do niewielkich uszkodzeń sieci krystalicznej lub w skrajnych przypadkach nawet do rozsypywania się całego minerału. Degradacji ulegają też minerały współwystępujące z minerałami promieniotwórczymi. 

https://www.mdpi.com/2075-163X/11/7/729#

Proces ten zwany jest metamiktyzacją - https://en.wikipedia.org/wiki/Metamictisation

Uraninit jest (...) typowym minerałem promieniotwórczym, który charakteryzuje się uszkodzeniami samonapromieniowania wynikającymi ze spontanicznego rozpadu aktynowców (np. Th i U) wewnątrz [ 5 ]. Nagromadzenie uszkodzeń w długotrwałym okresie geologicznym może skutkować zaburzeniem struktury uraninitu i dalszą amorfizacją lub metamiktyzacją [ 6 , 7 , 8 ]. Oprócz samouszkodzeń metamiktyzacja uraninitu magmowego może powodować zniekształcenia strukturalne lub uszkodzenia zewnętrzne (pęknięcia promieniowe) sąsiadujących minerałów, do których zaliczają się głównie biotyt, kwarc, chloryt i skaleń, w których są osadzone.[LINK]

Co ciekawe, niektóre minerały, pomimo dużej aktywności, nie ulegają znacznej metamiktyzacji, a wręcz "leczą" swoje uszkodzenia, np. monacyt, będący jednym z głównych minerałów toru-232:

The actinide-containing mineral monazite–(Ce) is a common accessory rock component that bears petrogenetic information, is widely used in geochronology and thermochronology, and is considered as potential host material for immobilisation of radioactive waste. Natural samples of this mineral show merely moderate degrees of radiation damage, despite having sustained high self-irradiation induced by the decay of Th and U (for the sample studied herein 8.9 ± 0.3 × 1019 α/g). This is assigned to low damage-annealing temperature of monazite–(Ce) and “alpha-particle-assisted reconstitution”. Here we show that the response of monazite–(Ce) to alpha radiation changes dramatically, depending on the damage state. Only in radiation-damaged monazite–(Ce), 4He ions cause gradual structural restoration. In contrast, its high-temperature annealed (i.e. well crystalline) analogue and synthetic CePO4 experience He-irradiation damage. Alpha-assisted annealing contributes to preventing irradiation-induced amorphisation (“metamictisation”) of monazite–(Ce); however, this process is only significant above a certain damage level. [LINK]

2. Szkło

Ciemnienie szkła pod wpływem promieniowania radu odkryła już Maria Skłodowska-Curie podczas swoich pionierskich prac:

(...) fluoryt zabarwia się podczas naświetlania i odbarwia się podczas termoluminescencji. To samo zjawisko obserwujemy w przypadku szkła i kwarcu. Ciała te zabarwiają się pod działaniem promieni powodujących zarazem fluorescencję; podczas ogrzewania następuje termoluminescencja, barwa zaś znika. Małe naczynia z kwarcu, w których znajdowały się ciała promieniotwórcze, ogrzewamy zazwyczaj w celu usunięcia zabarwienia uniemożliwiającego oglądanie ich zawartości. 

(...)

Promienie a, b i y wytwarzają w materii zabarwienia i zmiany chemiczne. Mamy podstawy do przypuszczania, że zabarwieniom towarzyszą często, a może nawet zawsze reakcje chemiczne. Pierwsze zaobserwowane zjawisko tego rodzaju dotyczyło zabarwienia szkła i porcelany pod działaniem promieni radu (P. i M .Curie 1889); wkrótce potem odkryto wytwarzanie ozonu (Demarçay, P. Curie), rozkład wody (Giesel), przemianę fosforu białego na czerwony (Becquerel) itd. 

(...)

