Jakmile se řekne radiace, většině lidí se vybaví Hirošima, Černobyl nebo Fukušima, tedy nic pozitivního. Přitom radiace, přinejmenším ta přirozeného původu, je neoddělitelnou všudypřítomnou součástí prostředí, v němž žijeme, a nebýt jí, je dost dobře možné, že bychom jako druh ani nevznikli.
Jsme zvyklí měřit a akceptovat vlastnosti okolního prostředí, třeba teplotu, atmosférický tlak, přírodní elektrická pole a jevy, které jsou jejich důsledkem, ale radioaktivitu? To je něco, na co se jaksi bojíme sáhnout a poznat to jinak, než teoreticky z učebnic, i když to není až tak složité.
Důsledkem neznalosti a určitého tajemna, které radioaktivitu obklopuje, je často až hysterický strach a odmítání něčeho zcela přirozeného, v malé míře naopak podceňování nebezpečí. V tomto článku se pokusím nastínit několik konstrukcí a dostupných pokusů, na nichž je možné si radiaci „osahat“, detekovat ji a v některých případech i změřit intenzitu nebo rozlišit její různé druhy. Nepůjde přitom o co nejlepší přesnost měření ani důslednou terminologickou přesnost jako spíš o vyzkoušení vlastností.
První z nepřesností je už v názvu, místo provokujícího slova radiace bychom měli spíše používat širší a přesnější termín ionizující záření, protože naše jednoduché detektory budou většinou reagovat na širší oblast záření, my se ale soustředíme zejména na záření alfa, beta a gama.
Měřič radioaktivity Fluke 481 z nabídky firmy Conrad
Druhy záření
Záření alfa (α) je tvořeno hmotnými částicemi kladně nabitých jader hélia (2 protony, 2 neutrony), takže striktně nejde ani o (elektromagnetické) záření. α částice je poměrně velká, má malou rychlost a pronikavost, zadrží ji už list papíru, plastová krabička nebo běžné oblečení. Jako dobré odstínění se používá nejčastěji hliníková fólie (alobal), to lze využít při detekci stejně jako možnost ovlivnit dráhu částic elektrickým polem. Před α částicemi se můžeme poměrně snadno chránit, ale pokud už se dostanou ve větší míře do organizmu, patří mezi nejnebezpečnější. Asi nejznámějším zdrojem α záření je plyn radon (směs různých izotopů radonu), který jako produkt rozpadu radia, thoria či uranu z hornin vyvěrá na povrch země nebo se absorbuje do vyvěrající vody a může se hromadit zejména v suterénech budov.
Záření beta (β) je tvořeno také proudem hmotných částic, podstatně menších záporně nabitých elektronů nebo kladně nabitých pozitronů. Také tyto nabité částice (opět nejde v přesném smyslu o záření) lze ovlivnit elektrickým polem. Pronikavost je větší, nicméně k odstínění většinou stačí vrstva vzduchu v řádu metrů, několik centimetrů vody nebo plech silný několik milimetrů. Záření β se často používá v medicíně při léčbě nádorů.
Záření gama (γ) je „čistokrevným“ elektromagnetickým zářením. Šíří se rychlostí světla, je nehmotné (v běžném smyslu slova) a nemá náboj, nedá se vychýlit elektrickým polem. Je velmi pronikavé, k odstínění se používají buď kovy s vysokou hustotou (olovo) nebo velmi silné vrstvy jakékoli hmoty (beton, kámen, voda). Gama záření má stejný základ jako to, co běžně známe a používáme: když to má frekvenci kolem 100 MHz respektive vlnovou délku 3 m, nazýváme to velmi krátkými vlnami a přijímá to naše rádio, když vlnu zkrátíme na 10 μm, je to tepelné záření, dalším zkrácením na 1 nm se dostaneme do oblasti „paprsků X“ čili rentgenu a při vlnové délce pod 10 pm jsme v oblasti gama záření. Podstata je stejná, rozdíl je ve frekvenci respektive energii částic (kvant).
Nabízí se myšlenka, že z hlediska živé tkáně bude nejškodlivější záření s nejvyšší pronikavostí, je to ale víceméně naopak. Nejpronikavější záření (nejvíce energetické částice) projde často živým organizmem aniž by ovlivnilo okolní hmotu a aniž by jí bylo ovlivněno. Naopak málo pronikavé částice se vždy v tkáni zachytí a nějaký ten atom či molekulu určitě poškodí.
