Blog o promieniowaniu jonizującym, dozymetrii i ochronie radiologicznej. Zwalcza mity związane ze zjawiskiem radioaktywności i przybliża wiedzę z zakresu fizyki jądrowej oraz źródeł promieniowania w naszym otoczeniu.
Do spawania metodą TIG (tungsten inert gas) stosuje się nietopliwe elektrody wolframowe w osłonie z gazu obojętnego. W zależności od spawanego metalu oraz rodzaju prądu (stały, zmienny) stosuje się elektrody z różnymi domieszkami bądź też z czystego wolframu. Najtrwalsze z nich są elektrody torowane, czyli z dodatkiem toru-232. Produkowano je z różną zawartością dwutlenku toru, ale najpopularniejsze były WT-20 zawierające 2 % ThO2 (oznaczenie czerwone) i WT-40 z 4 % ThO2 (oznaczenie pomarańczowe).
Elektrody WT-20 omawiałem kilka lat temu [LINK]. Nadal znajdują się w ciągłej sprzedaży i to we wszystkich średnicach, czyli 1, 1.6, 2, 2,4, 3 i 4 mm, choć są tendencje do ich wycofywania z racji emitowania pyłu podczas ostrzenia. Znacznie trudniej nabyć elektrody WT-40, mające dwukrotnie wyższą zawartość ThO2. Obecnie sprzedają je tylko dwa sklepy, a w ofercie są jedynie grubości 1,6 i 2,4 mm :
Nabyłem więc elektrody WT-40 w obu grubościach oraz dla porównania WT-20 2,4 mm i 4 mm. Wcześniej już miałem WT-20 1,6 i 3 mm, powstał więc ciekawy zestaw do pomiarów porównawczych:
Do testów użyłem zarówno dozymetrów z licznikami SBM-20 (Sosna, Polaron), jak i z okienkowymi: EKO-C z SBT-10A, Radex RD-1008 z Beta-2 oraz MKS-01SA1M z Beta-1. Pomiar dozymetrem Radex RD1008 był prowadzony z wykorzystaniem układu antykoincydencyjnego, czyli pomiary z obu liczników były wyświetlane osobno (więcej - LINK).
Jak widać, dwukrotnie większa procentowa zawartość toru-232 w elektrodach WT-40 nie przekłada się na duży wzrost mocy dawki względem WT-20. Najbardziej miarodajne jest porównanie WT-20 i WT-40 o średnicy 2,4 mm - wyniki uzyskane większością dozymetrów są zadziwiająco zgodne, zarówno przy pomiarze łącznej emisji, jak i tylko emisji gamma. Co ciekawe, przy pomiarze aktywności dozymetrem MKS-01SA1M wynik WT-20 2,4 mm jest znacznie większy od WT-40 tej samej średnicy.
Powyższe pomiary są dobrym przykładem absorpcji promieniowania wewnątrz źródła. Ponieważ elektrody wykonane są z wolframu, który silnie osłabia niskoenergetyczne promieniowanie Th-232, wzrost mocy dawki nie jest jednoznacznie skorelowany ze średnicą elektrody. W przypadku WT-20 moc dawki rośnie wyraźnie między 1 a 3 mm, ale emisja elektrody 4 mm jest już znacznie słabsza niż 3 mm. Z kolei przy WT-40 już elektroda 2,4 mm daje prawie dwukrotnie niższą moc dawki niż 1,6 mm. W przypadku źródeł wykonanych z materiałów bardziej przepuszczalnych dla promieniowania, np. siateczek Auera, wzrost mocy dawki wraz z grubością warstwy materiału jest wyraźniejszy, aczkolwiek powyżej 5 siateczek wynik stabilizuje się, a nawet spada.
Niestety z uwagi na wysoką cenę pojedynczych elektrod nie kupiłem całej paczki każdego rozmiaru, a w tym przypadku różnice w mocy dawki byłyby wyraźniejsze. Generalnie elektrody torowane jako źródło promieniowania mają ograniczone zastosowanie, pomimo niewątpliwych zalet: zwartej formy, niegrożącej skażeniem, w przeciwieństwie do siateczek Auera, oraz dogodnym kształtem, zapewniającym dobrą geometrię układu pomiarowego. Wolfram jest na tyle twardym materiałem, że nie grozi jego rozdrobnienie nawet przy bardzo nieostrożnym obchodzeniu się. Z kolei liniowy kształt umożliwia pokrycie całej powierzchni czynnej cylindrycznego licznika G-M.
Elektrody torowane są bardzo pomocne do sprawdzania czułości dozymetrów na promieniowanie gamma, zarówno tych ze zdejmowanym filtrem (Sosna, Polaron), jak i z detektorem ekranowanym na stałe (Biełła, Master). Zestaw kilku elektrod o różnych grubościach może posłużyć do improwizowanego wzorcowania przyrządu, pamiętajmy tylko o powyższych zależnościach między grubością a mocą dawki.
Najbardziej przydatne są do testowania sygnalizatora PM-1401, który jest wyjątkowo czuły na promieniowanie toru-232, co miałem okazję wielokrotnie sprawdzić za pomocą elektrod, obiektywów itp. Kiedyś na targu leżąca na ziemi elektroda WT-20 o średnicy 3 mm wywołała bardzo wyraźną reakcję miernika noszonego na wysokości pasa, czyli w moim wypadku ok. 90 cm. Elektroda ta zresztą służy mi do dziś, co widać po znacznym odrapaniu farby z końcówki.