Zabarwienia. Wszystkie rodzaje szkła: porcelana, fajans itd. uzyskują zabarwienie w obecności ciał promieniotwórczych. Naczynia używane do przechowywania tych ciał zabarwiają się stopniowo na kolor brązowy lub fioletowy; ciała te mogą być odbarwione pod wpływem ogrzania, któremu często towarzyszy termoluminescencja (§ 1 0 1 ). To samo stosuje się do naczyń z pireksu lub stopionego kwarcu. Zabarwienie pochodzące od promieni alfa sięga tylko nieznacznej głębokości, odpowiadającej zasięgowi cząstek alfa w naświetlanej substancji stałej; działanie promieni beta posiadających dłuższy zasięg jest głębsze, działanie promieni gamma sięga jeszcze głębiej. Przypominamy, że kawałki szkła wystawione na światło słoneczne przybierają z czasem wyraźne zabarwienie, najczęściej fioletowe.

https://delibra.bg.polsl.pl/Content/25213/BCPS_28760_1939_Promieniotworczosc.pdf

Zjawisko było wywołane głównie silnie jonizującymi cząstkami alfa, aczkolwiek inne rodzaje promieniowania również mogą barwić szkło. Przykładowo promienie katodowe (strumień cząstek beta) powodowały zabarwienie szkła lampy rury Crookesa po dłuższym jej używaniu:

Promienie katodowe wywołują również zmiany chemiczne, uwidoczniające się w zabarwieniu; np. półkula fosforescencji szkła (rys. 26) po dłuższym funkcjonowaniu rury zaznacza się jako półkula barwna. [ibidem]

https://delibra.bg.polsl.pl/Content/25213/BCPS_28760_1939_Promieniotworczosc.pdf

W mniejszej skali możemy zaobserwować zjawisko ciemnienia szkła w soczewkach obiektywów domieszkowanych torem-232 [LINK] i jest to proces odwracalny za pomocą ultrafioletu.

Szybkość i intensywność ciemnienia szkła zależy od mocy dawki i energii promieniowania. Wydany przez MON Podręcznik kierowcy zawodowego (wyd. II 1976) w rozdziale Ogólne zasady ochrony i dezaktywacji pojazdów samochodowych informował przy okazji omówienia czynników rażenia broni jądrowej:

Promieniowanie przenikliwie nie działa szkodliwie na sprzęt bojowy i inne przedmioty. Jednakże szkła przyrządów optycznych pod działaniem dużych dawek (tysiące i dziesiątki tysięcy rentgenów) ciemnieją, a materiały fotograficzne nawet pod działaniem 2-3 R zostają naświetlone [s. 526]. 

Przeliczając na jednostki dawki pochłoniętej, będą to dziesiątki i setki grejów. Jest to poziom promieniowania niemożliwy do zmierzenia nawet wojskowymi dozymetrami przeznaczonymi na wojnę jądrową, których zakres kończył się na 200-500 R/h, wyjątkowo 1000 R/h. Z kolei 2-3 R odpowiada 20-30 mSv.

 3. Tworzywa sztuczne

Tworzywa sztuczne składają się z polimerów, czyli substancji chemicznych stanowiących długie łańcuchy powtórzonych jednostek, tzw. merów. 

https://epodreczniki.open.agh.edu.pl/handbook/37/module/1078/reader

Rozbicie tych łańcuchów pod wpływem promieniowania powoduje utratę pierwotnych właściwości tworzywa. Jest to szczególnie widoczne w przypadku tworzyw elastycznych (elastomerów), np. gumy.

Uszkodzenia polimerów pod wpływem promieniowania mogą być trojakiego typu:

• szczepienie (graft-polymerisation, grafting) - związanie i polimeryzacja monomerów jako bocznych łańcuchów przy głównym łańcuchu polimeru
• sieciowanie (crosslinking) - powstawanie mostków pomiędzy długimi łańcuchami monomerów i tworzenie trójwymiarowej sieci 
• degradacja (degradation) - rozpad na pojedyncze monomery

https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-19-9048-9_12

Nie zawsze te procesy są szkodliwe. Przykładowo sieciowanie, które może wystąpić pod wpływem różnych czynników chemicznych i fizycznych, jest szeroko stosowane w przemyśle tworzyw sztucznych do nadawania tworzywom określonych właściwości - dzięki niemu można otrzymać żel, gumę lub twardy duromer [LINK]. Nas interesuje sieciowanie radiacyjne, które również nie zawsze jest formą niszczenia materiału - w kontrolowanym zastosowaniu pozwala wyeliminować palność tworzywa sztucznego, zwiększyć temperaturę topnienia lub nadać mu "pamięć kształtu" [LINK].

https://www.researchgate.net/figure/Major-modification-of-polymers-using-radiation-processing_fig15_267153871

Odporność radiacyjna tworzyw sztucznych jest kluczowa w przypadku radiacyjnej sterylizacji wyrobów medycznych (np. strzykawki), jak również opakowań, w których wyroby te są sterylizowane i przechowywane. 

