W rozważaniach na temat skażeń radioaktywnych, eksplozji nuklearnych czy taktycznych ładunków jądrowych wcześniej czy później pojawia się takie oto pytanie:
„ok, rozumiem, że promieniowanie jest szkodliwe; wiem, że istnieją ściśle określone wartości, powyżej których należy szukać schronienia i zaniechać ewakuacji, ale… w jaki dokładnie sposób mam zmierzyć promieniowanie? Tak w ogóle to w czym się mierzy radioaktywność?”
Oczywiście, nie ma prostej odpowiedzi. Dział nauki, który zajmuje się pomiarem promieniowania, czyli dozymetria, jest niezwykle rozległy i owocuje w zawiłe równania i skomplikowane obliczenia. Początkujący adept sztuki przeżycia w warunkach potencjalnego konfliktu atomowego szybko może poczuć się zagubiony. Ale od czego jest serwis Urban Rat? W tym artykule postaramy się wszystko wytłumaczyć bez zbędnego teoretyzowania, nie wchodząc w niepotrzebne szczegóły i techniczne zawiłości. Przedstawimy praktyczną wiedzę na temat metod pomiaru promieniowania oraz wytłumaczymy w jakich jednostkach ją wyrażać, aby każdy mógł intuicyjnie wyczuć niezwykle skomplikowaną kwestię dozymetrii. Mała uwaga dla Inspektorów Ochrony Radiologicznej – niektóre zagadnienia musieliśmy znacznie uprościć, aby artykuł był przystępny i zrozumiały. Zaczynajmy!
Po pierwsze należy sobie uświadomić, że istota ludzka nie jest w stanie wyczuć promieniowania jonizującego. Choć, mówiąc nieco przewrotnie, jesteś w stanie poczuć promieniowanie jako oparzenie skóry, to jednak taka sytuacja oznacza, że zostałeś/zostałaś właśnie poddany ekstremalnie silnej dawce i Twój los jest raczej przesądzony. Na tym polega olbrzymie niebezpieczeństwo radioaktywności – żaden z Twoich zmysłów nie wykrywa promieniowania, możesz przebywać zaraz koło źródła i nie być nawet tego świadomym. Aby wykryć promieniowanie jonizujące, człowiek musi posiłkować się technologią.
Po drugie, jak wiesz z naszych innych artykułów, istnieje kilka różnych rodzajów promieniowania jonizującego i każde z nich wykrywane jest innymi metodami. Celem uproszczenia i przedstawienia maksymalnie praktycznej treści, my ograniczymy się tylko do promieniowania gamma, które stanowi główne zagrożenie w większości zdarzeń radiacyjnych. Choć promieniowanie gamma może brzmieć nieco egzotycznie, na pewno jest Ci znany termin promieniowania rentgenowskiego czy X, które w swej naturze jest niemal identyczna jak gamma. Główna różnica między jednym a drugim polega na źródle powstawania promieniowania – gamma generowana jest w jądrach atomowych, a promieniowanie X w powłokach elektronowych.
Detektor Geigera-Müllera
Jakie jest pierwsze skojarzenie z miernikiem radioaktywności? Zapewne osławiony licznik Geigera. To dobry punkt wyjściowy do dalszych rozważań, dlatego zacznijmy właśnie od niego. Licznik Geigera, a dokładnie Geigera-Müllera zamienia promieniowanie gamma na impuls elektryczny. Sercem licznika jest tuba zawierająca gaz szlachetny, czyli taki, który nie lubi reagować z otoczeniem. Przez środek tuby biegnie anoda, czyli cienki przewód elektryczny. Zarówno anoda, jak i metalowa obudowa tuby, podłączone są do wysokiego napięcia. W warunkach braku promieniowania nic się nie dzieje – gaz szlachetny, np. argon swobodnie przemieszcza się wewnątrz tuby, snobistycznie nie wchodząc w żadne interakcje z otoczeniem. Sytuacja jednak zmienia się, gdy w argon uderzy kwant gamma – powoduje to wybicie elektronu z jego powłoki. Ponieważ elektron jest elektrycznie ujemny i znajduje się w silnym polu elektrycznym, to nastąpi jego przyspieszenie w kierunku anody. Po drodze jednak elektron uderza w znajdujące się na jego drodze atomy argonu, wybijając następne elektrony, a te kolejne, generując ich prawdziwą lawinę (jest to tzw. mechanizm Townsenda). Kiedy ilość elektronów osiągnie pewną wartość krytyczną, następuje wyładowanie w postaci impulsu elektrycznego. W starszych modelach to wyładowanie objawiało się w postaci charakterystycznego dźwięku, przypominającego trzaśnięcie (z filmów wiemy, że jak jest dużo trzasków, to trzeba uciekać 🙂 ).