***
Podsumowując, trudno dostępne elektrody WT-40 nie mają znaczącej przewagi nad popularnymi WT-20 jeżeli chodzi aspekt dozymetryczny . Co innego w przypadku ich właściwości spawalniczych - przy umiejętnym obchodzeniu się są praktycznie niezniszczalne i można zapomnieć o ich ostrzeniu, zatem zachęcam do robienia zapasów we wspomnianych sklepach. Jeśli mieliście do czynienia z elektrodami WT-40, dajcie znać w komentarzach.
Przyrząd ten został opracowany i wykonany w Katedrze Budowy Aparatów Elektromedycznych (KBAE) Politechniki Warszawskiej w 1958 r., czyli w pionierskich latach polskiej atomistyki. Rodzimy przemysł jądrowy dopiero wtedy powstawał, zatem przyrządy dozymetryczne albo sprowadzano z ZSRR, albo wykonywano w tzw. gospodarstwach pomocniczych przy placówkach naukowych i uczelniach wyższych. Była to produkcja w niewielkich seriach, na potrzeby danej instytucji. Przyrządy produkowane na uczelniach oznaczano numerem kolejnym modelu, łamanym przez końcówkę roku opracowania. Kilka lat temu omawiałem inny przyrząd produkcji KBAE, a mianowicie monitor typu 62/57, zaś specyfikacje podobnych przyrządów zacytowałem z katalogu Ministerstwa Szkolnictwa Wyższego.
Prezentowany miernik został wylicytowany za zawrotną kwotę 1700 zł. Początkowo uczestniczyłem w licytacji, ale odpuściłem przy ok. 500 zł, obserwując jedynie dalszy przebieg. Aukcje mają to do siebie, że w pewnym momencie licytujący koncentrują się tylko na przebiciu oferty konkurenta, nie zważając na znaczne przekroczenie rynkowej wartości przedmiotu.
Dzięki uprzejmości Sprzedawcy mogę zamieścić fotografie tego miernika, a na ich podstawie w skrócie opisać przyrząd.
Jest to miernik przenośny, o konstrukcji lampowej, zasilany z sieci 220 V. Wyskalowany jest w impulsach na minutę, a detektorem jest okienkowy licznik G-M nieustalonego typu umieszczony w sondzie, mocowanej w sprężynowym uchwycie z przodu obudowy.
Przewody - zasilający oraz sondy - zwinięte są w osobnym przedziale, dostępnym po zdjęciu bocznej ścianki. Dźwięk impulsów sygnalizowany jest za pomocą pojedynczej słuchawki wysookoomowej, zamontowanej w narożniku obudowy za pomocą oryginalnego jarzemka, standardowo mocującego ją do pałąka nagłownego.
Detektorem promieniowania jest okienkowy licznik G-M o powierzchni okienka 4,5 cm2. Nie znam niestety jego parametrów, ale podejrzewam grube okienko mikowe 3-4 mg/cm2, przepuszczalne jedynie dla promieniowania beta. Na wewnętrznej stronie odejmowanej ścianki obudowy przyklejono protokół skalowania miernika za pomocą źródła Co-60 - częstość zliczania 1000 cpm (16,6 cps) odpowiada 0,65 mR/h (~6,5 µSv/h):
Licznik umieszczono w sondzie z głowicą zamontowaną pod kątem rozwartym, konstrukcja przypomina nieco skróconą sondę od DP-11B.
Miernik jest obsługiwany za pomocą pokrętła na górnym panelu oraz przesuwnego przełącznika zakresów umieszczonego w rączce.
Na obudowie przynitowano tabliczkę znamionową z oznaczeniem modelu, numeru seryjnego i napięcia zasilającego. Numer 337 raczej oznacza kolejny wyrób pośród wszystkich przyrządów wyprodukowanych przez KBAE w danym roku. Jeśli tych monitorów powstałoby kilkaset sztuk, podaż na rynku wtórnym byłaby znacznie większa.
W cytowanym na początku notki katalogu aparatury produkowanej w szkołach wyższych znalazłem opis bardzo podobnego miernika. Kształt obudowy jest ten sam, różnice występują w sondzie:
Przyrząd jest bardzo ciekawym zabytkiem techniki, dokumentującym pradzieje polskiej atomistyki, jednak jego wartość użytkowa jest dość ograniczona. Głównymi problemami są: ciężar, zasilanie sieciowe oraz wiek elementów elektronicznych. Spodziewałbym się również znacznego uchybu pomiaru. Tym niemniej, jeśli już taki przyrząd trafi w nasze ręce, powinien być z całą pieczołowitością wyremontowany - nawet jeśli nie w celach użytkowych, to kolekcjonerskich. Wynik licytacji pokazał istnienie pewnej niszy na rynku kolekcjonerskim. Jeśli spotkaliście się z podobnymi przyrządami lub chcecie pochwalić się swoim egzemplarzem, dajcie znać w komentarzach!
Szkło kryształowe, potocznie zwane "kryształami", jest wytwarzane przed dodanie do masy
szklanej tlenków ołowiu, głównie glejty (PbO) i minii (Pb3O4). Zawartość tlenku
ołowiu wynosi od 18 do 80 %, w zależności od przeznaczenia danego gatunku szkła. Dodatek ten zmienia wiele właściwości szkła,
zmniejszając temperaturę topnienia i lepkość w postaci płynnej, a także twardość
i odporność na działanie kwasów i zasad. Jednocześnie zwiększa współczynnik
załamania światła i dyspersję, a także gęstość i stopień absorpcji
promieniowania gamma oraz rentgenowskiego.