Odporność radiacyjna polimerów zależy od wielu czynników, lecz w głównej mierze o ich stabilności decyduje struktura chemiczna. Do najbardziej odpornych należą: polistyren, polietylen, poliamidy (nylon) i in., trochę mniej odporne to: polichlorek winylu, poliwęglany, silikony i in., zaś najmniej to: polipropylen, celuloza i jej estry, pochodne akrylowe i in.

http://www.ichtj.waw.pl/ichtj/publ/REPOZYTORIUM/2019/konferencje/SzkolaSterylizacji2019.pdf

Więcej o odporność tworzyw sztucznych w kontekście sterylizacji: - http://www.ichtj.waw.pl/drupal/pliki/cei/wyklady/wyklad3.pdf

Krótkie podsumowanie:

Degradacja polimerów pod wpływem promieniowania wysokoenergetycznego. Fotony promieniowania X oraz γ mają energie nieporównywalnie wyższe nic energie wiązania, a potencjał jonizacyjny wyższy niż występujący w prostych cząsteczkach i rodnikach. Główne zmiany struktury polimeru pod wpływem napromieniowania to sieciowanie, tworzenie produktów lotnych, tworzenie i niszczenie cząstek nienasyconych, cyklizacja. Wielkość tych zmian w dużym stopniu zależy od chemicznej struktury polimeru. Rozrywanie łańcucha głównego i sieciowanie wywiera duży wpływ na masę cząsteczkową i na własności, które od niej zależą. Procesy degradacji pod wpływem promieniowania wysokoenergetycznego zachodzą szybciej niż inicjowane innymi czynnikami. Każda część molekuły zdolna jest do reakcji z promieniowaniem wysokoenergetycznym. Szybkość i charakter zmian fizycznych i chemicznych zależy w tym wypadku od składu chemicznego materiału podlegającego działaniu promieniowania i od natury promieniowania. Przy dużych mocach, ale krótkich czasach naświetlania, wpływ tlenu na polimer jest niewielki. Przy małych mocach naświetlania i odpowiednio długich czasach tlen z powietrza moce dyfundować do wnętrza i istotnie wpłynąć na strukturę tworzywa

https://www.openaccesslibrary.com/vol02/degradacja.pdf

 4. Metale

Działanie na metale największe znaczenie ma w technice reaktorowej, gdzie koszulki prętów paliwowych, a także ciśnieniowe zbiorniki reaktorów i inne elementy poddawane są stałemu napromieniowaniu. Spektrum promieniowania jest szerokie: kwanty gamma, neutrony, cząstki alfa i beta oraz produkty rozszczepienia, zaś energie bardzo wysokie. Największe znaczenie ma wpływ neutronów - zderzenia sprężyste i reakcje jądrowe Neutrony mogą wybijać atomy z sieci krystalicznej, nadając im taką energię, że wybity atom powoduje wybicie kolejnego, tworząc całą kaskadę wybitych atomów (średnio 100).

