Moneta napromieniowana neutronami

Szukając na eBay'u dozymetrów neutronowych natrafiłem na ofertę monety dziesięciocentowej (dime) zapieczętowanej w pudełeczku z podpisem American Museum of Atomic Energy - neutron irradiated.

https://www.ebay.com/itm/124824634807?

Postanowiłem zbadać temat. W roku 1949 powstało American Museum of Atomic Energy (obecnie American Museum of Science and Energy). Zlokalizowane zostało w Oak Ridge, miasteczku utworzonym na potrzeby Projektu Manhattan. Znajdowała się tam maszyna do napromieniowywania monet (coin irradiator) którae służyła do pewnej ciekawej demonstracji. Zwiedzający muzeum mogli dać dziesięciocentową monetę, aby przez kilka sekund została poddana działaniu strumienia neutronów ze źródła zawierającego antymon-164 i beryl-9. W źródle tym kwanty gamma z antymonu-164, o energii 1,69 MeV, uderzały w berylową tarczę, powodując emisję neutronów o energii 0,024 MeV. Neutrony te były spowalniane do energii termicznej (1-100 meV) przez wodny moderator, a następnie napromieniowywały włożoną monetę.

Miss Universe otrzymuje napromieniowaną monetę w 1966 r.
https://www.orau.org/health-physics-museum/collection/medals/irradiated-dimes.html

Moneta stawała się radioaktywna, co można było potwierdzić za pomocą dozymetru. Moc dawki nie była duża, porównywano ją do zegarka z farbą radową, a w dodatku promieniowanie zanikało, zanim zwiedzający zdążył opuścić muzeum. Wytłumaczenie było proste: dziesięciocentówki były wykonane ze stopu srebra (90% i miedzi (10%). Srebro ma dwa naturalne, niepromieniotwórcze izotopy. Jeden to Ag-107 (51,8 %), drugi Ag-109 (48,2 %). Oba ulegały aktywacji w strumieniu neutronów, dając odpowiednio Ag-108 (t1/2=2,42 min) i niewielką ilość Ag-108m (t1/2=400 lat) oraz Ag-110 (t1/2=24,6 sec) z małą domieszką Ag-110m (t1/2=250 dni). Oba te izotopy (Ag-108 i 110) rozpadają się do stabilnych izotopów, głównie kadmu-108 i 110, w znacznie mniejszym procencie palladu-108 i 110.

https://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/neutron-activation-silver

Ponieważ przyjmuje się, że po upłynięciu 10 okresów półrozpadu izotop praktycznie zanika, nietrudno obliczyć, że po 24 minutach zanikowi uległa cała aktywność Ag-108, zaś już po 4 minutach zanikła aktywność Ag-109, od którego to pochodziła większość promieniowania, emitowanego przez aktywowaną monetę. Oba wspomniane izotopy rozpadają się głównie przez rozpad beta minus, zatem przenikliwość emitowanego promieniowania jest niska. Nawet przy noszeniu takiej aktywowanej monety w portfelu większość cząstek beta zostanie zatrzymana przez ścianki i pozostałe monety. Eksperyment był więc całkowicie bezpieczny, a jednocześnie pozwalał obrazowo zilustrować aktywację neutronową. Pomijam tutaj śladowe ilości izotopów Ag-108m i 110m.

Stop monetowy zawierał jeszcze miedź, złożoną z izotopów Cu-63 (66%) i Cu-65 (33%), które ulegały aktywacji do Cu-64 (t1/2=12 h) i Cu-65 (t1/2= 5 min), jednak udział promieniowania od nich był bardzo mały. 

https://www.sanumismatics.org.au/exonumia/souvenir-1950-dime-irradiated-at-oak-ridge-graphite-reactor/

Szacuje się, że około miliona monet poddano tej procedurze. Z biegiem lat źródło antymonowo-berylowe zastąpiono plutonowo-berylowym, a w końcu amerykowo-berylowym: izotopy te są emiterami cząstek alfa, nie wymagają więc grubych osłon, mają też dłuższy czas połowicznego rozpadu (Pu-239 - 24,11 tys. lat, Am-241 - 432,2 lata). Antymon-124 miał czas połowicznego rozpadu 60 dni, wymagał więc częstej aktywacji w reaktorze jądrowym, zaś promieniowanie gamma o energii 1,69 MeV wymagało grubych osłon. 

Napromieniowywanie monet stosowano w latach 1949-1967. W 1964 r. zmieniono materiał z którego wykonywano monety - srebro zastąpiono niklowaną miedzią. Przez pewien czas po wymianie pieniędzy Muzeum skupowało od banków monety dziesięciocentowe i selekcjonowało spośród nich srebrne, aby jeszcze przez pewien czas móc prowadzić pokazy. Trudno ustalić moment zakończenia tych praktyk, przyjmuje się zwykle rok 1967, choć możliwe, że monety napromieniowywano jeszcze na początku lat 70. [LINK]

Napromieniowywane monety, dostępne na rynku antykwarycznym, różnią się wzorem i rokiem wybicia - tutaj starsza, z 1944 r.

https://www.dealswins.com/detail/385385666433

Maszyna do napromieniowywania czasem była zabierana w trasę na różnego rodzaju pokazy. Przykładem takiej "wycieczki" może być międzynarodowa wystawa New York World's Fair z 1964 r. Napromieniowane wówczas monety dostarczano w niebieskich holderach:

https://www.infinitycoins.com/Products/194664-us-10--irradiated-silver-roosevelt-dime--new-york-worlds-fair.aspx

Holdery te nie były pieczętowane, zatem nie ma pewności, że umieszczona w nich moneta faktycznie przeszła napromieniowanie, aczkolwiek z uwagi na całkowity rozpad powstałych wówczas izotopów nie ma to praktycznego znaczenia. 

Napromieniowywanie neutronami srebra jest nadal stosowane w szkołach wyższych jako obrazowy eksperyment, przedstawiający aktywację neutronową. Zalecany czas napromieniowywania wynosi 5-10 minut przy użyciu źródła radowo-berylowego 20,7 mCi o wydajności 3,2*10^5 neutronów na sekundę. Zamiast monet stosowana jest srebrna folia, a pokaz odbywa się pod kontrolą spektrometru. 

https://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/neutron-activation-silver

Czas na podsumowanie. Monetę przedstawiłem w charakterze ciekawostki, jak przykład oryginalnych metod popularyzacji wiedzy z fizyki jądrowej w latach 50. i 60. XX wieku. Jednocześnie chciałbym przestrzec przed kupowaniem tych monet w celach dozymetrycznych - cała aktywność dawno już wygasła, za wyjątkiem resztek Ag-108m, których zarejestrowanie, jeśli w ogóle jest możliwe, wymaga wysokoczułych detektorów oraz domków osłonnych, eliminujących wpływ tła naturalnego. 

Jeśli spotkaliście się z tymi monetami w praktyce albo natrafiliście na inny ciekawy przykład prezentacji działania promieniowania, dajcie znać w komentarzach!

***

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