Oczywiście wbrew potocznej nazwie szkło kryształowe nie ma struktury krystalicznej, tylko, tak samo jak inne gatunki szkła, amorficzną (bezpostaciową).
Powyższe właściwości szkła ołowiowego powodują, że jest
stosowane w ochronie radiologicznej jako materiał na przezroczyste osłony przed
promieniowaniem, głównie w tzw. komorach gorących, gdzie pracuje się z
izotopami radioaktywnymi o dużych aktywnościach.
Komora gorąca w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku
Używa się go również do wyrobu
obiektywów achromatycznych, czyli pozbawionych aberracji chromatycznej. Szkło
ołowiowe jest w nich tzw. szkłem flint, czyli o wysokiej dyspersji i wysokim
współczynniku załamania światła, a drugą soczewką jest szkło typu crown
(potasowe), mającym niskie oba te parametry.
Ostatnim, ale najbardziej powszechnym zastosowaniem szkła
ołowiowego są wyroby dekoracyjne, czyli popularne "kryształy". Niska
temperatura topnienia i mała lepkość ułatwiają formowanie, zaś miękkość i podatność
na czynniki żrące pozwalają na kunsztowne rzeźbienie i wytrawianie. Z kolei właściwości
optyczne szkła ołowiowego zapewniają mu charakterystyczny blask i efektowne rozszczepienia
światła na szlifach.
Sklep ze szkłem kryształowym w Warszawie, 1968 r., fot. G. Rutowska, zbiory NAC.
"Kryształy" były bardzo popularne w latach PRL i
wytwarzano je w licznych hutach, zarówno specjalizujących się w szkle
kryształowym (Julia, Violetta), jak i w zwykłych hutach szkła gospodarczego
(Irena, Edyta).
Huta szkła kryształowego "Julia", fot. G. Rutowska, zbiory NAC.
Obecnie z racji zmiany mody i obaw przed zawartością ołowiu
"kryształy" są wyprzedawane za bezcen lub wręcz wystawiane na
śmietniki, szczególnie najbardziej pospolite wzory. Pozwala to na łatwe
zaopatrzenie się w bardzo ciekawe źródło niskoenergetycznego promieniowania.
Szkło kryształowe wykazuje bowiem nieznaczną radioaktywność, możliwą do
zmierzenia za pomocą większości dozymetrów beta-gamma. Osiągane wyniki stanowią
dwu- lub trzykrotne przekroczenie tła naturalnego dla emisji łącznej beta+gamma lu alfa+beta+gamma.
Niekiedy wręcz
przekraczają wartości mierzone przy najmniej aktywnym szkle uranowym - porównajcie wyniki z powyższego filmu i przedstawione w notce o niskoaktywnym szkle uranowym [LINK].
Mierzone wartości zależą od wielu czynników, w tym zawartości ołowiu i innych
pierwiastków w szkle, grubości szkła oraz jego kształtu, który wpływa na
geometrię układu pomiarowego. Płaskie wyroby, przylegające do całej powierzchni
detektora, zapewniają nieco wyższe odczyty niż przedmioty o skomplikowanych kształtach.
Wyroby, które mierzyłem, zarówno w domu, jak i na targu, generowały dosyć zbliżone poziomy promieniowania, na poziomie dwu- lub trzykrotności tła naturalnego. Odniesienie do tła naturalnego jest istotne szczególnie przy wysokoczułych licznikach okienkowych, których wysoka czułość oznacza jednocześnie znaczny bieg własny. Przykładowo 70 rozp/min*cm2 w MKS-01SA1M może się wydawać wysokim odczytem, ale pamiętajmy, że z tej wartości 30 rozp/min*cm2 przypada na tło naturalne. Uwaga ta dotyczy też innych niskoaktywnych źródeł, mierzonych detektorami o wysokiej czułości.
Długo nie mogłem ustalić, który izotop odpowiada za promieniowanie szkła kryształowego. Ostatecznie dzięki pomocy Czytelnika (pozdrowienia!) udało się zbadać spektrum promieniowania, gdzie wyraźny jest pik potasu-40:
Z uwagi na swoją zdolność do pochłaniania promieniowania wyroby ze szkła kryształowego mogą służyć za improwizowany domek osłonny przy pomiarach małych aktywności. Podczas próby zebrania spektrum dozymetrem Raysid udało mi się osiągnąć prawie dwukrotne zmniejszenie odczytu tła naturalnego: z 26 cps do 15.
***
Promieniowanie szkła kryształowego może niekiedy
przeszkadzać przy poszukiwaniu szkła uranowego i ceramiki na targach, podnosząc
ogólny poziom promieniowania na stoisku. Zjawisko to występuje szczególnie
silnie, jeśli w kartonie znajduje się wiele wyrobów kryształowych, wówczas
wynik na dozymetrze oscyluje wokół dwukrotności tła naturalnego. Nazwałem to zjawisko "pułapką ośmiu cps", gdyż szczególnie silnie widać je przy pomiarach "żelazkiem" RKP-1-2. Pułapka ta daje mylne wrażenie, że w pobliżu dozymetru znajduje się silnie "świecący" artefakt, podczas gdy promieniowanie pochodzi od większej liczby niskoaktywnych wyrobów.