Przy sprężystych zderzeniach neutronów prędkich z atomami sieci krystalicznej powstaje całe spektrum defektów radiacyjnych. W przypadku materiałów stosowanych na zbiorniki ciśnieniowe będą to: proste pary Frenkla (wakans plus atom międzywęzłowy), skupiska wakansów, pętle dyslokacji, mikropory, segregacja atomów zanieczyszczeń (P, Pb. 104 Sn, As) na nieprawidłowościach sieci krystalicznej takich jak dyslokacje, granice ziarn itp., oraz oddziaływania defektów z atomami zanieczyszczeń (P, C, N) i gromadzenie się nowych atomów powstałych w wyniku rekcji jądrowych. 
https://www.osti.gov/etdeweb/servlets/purl/20977136

Czym jest para Frenkla? W skrócie jest to układ dwóch defektów sieci krystalicznej - atom przesuwa się ze swojego miejsca, tworząc wakans (puste miejsce) i wciskając się pomiędzy inne atomy w sieci krystalicznej (tzw. atom międzywęzłowy). Obrazowo ukazano to na tej grafice:

VladVD, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons

W cytowanym wyżej artykule stwierdzono, że uszkodzenia zbiorników ciśnieniowych powstają najsilniej na spoinach spawanych. Z drugiej strony metoda wyżarzania, jeśli prowadzona jest w odpowiedniej temperaturze, może doprowadzić do skutecznego cofnięcia się uszkodzeń. https://www.osti.gov/etdeweb/servlets/purl/20977136

5. Beton

Wpływ promieniowania na beton, podobnie jak na metal, jest najbardziej istotny w energetyce jądrowej i ogólnie w przemyśle jądrowym. Działanie na beton polega na:

• wzrostu temperatury betonu pod wpływem promieniowania;
• aktywacji betonu; to znaczy, że neutrony powodują powstawanie radioaktywnych izotopów pierwiastków, a beton staje się radioaktywny, ze wszystkimi związanymi z tym konsekwencjami;
• zwiększenia współczynników rozszerzalności liniowej betonów z kruszywami: barytowym, hematytowym i magnetytowym; 
• zmian przepuszczalności powietrza i wilgoci przez beton;
• wewnętrznej karbonatyzacji matrycy cementowej pod wpływem promieniowania γ, i związanych z tym zmian struktury (zmniejszenia porowatości) i właściwości; 
• radiolizy wody.

Wymienione zmiany prowadzą do spadku wytrzymałości oraz zmniejszenia modułu sprężystości. Te zmiany, nawet jeśli początkowo niewielkie, mogą mieć po dłuższym czasie poważny wpływ na właściwości osłonne betonu przed promieniowaniem oraz ograniczyć trwałość,
 https://www.ippt.pan.pl/repository/open/o1993.pdf

Zmiany objętości składników betonu pod wpływem promieniowania są głównym czynnikiem osłabiającym całą konstrukcję wykonaną z tego betonu - https://www.nature.com/articles/s41529-019-0098-x 

a The simulated evolution of the density of calcite and dolomite as a function of the deposited energy, and b The transformation of calcite’s atomic structure
with increasing radiation exposure showing the atoms which recrystallized (circled) after exposure to radiation

For concrete used in dry cask nuclear storage, gamma radiation on the order of MGy is an important weathering mechanism. At such doses, previous studies have observed microstructural effects such as changes in carbonate speciation, which have correlated with a decrease in bulk porosity. However, the mass, dimensions, and mechanical properties of concrete have not been substantially affected, except in cases of radiogenic heating or extremely high radiation doses (≥1 ​GGy). Based on a review of the literature, a multi-scale mechanistic framework is presented to describe and model the effects of gamma radiation on concrete, including the interactions of photons with the various cementitious phases, aggregates, additives, admixtures, and forms of water. The durability of concrete to radiation is not apparently affected by the type of cement or the use of secondary cementitious materials. However, the use of Si-containing aggregates or of certain organic additives or admixtures (notably fibers or latex) may be detrimental to the durability of concrete in nuclear applications.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590048X19300391

6. Elektronika

Elementy elektroniczne są narażone na promieniowanie w bardzo wielu zastosowaniach. Duże dawki występują w technice jądrowej, medycynie nuklearnej, wojskowości (w razie konfliktu nuklearnego) jak również w lotnictwie i astronautyce (promieniowanie kosmiczne, pasy Van Allena). Małe dawki, które jednak również mają wpływ na elektronikę, pochodzą od promieniowania tła, jak również zawartości naturalnych radioizotopów w elementach elektronicznych. 