Nowsze wersje zliczają ilość impulsów i w oparciu o indywidualną kalibrację, przedstawiają ilość promieniowania w odpowiednich jednostkach. Liczniki Geigera-Müllera nie są idealne i mają kilka poważnych wad. Ponieważ w tubie panuje podciśnienie, może dojść do jej rozszczelnienia (np. w wyniku uszkodzenia mechanicznego) i wypełnienia powietrzem atmosferycznym. Sama tuba również się starzeje, następuje np. degradacja tzw. czynnika gaszącego, co prowadzi do spadku jakości detekcji.
Detektor scyntylacyjny
Ludzkość wymyśliła bardziej zaawansowane metody pomiaru promieniowania, a jednym z powszechnych typów detektorów są kryształy scyntylacyjne. Scyntylacja oznacza powstanie rozbłysku świetlnego w wyniku przejścia promieniowania. A zatem kryształ scyntylacyjny będzie emitował światło przy ekspozycji na kwanty gamma. Brzmi prawie jak magia, prawda? Przykładem takiego kryształu jest jodek sodu (NaI), który zawiera w sobie domieszkę talu. Nie wchodząc zbyt głęboko w szczegóły, kwant gamma uderzając w kryształ NaI powoduje emisję światła niebieskiego, które następnie dociera do tuby, zwanej fotopowielaczem. Tam pada na specjalną warstwę – fotokatodę, która w efekcie emituje elektron. Następnie elektron jest wzmacniany w tubie przez serię tzw. dynod, powodując powstanie lawiny elektronowej – podobnie jak w liczniku Geigera-Müllera, co następnie konwertowane jest na poziom promieniowania, wyrażony w odpowiednich jednostkach.
Detektor półprzewodnikowy
Trzecią, popularną grupą detektorów promieniowania jonizującego są diody półprzewodnikowe. Teoria działania półprzewodników jest niezwykle fascynująca, niestety będziemy musieli ją skrócić, wspominając jedynie o tym, że diody to elementy elektroniczne, które najprościej mówiąc, przewodzą prąd elektryczny tylko w jedną stronę. Diodę można wpiąć w układ na dwojaki sposób – tak, aby była przewodnikiem albo izolatorem. Gdy podłączymy diodę tak, aby była izolatorem, mówimy, że jest podłączona w kierunku zaporowym. Tak się właśnie dzieje w przypadku detektorów promieniowania. Dioda w kierunku zaporowym nie przewodzi prądu, ponieważ posiada tzw. pasmo zabronione, czyli obszar energetyczny, który nie pozwala na ruch elektronów. Jednak w pewnych warunkach jest możliwy przepływ prądu – jeżeli w materiał półprzewodnika uderzy kwant gamma, może nastąpić wygenerowanie pary elektron-dziura, a w konsekwencji przepływ prądu. Mierząc wartość tego prądu, możemy mierzyć ilość promieniowania.
Oczywiście istnieją jeszcze inne detektory promieniowania, ale nie ma potrzeby o nich teraz wspominać, ponieważ większość modeli dozymetrów dostępnych na polską kieszeń, zawiera jeden z tych trzech detektorów. Można przy tym założyć, że mierniki promieniowania oparte o kryształ scyntylacyjny lub diodę półprzewodnikową są generalnie lepsze od liczników Geigera-Müllera. Przy zakupie warto sprawdzić w specyfikacji technicznej z jakim czujnikiem mamy do czynienia. Tutaj mała uwaga techniczna: tuby Geigera-Müllera często opisywane są skrótem 'GM’.
W jakich jednostkach mierzy się promieniowanie?