Jeżeli chodzi o bezpieczeństwo, to od strony radiologicznej nic nam nie grozi, generowana moc dawki jest bardzo niska, można ją porównać np. z granitem. Większym problemem jest zawartość ołowiu, ale tylko w przypadku długoterminowego przechowywania napojów o wysokiej kwasowości (wina, soków, coca-coli). Wówczas ołów będzie stopniowo przechodził do roztworu na skutek wypłukiwania ze ścianek naczynia. W przypadku wina porto już po dwóch dniach w kryształowej karafce zawartość ołowiu wyniosła 89 µg/l, zaś po czterech miesiącach aż 2000-5000 µg/l. Z kolei brandy przechowywana 5 lat w kryształowym naczyniu uzyskała stężenie 20000 µg/l. Z drugiej strony długotrwałe korzystanie z kryształowych naczyń powoduje wypłukanie większości ołowiu z warstwy bezpośrednio stykającej się z cieczą i zmniejszenie dalszego przenikania ołowiu do napojów.
Z punktu widzenia dozymetrycznego szkło kryształowe jest łatwo dostępnym pomocniczym źródłem promieniowania, przydatnym do testowania czułości dozymetrów na początku zakresu pomiarowego.
Elektrody spawalnicze wykonane z wolframu domieszkowanego 2% dwutlenku toru były do niedawna jednymi z najłatwiej dostępnych i najbardziej ekonomicznych "domowych" źródeł promieniowania. Oznaczane były czerwoną farbą na końcówce i kodem WT-20 na opakowaniu, co odróżniało je od elektrod z czystego wolframu lub z innymi, nieradioaktywnymi domieszkami:
Promieniowanie elektrod WT-20 było na tyle silne, by działać nawet na dozymetry z licznikiem G-M osłoniętym folią ołowianą (Biełła), szczególnie przy grubszych elektrodach (3-4 mm) lub całych paczkach cieńszych. Jednocześnie było na tyle niskoenergetyczne, by dało się łatwo wyekranować np. blaszanym pudełkiem. Elektrody nie groziły też skażeniem z uwagi na zwarty materiał, w przeciwieństwie do siatek Auera czy radowych farb świecących. Jeszcze wyższą domieszkę toru - 4 % - miały elektrody z oznaczeniem pomarańczowym (WT-40), jednak od dłuższego czasu nie są już dostępne, a i od elektrod WT-20 się już odchodzi. Ostatnio otrzymałem informację od Adama (www.qann.wikidot.com), że nabył paczkę kompletnie nieaktywnych elektrod WT-20 z czerwonym oznaczeniem. Oddaję głos Autorowi:
Badanie aktywności radiometrem RKSB-104 ze zdjętą osłoną liczników G-M.
Czas pomiaru - 4 x 240sek = 960sek (16 minut).
Uśredniony wynik dla tła - 0,154 μSv/h
Uśredniony wynik dla 10 szt elektrod - 0,163 μSv/h
Różnica +5,8% jest mniejsza niż fluktuacja pomiarów tła.
Badanie aktywności radiometrem RADIATEX MRD2.
Czas pomiaru - 4 x 240sek = 960sek (16 minut).
Uśredniony wynik dla tła - 0,124 μSv/h
Uśredniony wynik dla 10 szt elektrod - 0,121 μSv/h
Różnica -2,5% jest mniejsza niż fluktuacja pomiarów tła.
Badanie aktywności sondą G-M okienkową BOH-45 z przelicznikiem.
Czas pomiaru - 6 x 100sek = 600sek (10 minut).
Uśredniony wynik dla tła - 1,507cps
Uśredniony wynik dla 10 szt elektrod - 1,46cps
Różnica -3,2% jest mniejsza niż fluktuacja pomiarów tła.
Badanie aktywności sondą scyntylacyjną NaI(Tl) z przelicznikiem.
Czas pomiaru - 6 x 100sek = 600sek (10 minut).
Napięcie fotopowielacza 450V.
Uśredniony wynik dla tła - 11,62cps
Uśredniony wynik dla 10 szt elektrod - 11,73cps
Różnica +1% jest mniejsza niż fluktuacja pomiarów tła.
Czas pomiaru - 6 x 100sek = 600sek (10 minut).
Napięcie fotopowielacza 475V.
Uśredniony wynik dla tła - 22,20cps
(12 120 zarejestrowanych impulsów)
Uśredniony wynik dla 10 szt elektrod - 22,51cps
(13 506 zarejestrowanych impulsów)
Różnica +1,4% jest mniejsza niż fluktuacja pomiarów tła.
Wniosek:
Aktywność badanych 10 sztuk elektrod jest zbliżona do zera (wielokrotnie mniejsza niż naturalne tło).
Żadna z zastosowanych metod pomiaru nie wykazała zawartości toru w elektrodach.
Komentarz:
Pomiar jednej elektrody, o identycznych wymiarach, zawierających deklarowaną domieszkę toru, wykazywał aktywność przewyższającą aktywność tła naturalnego. Przy dziesięciu elektrodach wynik powinien być znacząco większy. [Dla porównania pomiary elektrody WT-20 o średnicy 3 mm - LINK]
Gliwice 20.04.2021 r.