Systematyka uszkodzeń powodowanych przez promieniowanie przedstawia się następująco:

Terminy SEE (single event effect) oraz SEF (single event failure) oznaczają uszkodzenia jednokrotne wywołane przez jedną cząstkę promieniowania pierwotnego lub wtórnego. Do tego typu uszkodzeń należą: 

• uszkodzenie SEU (single effect upset) polegające na zmianie stanu logicznego w układach cyfrowych wywołane przez cząstkę jonizującą, powodujące tzw. błąd miękki (soft error), bez defektu fizycznego, dający się naprawić, często zaś układ „nie widzi” tego typu uszkodzenia; 
• uszkodzenie ASEU (analog single effect upset) dotyczące scalonych układów analogowych; 
• uszkodzenie SEL (single event latch-up) związane z technologią CMOS lub wielowarstwowymi strukturami tranzystorów mocy MOS, to zatrzaśnięcie się powoduje brak reakcji elementu na sygnały i nie prowadzi do katastroficznego uszkodzenia, jeżeli element jest przed nim zabezpieczony;
• uszkodzenie SEB (single event burnout) powodujące zniszczenie elementu, jeżeli nie ma ograniczenia jego prądu; ten rodzaj uszkodzenia występuje głównie w tranzystorach mocy MOS; 
• uszkodzenie SET (single event transient) spowodowane przez przemieszczanie się w obwodzie elektronicznym ładunku powstałego pod wpływem promieniowania w jednym z elementów tego obwodu; może ono doprowadzić do uszkodzenia obwodu; ten mechanizm podobny jest do uszkodzeń wywołanych elektrycznością statyczną (ESD); 
• uszkodzenie SEGR (single event gate rupture) prowadzące do uszkodzenia dielektryka bramkowego w tranzystorach MOS; wartość energii progowej promieniowania γ, która może doprowadzić do tego wynosi co najmniej 9 eV; 
• inne, często nie do końca rozpoznane mechanizmy uszkodzeń. 

Jak widać z podanej klasyfikacji uszkodzeń, szczególnie narażone na nie są tranzystory polowe MOS  - https://sj.umg.edu.pl/sites/default/files/ZN167.pdf

W powyższym artykule omówiono również impuls elektromagnetyczny (EMP), towarzyszący eksplozjom jądrowym i mający niszczący wpływ na urządzenia elektroniczne. Temat wykracza nieco poza tematykę bloga, ponieważ EMP powstaje też podczas wyładowań atmosferycznych oraz zaburzeń ziemskiego pola magnetycznego. Jednak przy okazji  przytoczę dane dotyczące orientacyjnej odporności komponentów elektronicznych na energię impulsu elektromagnetycznego:

• lampa elektronowa – kilka J; 
• indywidualny tranzystor średniej mocy – 10 mJ; 
• indywidualny tranzystor małej mocy – 1 mJ;
• układ scalony – 1 μJ, ta wartość maleje ze wzrostem stopnia scalenia;
• transformator mocy – więcej niż 10 kJ - https://sj.umg.edu.pl/sites/default/files/ZN167.pdf. 

https://sellugsk.live/product_details/26907828.html

Powyższy wpis jest jedynie zarysem zagadnień, dlatego wielokrotnie odsyłam do literatury naukowej, którą też obficie cytuję. W amatorskiej dozymetrii raczej raczej nie będziemy mieli do czynienia z tymi zagadnieniami, chyba że dojdzie do poważnej awarii radiacyjnej - wówczas jako jedną z metod dozymetrii awaryjnej wykorzystuje się badania uszkodzeń wywołanych przez promieniowanie w przedmiotach codziennego użytku. Metody tej użyto podczas incydentu w Tammiku [LINK], badając napromieniowane przez cez-137 doniczki, porcelitowe bezpieczniki i oprawki żarówek oraz sól kuchenną, oraz w Tokaimura [LINK], gdzie badano produkty aktywacji neutronowej w monetach, złocie i soli. Temat dozymetrii awaryjnej rozwinę w osobnym wpisie. 

Jeżeli mieliście okazję testować wpływ promieniowania na różne materiały lub znacie artykuły, które warto zacytować w powyższym tekście, dajcie znać w komentarzach!