Oczywiście w tej kwestii też nie może być za prosto i musi istnieć całe bestiarium egzotycznych jednostek: bekerel, rad, rentgen, rem, kiur, grej, siwert. Sprawę utrudnia fakt, że samo stwierdzenie „pomiar promieniowania” jest bardzo nieprecyzyjne. Możemy mierzyć różne rzeczy: aktywność, dawkę pochłoniętą, dawkę równoważną, dawkę efektywną, równoważnik dawki, moc równoważnika dawki itp. Bardzo łatwo się w tym pogubić, dlatego musimy maksymalnie uprościć sprawę i zrobić kilka założeń:
1. Najbardziej uniwersalną jednostką pomiaru promieniowania jest siwert [Sv].
1 siwert to bardzo dużo, dlatego dzielimy go na tysięczne części (milisiwerty [mSv]) oraz milionowe części (mikrosiwerty [uSv]). Siwertami mierzymy dawkę promieniowania (a dokładniej dawkę równoważną i efektywną, a także równoważnik dawki, ale nie będziemy zagłębiać się w szczegóły i celem uproszczenia określmy te wszystkie rzeczy jednym terminem – dawką).
2. Ze względów praktycznych, wyrażamy ilość siwertów w czasie, na przykład miliswierty na godzinę [mSv/hr].
Ilekroć wyrażamy dawkę w czasie, mówimy o mocy dawki.
3. Istnieją inne jednostki, dlatego aby uporządkować całość, możemy przyjąć, że:
3.1. Jeden siwert = jeden grej (1 Sv = 1 Gy). Czasem dawkę podaje się w grejach, dla promieniowania gamma jednostki te są sobie tożsame
3.2. Jeden siwert = sto remów (1 Sv = 100 rem). Rem to starsza jednostka, która jest sto razy mniejsza, niż siwert i z racji tego wygodniejsza do użycia, dlatego niektóre dozymetry, ale również agencje, szczególnie amerykańskie, używają remów.
3.3. Jeden siwert = sto radów (1 Sv = 100 rad).
3.4. Jeden rad = jeden rem (1 rad = 1 rem)
Hola, hola, ktoś może zapytać, to skoro rad i rem są sobie równe, a jednej siwert to jeden grey, to po co w ogóle mamy tyle zdublowanych jednostek? Krótka odpowiedź na trudne pytanie jest taka: bo różne jednostki mierzą różne rzeczy, ale dla interesującego nas scenariusza, czyli promieniowania gamma w warunkach występowania opadu radioaktywnego, możemy założyć, że te jednostki są sobie równe (dla innych rodzajów promieniowania, np. alfa, te jednostki już równe nie są).
Jak najlepiej to sobie zapamiętać? Pomyśl o siwercie jak o złotówce, a o remach i radach jak o groszach. Możesz zastosować prostą mnemotechnikę – jeżeli jednostka zaczyna się na „R” to będzie to grosz (jedna setna siwerta). Istnieją jeszcze dwie jednostki na „R” – rentgen i rep (rep to już naprawdę prawdziwa egzotyka, nawet dla ludzi zawodowo związanych z promieniowaniem), ale one też (w przybliżeniu i uproszczeniu) wpasowuje się w tę zasadę. Czyli wszystko co na „R” należy traktować jako setną cześć siwerta, natomiast greja jako tożsamego z siwertem. Z taką uproszczoną wizją jednostek poradzimy sobie w świecie dozymetrów.
Drugie pytanie, które może się nasunąć brzmi: jeżeli dozymetr mierzy w grejach, to czy na pewno mogę wynik konwertować jeden do jeden do siwertów? Chcąc udzielić odpowiedzi, należy pamiętać o jednej rzeczy: dozymetr w rzeczywistości mierzy impulsy elektryczne, które są generowane przez procesy powstające w momencie, gdy kwanty gamma uderzają w materię. To, w jakich jednostkach zostanie wyrażona wartość pomiaru, jest wynikiem kalibracji instrumentu do takich a nie innych jednostek. Dlatego dla promieniowania gamma greje i siwerty można traktować jako tożsame.
Ile to jest dużo promieniowania?
Dobrze, wiemy już, jak się mierzy promieniowanie gamma, oraz jakie są jednostki pomiarowe. Teraz znajdźmy jakąś skalę porównawczą. Co może być zaskoczeniem, promieniowanie jonizujące jest wszechobecne, a jednym z jego głównych źródeł w otoczeniu jest potas (a dokładniej izotop potasu K-40). Określmy skalę promieniowania, z którym będziemy mieć do czynienia.
1. Statystyczny Polak przez rok otrzymuje ok. 2,5 mSv.
2. Pracownik narażony na promieniowanie jonizujące, w świetle prawa polskiego, nie może otrzymać więcej niż 20 mSv na rok.