***
Dziękuję za przeprowadzenie dokładnych testów. Jak widać, czasem nawet "pewniaki" mogą zrobić przykrą niespodziankę, szczególnie przy sprzedaży wysyłkowej. Na szczęście jest możliwość zwrotu. Zastanawia mnie przyczyna takiego stanu rzeczy - czy w fabryce omyłkowo naniesiono oznaczenia elektrod WT-20 na elektrody niezawierające toru-232, czy też jest to działanie celowe, mające zastąpić ten radioaktywny izotop jakimś odpowiednikiem? Ale w takim wypadku opis "2% thoriated" byłby po prostu fałszywy, elektrody "czerwone" zawierają tor, tak jak "złote" lantan, użycie innego pierwiastka, nawet podobnego, zmieni typ elektrody, a wiec i oznaczenie. Jeśli spotkaliście się z nieradioaktywnymi elektrodami WT-20, dajcie znać w komentarzach.
tym razem mam przyjemność zaprosić na bardzo ciekawy wykład. Popularyzator i nauczyciel fizyki - Jacek Gaj opowiada o krakowskich cyklotronach , Centrum Synchrotronowym SOLARIS i największym w Polsce generatorze van de Graaffa:
Jeśli spodobała się Wam prelekcja lub macie jakieś uwagi i propozycje, proszę zostawcie komentarz pod filmem i udostępniajcie materiał dalej. Taką świetną robotę popularyzatorską trzeba koniecznie promować!
Radiometr ten występuje bądź jako pierienosnyj (przenośny), bądź korabelnyj (okrętowy) - i obie nazwy są zgodne z rzeczywistością, gdyż do chwili obecnej jest wykorzystywany w rosyjskiej flocie. Wymienia go m.in. podręcznik Zasady ochrony okrętu przed bronią masowego rażenia, wydany jeszcze w okresie Układu Warszawskiego.
Z wyglądu przypomina dobrze nam znane rentgenoradiometry serii DP-5, jednak podobieństwo jest tylko częściowe. Oprócz innego rozmieszczenia elementów sterujących zwraca uwagę wymienna sonda z mocnym, hermetycznym przyłączem na gwint, pokrętło kompensacji tła gamma oraz lampka sygnalizująca impulsy, a także wtyki słuchawek typu "bananowego".
Przyrząd mierzy skażenia beta od 100 do 1 mln rozp./min*cm2 za pomocą okienkowego licznika G-M typu SBT-11A umieszczonego w zewnętrznej sondzie. Sondę można zamontować na spodniej ściance korpusu miernika lub umieścić na teleskopowej przedłużce (0,4 - 1 m).
Sonda z odsuniętą klapką-filtrem okienka pomiarowego, samo okienko zabezpieczone jest cienką folią. Sonda zamocowana
w specjalnej szynie na spodniej ściance korpusu miernika.
Radiometr ma kompensację tła promieniowania gamma przy pomiarach aktywności promieniowania beta. W zależności od zakresu można odjąć do 0,1, 10, 100 i 500 mR/h, aby uzyskać pomiar samych skażeń beta, nawet w warunkach podwyższonego tła gamma.
KRBG-01 mierzy też moc dawki gamma od 25 mR/h do 300 R/h przy użyciu cylindrycznego licznika G-M typu SI-34G umieszczonego w dodatkowej sondzie. Długość przewodu ten sondy wynosi aż 3 m, co pozwala na pomiar w trudno dostępnych miejscach lub zza ukryć. Nie spotkałem się jednak ze zdjęciami tej sondy.
Zasilanie z 2 baterii 1,6-PMC-Ch-1,05 starczających na 30 godzin pracy lub z akumulatora SCS-5 pozwalającego na 150 h pracy. Napięcie zasilania 1,5-1,8 V, choć niektórzy podają 0,9-1,5 V i prąd 22-31 mA.
W rosyjskojęzycznym internecie spotkałem się z cytowanymi wspomnieniami jednego z likwidatorów awarii w Czarnobylu, mówiącego, że ich grupa zamiast DP-5W otrzymała właśnie KRBG-01. Początkowo nie zwrócili na to uwagi. Dopiero później okazało się, że KRBG-01 jest przeznaczony do pracy na morzu, w warunkach podwyższonej wilgotności i odpowiednio skompensowany do tych warunków, zatem na suchym lądzie przekłamuje wyniki. Później przysłali im DP-5W, który zresztą ponoć szybko się przepalił i musiał być wysłany do serwisu. Se non e vero, e ben trovato.
***
Według rosyjskich użytkowników KRBG-01 wykazuje większą czułość od DP-5 wszystkich wersji, czemu trudno się dziwić z uwagi na większą powierzchnię czynną i mniejszą grubość powierzchniową okienka pomiarowego. Zegar lotniczy ACzS miał być wykrywany już z odległości 0,5 m (wzrost o 5-10 µR/h czyli 0,05-0,1 µSv/h), podczas gdy DP-5W nie reagował wcale. Tło naturalne mierzone tym przyrządem miało wynosić 25-30 µR/h (0,25-0,3 µSv/h), czyli nieco więcej niż gdyby było mierzone typowym cylindrycznym licznikiem G-M (przeciętnie 0,1 µSv/h). Okienkowy licznik G-M typu SBT-11A był wyjątkowo długo stosowany w radzieckich przyrządach dozymetrycznych - od kieszonkowego radiometru KR z lat 60. aż po popularny dozymetr MS-04B Expert z początku lat 90.