I když na počátku může letět jediná částice s vysokou energií, srážkou této jedné částice a atomu se emituje i několik částic s nižší energií a pak znovu a znovu. Tak vznikají další (sekundární) emise, až energie všech takto vzniklých částic klesne pod určitou úroveň a nestačí k dalšímu rozbití atomu. Důsledkem kolize původně jedné částice může být vznik až mnoha milionů nabitých částic (iontů) včetně α a β částic sekundárního záření. Jinak řečeno, v důsledku průniku energetické částice do prostředí probíhá ionizace. Tyto ionty jsou v elektrickém poli podle svého náboje přitahovány ke kladné nebo záporné elektrodě. Když na ni dopadnou, vytvářejí elektrický proud, tedy něco, co už měřit umíme, i když v daném případě jde o proud velice malý, nikoli v řádu mA (0,001A), μA (0,000 001A) nebo nA (0,000 000 001A), ale pA (0,000 000 000 001A) a fA (femto A …. 0,000 000 000 000 001A).
Nový symbol pro nebezpečí radiace
Vedle žlutočerného symbolu označujícího prostor, v němž se vyskytuje ionizující záření, a který byl použitý v úvodu, se v posledních létech zavádí i nový symbol červenočerný pro nebezpečné prostory. Důvodem je to, aby bez ohledu na jazykovou bariéru i znalost čtení piktogram jasně a intuitivně varoval před nebezpečím. Původní znak zůstává platný a je obecněji používaný, ostatně kdyby pacienta vezli v nemocnici na ozařování do prostoru s novým červeným označením, asi to na klidu nepřidá ani jemu, ani personálu.
Principy měření
V první řadě si musíme ujasnit, co chceme měřit, zda okamžitou intenzitu záření respektive dávku záření za velmi krátkou dobu jednotek či desítek sekund (tu měří intenzimetry) nebo celkovou dávku záření (expozici) za delší dobu, která někdy může trvat i měsíce (tu měří dozimetry). My se budeme zabývat výhradně intenzimetry, jimi můžeme rychle zjistit aktivitu různých materiálů a případně nebezpečnost prostoru. Z každého intenzimetru přidáním záznamového zařízení lze při nepřetržitém provozu získat dozimetr. Naopak to většinou nejde, za to jsou dozimetry sledující expozici osob často velmi levné a jednoduché, přitom citlivé, bezúdržbové a bez nutnosti napájení, typicky pracují třeba na principu zčernání filmu, které je úměrné přijaté dávce záření.
Intenzimetry mohou pracovat jako scintilační. Princip je trochu podobný funkci klasické vakuové obrazovky, ostatně proud elektronů v ní není nic jiného než záření β. Záření dopadá na vrstvu látky (luminofor), v níž vyvolá emisi světla, jednotlivé fotony se zmnoží ve fotonásobiči (na rozdíl od obrazovky je světlo velmi slabé), dál zachytí, přemění na elektrický signál a ten zpracuje. Tento princip je účinný a dovoluje i určit energii původní částice a podle toho rozpoznat původ záření, ale vyžaduje náročnější vybavení a není pro amatérské zpracování příliš vhodný, tedy pokud neseženeme příslušné fungující zařízení, zejména fotonásobič.
Ionizační komora je konstrukčně velmi jednoduchá, amatérsky dobře realizovatelná a připojitelná k mikrokontroléru. Tvoří ji dvě elektrody, jedna je většinou pláštěm komory, druhá je uvnitř a má izolovaný vývod ven. V komoře je plyn, může to být i vzduch. Vlivem záření se plyn ionizuje a v elektrickém poli putují ionty k elektrodám, mezi nimiž je udržováno napětí, vzniká proud. Účinek jednotlivých částic u jednoduchých komor těžko zaregistrujeme, je nepatrný. Celkový změřený proud je úměrný intenzitě záření (počtu částic) a také energii částic (jestliže může vzniknout sekundární emise), potom proud už detekovat jde. Ionizační komora dobře detekuje zejména α záření, s ohledem na krátký dosah se zářiče α vkládají většinou přímo dovnitř komory.
Trubice Geiger – Müllerova (GM) počítače vypadá konstrukčně stejně jako ionizační komora, ale princip funkce je jiný. Částice vletí do trubice a ionizuje plyn v ní, dojde k sekundární emisi a vzniku velkého množství iontů, udává se počet až 1010. Lavina iontů vyvolá výboj v trubici, který se projeví výrazným a snadno detekovatelným proudovým impulzem. Naopak je problém, jak výboj co nejrychleji ukončit, o to se stará plynová náplň trubice, dostatečně malá vlastní kapacita (v řádu pF) a dostatečně velký sériový odpor v napájení. Proudový impulz sníží díky sériovému odporu napětí a výboj zhasne. V průběhu výboje a krátce po něm (doba nabití vlastní kapacity) není trubice schopna detekovat další částici záření. Důležité je, že GM počítač zachytí každou jednotlivou částici, která ionizuje plyn kdekoli v jeho objemu. Tento princip je vhodný pro nízké intenzity záření, naopak pro vyšší intenzity musíme citlivost trubice uměle snižovat třeba částečným odstíněním.