3. Członek ekipy awaryjnej biorący udział w akcji ratowniczej, w świetle prawa polskiego, nie może otrzymać więcej niż 100 mSv.
4. Członek ekipy awaryjnej biorący udział w akcji ratowniczej, ratującej życie ludzkie, w świetle prawa polskiego, nie może otrzymać więcej niż 500 mSv.
Warto sobie zapamiętać właśnie te dwie ostatnie wartości 100 mSv i 500 mSv. Dlaczego? Ponieważ 500 mSv uważane jest za ostatni relatywnie bezpieczny punkt, poza którym życie ratownika będzie zagrożone na tyle, że musi on zaniechać ratowania drugiego człowieka. Natomiast 100 mSv jest uważane za taką dawkę promieniowania, przy którym ryzyko powikłań medycznych groźnych dla zdrowia, ciągle jest na relatywnie niskim poziomie. Jak dokładnie mierzy się te dawki? Najwygodniej zrobić to wyrażając ją w czasie, np. jako milisiwerty na godzinę, czyli jako moc dawki. Jeżeli ratownik na dozymetrze ma odczyt 25 mSv/hr, to wie, że dawkę 100 mSv otrzyma w ciągu czterech godzin. I analogicznie, jeżeli uczestniczy w akcji ratującej życie ludzkie, a jego dozymetr wskazuje 250 mSv/hr, to na całą akcję może on poświęcić 2 godziny.
To bardzo istotna kwestia – dla nas, jako osób, które przetrwały potencjalny atak atomowy, rzeczą krytycznie ważną jest to, aby nasz dozymetr był w stanie mierzyć moc dawki właśnie w takim zakresie. Dlaczego o tym mówię? Ponieważ wśród dostępnych na rynku dozymetrów, tylko kilka jest w stanie to robić. Większość przyrządów ma maksymalny próg, powyżej którego ulega nasyceniu i nie jest w stanie zmierzyć nic więcej. Jak to wygląda w praktyce? Tak, że dozymetr prawidłowo mierzy moc dawki do, załóżmy, 10 mSv/hr i właśnie na tym poziomie się zatrzymuje. To znaczy, że możemy wkroczyć do strefy ekstremalnego skażenia, gdzie promieniowanie będzie na poziomie 1 Sv/hr (czyli tysiąca milisiwertów), a nasz dozymetr dalej będzie pokazywał tylko 10 mSv/hr. Nie trzeba dużej wyobraźni, aby zrozumieć, czym to się może skończyć.
Dobrze, jaki jest zatem rozsądny zakres pomiarowy? Uważam, że absolutne minimum to 100 mSv/hr. Mój dozymetr ratowniczy (Rados Rad-50S) ma zakres od 5 mikrosiwertów do 3 siwertów i uważam, że to niezwykle dobry wynik.
Według mnie, aby czuć się relatywnie bezpiecznie w skażonym świecie, dozymetr powinien mieć możliwość pomiaru powyżej 500 mSv/hr tak, aby móc oznaczyć ostatni bezpieczny punkt. Pamiętaj – w sytuacji skażenie promieniotwórczego, absolutnym limitem dawki, którą możesz przyjąć, jest właśnie 500 mSv. Jeżeli Twój dozymetr jest w stanie mierzyć w takim zakresie i podaje taką wartość, masz jedną godzinę na ewakuację. Jeżeli jednak Twój sprzęt wysyca się przy 100 mSv/hr, to wtedy nie wiesz, jakie jest naprawdę promieniowanie i nie będziesz mógł obliczyć, ile czasu możesz spędzić w warunkach narażenia – musisz czekać, aż poziom promieniowania wejdzie w zakres pomiarowy dozymetru i dopiero wtedy będziesz miał ogląd sytuacji.
Obecna sytuacja na rynku jest jednak dosyć trudna – większość rozsądnych dozymetrów została wykupiona i dostępne zostały tylko dwie grupy – tanie urządzenia z Chin, o wątpliwej jakości oraz sprzęt profesjonalny, o cenie przyzwoitego laptopa. Nie trzeba jednak załamywać rąk, ponieważ laboratorium Urban Rat prowadzi badania nad kompromisowym rozwiązaniem, które łączy odpowiedni zakres pomiaru z przystępną ceną. Usilnie pracujemy aby dostarczyć Wam wygodną i tanią metodę pomiaru promieniowania, a szczegóły zaprezentujemy już wkrótce!