Sam przyrząd, pomimo ciekawej konstrukcji i przydatnych parametrów użytkowych pojawia się wyjątkowo rzadko nawet na rynku rosyjskim, zatem przedstawiłem go jedynie jako ciekawostkę.
Trzeci z podstawowych rodzajów promieniowania najbliższy jest potocznemu wyobrażeniu o promieniowaniu jako o energii. W odróżnieniu od promieniowania alfa i beta, które mają strukturę korpuskularną (są strumieniami cząstek) promieniowanie gamma jest falą elektromagnetyczną, tak jak fale radiowe, podczerwień czy ultrafiolet, tylko o znacznie wyższej częstotliwości. Sprzyja to oczywiście błędnemu stawianiu znaku równości między promieniowaniem gamma a mikrofalami, o czym już kilkukrotnie wspominałem [LINK]. Powtórzę raz jeszcze, że mikrofale znajdują się zupełnie przeciwnym końcu widma promieniowania elektromagnetycznego niż promieniowanie gamma, mają też znacznie większą długość fali:
W przeciwieństwie do cząstek alfa i beta, mających ładunek elektryczny (odpowiednio: dodatni i ujemny), promieniowanie gamma, jako pozbawione ładunku nie ulega odchyleniu w polu magnetycznym i elektrycznym.
Cechą charakterystyczną promieniowania gamma jest fakt, że nie występuje ono samoistnie. Zwykle towarzyszy emisji alfa albo beta, bądź też jest efektem innych przemian jądrowych. Przykładem może być rozpad alfa ameryku-241, stosowanego w izotopowych czujkach dymu. Oprócz emisji cząstek alfa o energii 5,4 MeV występują też niskoenergetyczne kwanty gamma, głównie 59 keV:
Z kolei kobalt-60, przechodząc rozpad beta-minus do niklu-60, emituje dwa kwanty promieniowania gamma (1,17 i 1,33 MeV), dlatego przyjmuje się średnią energię 1,25 MeV:
Dwa kwanty gamma powstają też przy anihilacji pary pozyton-elektron. Kwanty te rozchodzą się pod kątem 180 stopni od siebie, co jest wykorzystywane w pozytonowej tomografii emisyjnej (PET):
Powrót atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego ma również miejsce w reakcjach rozszczepienia jąder ciężkich (np. uranu lub plutonu) bądź też syntezy jąder lekkich (np. deuteru i trytu w hel). W przypadku rozszczepienia uranu następuje to po pochłonięciu neutronu przez jądro uranu-235. Powstaje wtedy wzbudzone jądro uranu-236 (oznaczone gwiazdką), które rozpada się na tzw. fragmenty rozszczepienia, wypromieniowując nadmiarową energię jako promieniowanie gamma. Poniżej dwie przykładowe reakcje, temat rozszczepienia szerzej omówię w osobnej notce.
Promieniowanie gamma jest praktycznie tożsame z promieniowaniem rentgenowskim, od którego różni się jedynie miejscem powstania, powstaje bowiem w jądrze atomu, a nie w wyniku interakcji cząstek naładowanych z powłokami elektronowymi bądź jądrami atomowymi. W lampie rentgenowskiej promieniowanie powstaje na skutek hamowania elektronów, wysyłanych z katody, na anodzie, czyli tarczy z wolframu lub innego ciężkiego pierwiastka:
Rozpędzone elektrony zderzając się z elektronami na wewnętrznych powłokach atomu powodują ich wybicie poza atom. Na opróżnioną w ten sposób powłokę przechodzi elektron z powłoki wyższej. Ponieważ energia elektronów na niższych powłokach jest mniejsza niż na wyższych, nadmiar energii jest wypromieniowywany w postaci kwantów promieniowania rentgenowskiego.
Kiedyś odróżniano te promieniowanie gamma i rentgenowskie na podstawie energii, jednak ich zakresy pokrywają się w pewnym stopniu, jak widać na poniższym diagramie:
W praktyce mamy do czynienia z zakresem energii promieniowania gamma 30 keV - 3 MeV i na takie energie reaguje większość typowych liczników Geigera. Widmo energii promieniowania gamma jest monoenergetyczne i powiązane ściśle z danym izotopem, co umożliwia identyfikację za pomocą spektrometrów. Na temat samej spektrometrii pisałem nieco przy okazji recenzji spektrometru µSpect [LINK].
Najbardziej znane emitery promieniowania gamma to kobalt-60, iryd-192 i cez-137. Emisja gamma występuje również w przypadku radu-226 (188 keV), choć w widmie tego izotopu dominują głównie kwanty od jego produktów rozpadu (ołów-214, bizmut-214).
Interakcja promieniowania gamma z materią zależy od energii promieniowania i liczby atomowej materiału, przez który przechodzą kwanty. Rozpraszanie odbywa się na zasadzie efektu fotoelektrycznego, zjawiska Comptona albo zjawiska tworzenia par:
Przenikliwość promieniowania gamma jest nieporównanie większa w stosunku do cząstek alfa i beta, gdyż kwanty gamma słabo oddziałują z materią, a ich działanie jonizujące ma charakter pośredni.