Staré sovětské GM trubice typu SBM20
Výsledný pulz z GM nevypovídá nic o energii původní částice, takže nelze rozlišit její původ. Aby byla trubice citlivá, musí mít přiměřené rozměry, většinou je to válec něco kolem 1 cm průměru a 10 cm délky. Výborně poslouží pro změření intenzity záření v prostředí, ale zdroj záření, který může mít třeba jen milimetrové rozměry, s ní budeme zaměřovat obtížně. Trubice je citlivá na β a γ záření, α neprojde jejím pláštěm, který bývá z tenkého plechu.
Polovodičové detektory pracují také s ionizací, ale tentokrát pevné látky většinou v tenké vrstvě. Ionizace je jednodušší než u plynu a velikost proudového pulzu odpovídá energii původní částice, takže se polovodičové detektory výhodně dají použít i k jednoduchému určování energetického spektra záření. Malé rozměry čidla v řádu jednotek milimetrů dovolují přesně lokalizovat i malý zdroj záření, ale na druhou stranu také zachytí méně částic, takže tyto detektory nejsou tak citlivé jako třeba GM. Jako detektor záření lze použít i rozměrná polovodičová pole s mnoha buňkami, například CCD nebo CMOS snímače digitálních fotoaparátů a kamer, toho lze také amatérsky také využít.
Tři z vyráběných a u nás dostupných intenzimetrů (dodává http://www.dozimetry.eu/ )
Radiační pozadí
Radiace, zejména záření γ, je doslova všudypřítomná. Zdrojem záření jsou v první řadě rozpady nestabilních izotopů prvků v horninách s obsahem draslíku, případně uranu a thoria, aktivní jsou zejména žuly. V malé míře se podílejí kosmické vlivy a v nepatrné míře činnost člověka. Jestliže budeme stavět detektor záření schopný zachytit jednotlivé částice, stačí toto pozadí k ověření jeho činnosti, pro méně citlivé detektory (ionizační komory) ale pozadí tvoří jen stálý základ. Chceme-li ověřit činnost detektoru, budeme potřebovat nějaký zkušební zářič. Spoléhat na to, že si měření byť jen přibližně „zkalibrujeme“ podle intenzity pozadí je možné, ale docela ošidné, úroveň pozadí se totiž hodně liší i podle míst v ČR, natož pak na světě. U nás nejnižší úroveň záření pocházejícího z hornin má oblast u Mariánských Lázní, nejvyšší lokalita mezi Třebíčí a Jihlavou, poměr se blíží k 1:10 (!).
O úrovni radiačního pozadí vypovídají i hodnoty celkové expozice osob u nás a jejich srovnání s hodnotami ve světě (uvedené hodnoty změřené v ČR pocházejí ze zprávy Státního ústavu radiační ochrany z roku 2008). V monitorovaných městech s nízkou úrovní pozadí (např. Kutné Hoře nebo Hodoníně) se expozice pohybuje kolem 0,65 – 0,70 mSv/rok, v městech s vysokou úrovní (např. Rakovník, Sedlčany) kolem 1,7 – 1,6 mSv/rok. Pro srovnání v brazilském městě Guarapari je to 175 mSv/rok a v severoiránském městě Ramsaru až kolem 400 mSv/rok. Je tedy vidět, že vnímání toho, co je „normální“ úroveň radiačního pozadí, mohou být značně různé.
Představme si, že by výrazné titulky v novinách oznamovaly, že v Kutné Hoře se dvakrát zvýšila úroveň radiace. To by byla bombastická zpráva a kde kdo by uvažoval o evakuaci, přitom to reálně by to neznamenalo nic jiného, než to, že je roční dávka stále nižší oproti normální hodnotě v Sedlčanech, nebo než jakou dostane pacient při jednom RTG snímku břicha. A obě jsou pořád několiksetkrát menší, než v některých zahraničních městech, kde už po staletí trvale žijí lidé.
Příště budeme shánět zkušební zářič a postavíme si ionizační komoru, nejjednodušší funkční detektor radiace.