Cyt. za: Podstawowe wiadomości z zakresu przysposobienia wojskowego (praca zbiorowa), wyd. II popr. i uzup., Wydawnictwo MON, Warszawa 1960
Jako materiały na osłony przed promieniowaniem gamma stosuje się pierwiastki ciężkie, głównie ołów, żelazo i rtęć. Osłony ołowiane mają większą skuteczność osłabiania niż stalowe, są jednak znacznie cięższe i mogą się odkształcać pod własnym ciężarem przy grubszych warstwach. Zwykle wykonuje się je w postaci cegieł łączonych ze sobą na pióro i wpust - poniżej ołowiana kształtka dwudaszkowa o grubości 10 cm i wadze 10 kg:
Z kolei osłony stalowe są samonośne z uwagi na większą twardość stali niż ołowiu, która zapewnia sztywność konstrukcji.
Jeśli osłony muszą być przezroczyste, np. w wizjerach "komór gorących", wówczas stosuje się szkło ołowiowe, czyli domieszkowane tlenkami ołowiu:
Bardzo skutecznym materiałem osłonnym jest zubożony uran, którego aktywność właściwa jest niewielka, zaś ciężar atomowy znacznie większy niż ołowiu, co przekłada się na wydajność osłabiania. Poniżej porównanie grubości i masy warstwy półchłonnej, czyli osłabiającej promieniowanie o połowę - jak widać, zubożony uran jest bezkonkurencyjny:
Do pomiaru promieniowania gamma stosujemy wszystkie rodzaje detektorów, przy czym wydajność liczników scyntylacyjnych (głównie jodek sodu i jodek cezu) jest znacznie większa niż liczników Geigera-Mullera. Liczniki G-M, pomimo niskiej wydajności dla promieniowania gamma (zaledwie 1%) są mimo to powszechnie stosowane z racji niskiej ceny i prostoty układu konstrukcyjnego. Ostatnio jednak zyskały konkurencję w postaci detektorów półprzewodnikowych, mających znacznie mniejsze wymiary przy lepszej wydajności.
W dozymetrii promieniowania gamma i rentgenowskiego do niedawna główną rolę odgrywała dawka ekspozycyjna, czyli zdolność promieniowania do jonizowania powietrza. Wyrażano ją w pozaukładowej jednostce, zwanej rentgenem (R), lub rzadziej w układowych - kulombach na kilogram (C/kg). Dawka ekspozycyjna dotyczyła tylko promieniowania gamma lub rentgenowskiego. Obecnie dawka ekspozycyjna straciła znaczenie na rzecz dawki pochłoniętej i równoważnika dawki. Dawka pochłonięta oznacza ilość energii przekazanej określonej masie materii i wyraża się ją w grejach (1 Gy = 1 J/lg). Z kolei równoważnik dawki, mierzony w siwertach (Sv) uwzględnia biologiczne działanie promieniowania w efekcie pomnożenia dawki pochłoniętej przez współczynnik jakości (QF) danego rodzaju promieniowania. Promieniowanie gamma ma ten współczynnik równy 1, zatem można przyjąć, że 1 Gy promieniowania gamma odpowiada 1 Sv.
***
Zastosowanie promieniowania gamma i rentgenowskiego opiera się przede wszystkim na zastosowaniu jego wysokiej przenikliwości oraz działania biobójczego. Będą to:
prześwietlenia w diagnostyce medycznej (zdjęcia rentgenowskie, fluoroskopia) i technicznej (defektoskopia)
Źródła izotopowe promieniowania gamma ma tą przewagę nad lampami rentgenowskimi, że nie wymagają zewnętrznego źródło energii, a moc dawki można zwiększać do bardzo wysokich poziomów, instalując po prostu silniejsze źródło. Jedynym ograniczeniem jest grubość osłony, niezbędna do zapewnienia bezpieczeństwa podczas transportu. Z kolei lampa rentgenowska wymaga prądu zarówno do działania, jak i do chłodzenia, zaś pobór energii rośnie znacznie wraz z mocą. Źródło izotopowe może być zupełnie pozbawione zasilania niezależnie od aktywności, wystarczy mechaniczny lub pneumatyczny układ otwierający osłonę z odległości bezpiecznej dla osób obsługujących. Jedyny problem, jaki może tu powstać, to zablokowanie się źródła przy otwartej osłonie. Z drugiej strony brak możliwości przerwania emisji promieniowania ogranicza nieco zastosowanie źródeł izotopowych ze względów bezpieczeństwa. Lampa rentgenowska umożliwia też w pewnym zakresie regulację energii generowanego promieniowania przez zwiększanie napięcia na lampie, źródła izotopowe zaś emitują promieniowanie o stałej energii, charakterystycznej dla danego izotopu, zwykle cezu-137, irydu-192 lub kobaltu-60.
Dla odróżnienia, czy źródło promieniowania można wyłączyć, czy też nie, zastosowano odmienne kolory symbolu "koniczynki" - czerwony dla źródeł izotopowych, czarny dla źródeł niebędących izotopami (lampy rentgenowskie, cyklotrony itp).
W "codziennej dozymetrii" praktycznie nie będziemy mieli do czynienia z czystym promieniowaniem gamma, chyba że natkniemy się na skradzione źródło izotopowe. Pierwiastki promieniotwórcze występujące w wyrobach codziennego użytku czy w minerałach (uran, rad, tor) emitują mieszaninę promieniowania alfa, beta oraz gamma o różnych energiach, pochodzącego zarówno od macierzystego izotopu, jak i od jego produktów rozpadu. Promieniowanie gamma stanowi zaledwie niewielki fragment łącznej emisji, ale dość wyraźny. Z kolei ze stosunku łącznej emisji do samej emisji gamma niekiedy możemy ustalić, z jakim izotopem mamy do czynienia - w przypadku toru-232 stosunek ten będzie wynosił 1:10.
Proste indykatory promieniowania na potrzeby szkolnictwa
produkowane były w latach 60. przez Fabrykę Pomocy Naukowych "Biofiz" w Poznaniu. Pojedyncze egzemplarze co jakiś czas pojawiają się na rynku wtórnym
- sam posiadałem dwa, które omawiałem w
osobnej notce [LINK].
Tym razem trafiła mi się nowsza konstrukcja, z którą
spotkałem się po raz pierwszy od początku bloga, czyli od 2013 r.
Indykator ten wyprodukowała Fabryka Pomocy Naukowych w Nysie,
wykorzystując obudowę od radioodbiornika Iza MOT-745 produkcji zakładów Unitra-Eltra.
Radio to wyróżniało się obłą obudową w żywych barwach, skrajnie odmienną od
panującej wówczas stylistyki.
Obudowę dostosowano do konstrukcji radioindykatora, unikając
jak najbardziej wszelkich ingerencji w tworzywo sztuczne. Otwory po
potencjometrze i pokrętle strojenia zaklejono od wewnątrz tkaniną.
W otworze
mieszczącym zaczep paska na rękę umieszczono pomarańczową neonówkę sygnalizującą impulsy.
Gniazdo słuchawek (jack 3,5) przeznaczono do podłączenia zasilacza, zaś z
przełącznika zakresów zrobiono włącznik, zachowując opisy D - S (fale długie -
średnie).
Pod szybką skali umieszczono kartkę z napisem "szkolny
radioindykator" zaś na tylnej ściance dodano logo FPN Nysa i napis
"Napięcie znam. 9V". Pozostawiono klapkę komory baterii, choć nie
przewidziano zasilania bateryjnego.
Jeżeli chodzi o układ elektroniczny, to zwraca uwagę
zastosowany licznik G-M - jest to DOB-80! Licznik ten stosowany był w rentgenoradiometrach DP-66 i
DP-66M, gdzie odpowiadał za IV zakres pomiarowy (0,05-0,5 R/h). Zastosowanie tego licznika może dziwić, ale jest zamierzone przez projektanta, gdyż na płytce drukowanej, przy wyprowadzeniach
licznika, widać wyraźnie napis DOB-80.
Licznik DOB-80 ma ok. 4 razy mniejszą czułość niż liczniki STS-5/BOB-33/DOI-33, zatem nie jest najlepszym wyborem w przyrządzie, który ma indykować tło naturalne i niskie moce dawek. Oczywiście będzie reagował na słabe źródła i to nawet dość wyraźnie, co widać na powyższym teście licznika zamontowanego w DP-66:
Niestety, choć mój indykator po podłączeniu zasilacza 9V uruchomił się, wydając pisk
pracującej przetwornicy WN, to jednak głośnik pozostawał cichy, za wyjątkiem
pojedynczego impulsu chwilę po włączeniu. Nie reagował nawet przy zbliżaniu
silniejszych źródeł do detektora. Zwiększenie napięcia zasilającego do 11 V
powodowało wzbudzanie się głośnika i częste błyski neonówki, niezależnie od obecności
źródła promieniowania. Podobny efekt osiągnąłem, manipulując potencjometrem
przetwornicy WN, zachowując napięcie zasilania 9V. Wylutowałem więc oryginalny licznik
i na jego miejsce umieściłem DOB-50.Udało mi się zarejestrować rzadkie impulsy tła naturalnego oraz
niewielki wzrost wskazań od silniejszych źródeł. Licznik DOB-50 odpowiadał za
najwyższe zakresy pomiarowe (0,5-5 R/h i 5-200 R/h) w DP-66 i DP-66M. Od od biedy można nim zastąpić
STS-5/SBM-20, choć czułość będzie wielokrotnie niższa.
Przekonawszy się, że układ zliczający jest sprawny, podłączyłem
licznik BOB-33 i dopiero wówczas indykator zaczął pracować jak należy.
Rejestrował zarówno tło naturalne, jak również promieniowanie nawet od słabych
źródeł. Licznik DOB-80 podpiąłem zaś do radiometru UDR-2. Niestety pomimo
ustawienia napięcia roboczego na 500-600 V efekt był ten sam - pojedynczy
impuls zaraz po załączeniu prądu i cisza.
Jak się później dowiedziałem, liczniki DOB-80 są wysoce awaryjne na skutek wadliwej konstrukcji wyprowadzeń. Po pewnym czasie przepusty tracą szczelność i stopniowo wpuszczają powietrze do objętości czynnej licznika, powodując wyładowania ciągłe przy wyższych napięciach. Problem dotyczy zarówno liczników zapasów magazynowych, jak i zamontowanych w DP-66 i DP-66M. Liczniki DOB-50 są bardziej trwałe, gdyż wyprowadzenia umieszczono naprzeciwko siebie, a nie równolegle.
***
Indykator ten przedstawiłem w charakterze ciekawostki, choć może służyć do identyfikowania silniejszych źródeł promieniowania i niektórych pokazów popularnonaukowych. W razie potrzeby możemy też go stosować do testowania liczników G-M, podpinając zaciski pod wyprowadzenia przetwornicy WN. Jeżeli ktoś miałby dodatkowe informacje o tym indykatorze, proszę o kontakt przez formularz bloga.
