Pozor, radiace! (8)

Tentokrát se podíváme na jednotky používané k měření ionizujícího záření a budeme kupovat GM trubici.

Měření záření – jednotky a pojmy 

Když už jsme si uvedli příklady vyráběných intenzimetrů a chystáme se postavit si vlastní měřič s GM trubicí, je na místě se alespoň zjednodušeně a stručně zmínit o některých základních pojmech a jednotkách, které s měřením ionizujícího záření a jeho působením souvisí.

Aktivita je počet radioaktivních přeměn, které v objektu nastanou za jednu sekundu. Měří se v jednotkách becquerel (Bq). Pokud je objekt jasně vymezený (zářič), můžeme aktivitu vztáhnout k jednomu kusu, pokud není, vztahujeme ji ke hmotnosti (jednomu gramu, kilogramu) materiálu, případně objemu (mililitru, litru) nebo ploše zářiče. Když tedy bude mít 1 g látky aktivitu 100 Bq, pak 5 g stejné látky bude mít aktivitu 500 Bq. Aktivita nám naprosto nic neříká o tom, o jaké (případně jak nebezpečné) částice jde, dokonce ani o tom, jestli se vůbec částice (záření) dostanou do okolí a neskončí většinou pohlceny už v daném materiálu.

Aktivita je statistický údaj, pokud bude mít vzorek aktivitu 100 Bq, pak to v žádném případě neznamená, že každou sekundu dojde ke 100 přeměnám (můžeme to brát i tak, že vyzáří 100 částic). Některou sekundu jich může být třeba jen 10, jinou naopak třeba 1000, ale obě možnosti nejsou příliš pravděpodobné, většinou nastane přibližně 100 přeměn.

Aktivitu přímo těžko změříme, museli bychom zachytit a detekovat všechny částice a započítat všechny přeměny, které se stanou. Můžeme ji použít k porovnání „vydatnosti“ zářičů, použijeme ji k vyjádření, jak se mění počet přeměn (a intenzita záření) daného objektu v čase.

Aktivita je pojem, který může být snadno zneužit k manipulacím a dezinformacím, i když je použit formálně i věcně správně. Uvedeme si příklad. Zářič používaný v citlivých volně prodejných ionizačních požárních detektorech má aktivitu kolem 4 kBq (starší verze až 40 kBq). Máte jej na zdi roky, α částice z něj neunikají mimo detekční komoru, a i kdyby unikly, doletí vzduchem sotva pár centimetrů. Přes to je zářič v přístroji označen symbolem radioaktivity a když zařízení doslouží, musí se odborně zlikvidovat. To byl jeden fakt, teď druhý. Žula (z lomu v Hlinsku) má normální aktivitu 112 Bq/kg. Představme si z ní podstavec pod pomník, bude mít 3x3x2 m. Při hustotě 2685 kg/m³ bude mít podstavec hmotnost 48330 kg a aktivitu 5413 kBq. A to v žule nevznikají jen částice α, ale i pronikavější β a γ. Když má ten podstavec víc než 1300x větší aktivitu než zářič, který se musí označit a odborně likvidovat, neměl by být také označen jako radioaktivní a odborně zlikvidován? To musí být nebezpečné! Napadne vás něco takového, když stojíte před kamenným podstavcem pomníku? Teď už možná ano. A to jsme započítali jen ten podstavec, taky se mohla počítat aktivita mnohem většího mostu, přes který chodíte, nebo dokonce kopce, na němž v létě sbíráte houby, to by vyšlo ještě o hodně řádů víc. Takto se podávají pravdivé informace tak, aby měly manipulativní a strach budící účinek, jen místo podstavce ze žuly použijete údaje o tropickém ovoci, pracích prášcích a podobně. Mimochodem, lidské tělo má aktivitu asi 4 – 7 kBq, takže víc než ten zářič! Není pak logické, že bychom měli nalepit značku radioaktivity na vlastní čelo a odejít se odborně zlikvidovat?

Poločas přeměny (rozpadu) je doba, za kterou se přemění polovina počtu atomů aktivní látky, čili za kterou klesne aktivita vzorku na polovinu. Tato doba je velmi různá od zlomků sekundy až po miliony roků podle druhu nuklidů.

Dávka odpovídá energii v joulech, kterou předá ionizující záření 1 kg látky, která záření pohltí. Jednotka Gray (Gy) je součástí soustavy SI, rozměr je J/kg. Orientačně dávka 5 Gy je pro člověka smrtelná. Tato jednotka ale neříká, za jak dlouhou dobu byla energie předána, a je jistě rozdíl, jestli se tak stalo během sekundy nebo rovnoměrně během století. Proto se používá pojem dávkový příkon, který udává dávku za jednotku času, typicky za 1 s nebo 1 hodinu. Dávka měřená v Gy nebo intenzita záření v Gy/s má velký význam z technického hlediska, ale zohledňuje pouze množství předané energie (zejména v podobě tepla), nic nevypovídá o tom, jaké druhy částic ji předaly a jaké změny v živém organizmu to vyvolá. A v tom je podstata věci, nás většinou nezajímá, jak se ozářená látka zahřeje, ale to, jaké nebezpečí z toho pro nás (živé organizmy) plyne. Proto na stupnicích intenzimetrů najdeme zpravidla jiné jednotky.

Účinek různých částic na živý organizmus je různý, proto jim přiřazujeme „váhy“, jimiž musíme počet detekovaných částic daného druhu vynásobit, abychom vyjádřili důsledky absorbované dávky na zdraví nebo život. Navíc dost záleží i na energii částic (viz neutrony v tabulce), ale tu už my v zjednodušené podobě zde rozlišovat nebudeme.

Ekvivalentní dávka odpovídá dávce záření po započtení vah pro různé druhy částic a vyjadřuje nejlépe (byť nepřesně) účinek záření na organizmus. Jednotkou je Sievert (Sv), rozměr je stejně jako u dávky J/kg. Chceme-li vyjádřit intenzitu záření s ohledem na nebezpečí pro živé organizmy, použijeme ekvivalentní dávku změřenou za čas, typicky Sv/s, Sv/h nebo třeba Sv/rok. Tyto jednotky najdeme na výstupu měřičů, dozimetry ukazují dávku v Sv (za nějakou dobu, třeba za směnu nebo za měsíc), intenzimetry ukazují okamžitou (krátkodobou) intenzitu záření typicky v Sv/h.

Někdy se používá jednotka Rentgen (R), která je vázaná na vznik iontů s daným nábojem v daném objemu suchého vzduchu. Tato jednotka lze použít výhradně pro γ záření, pro jiné ne! V tomto článku s ní budeme pracovat výhradně kvůli starším technickým dokumentacím. Pokud má nějaký měřič stupnici v mR nebo R, pak se při kalibraci musí testovat zářičem γ a v režimu měření γ záření, to se týká zejména starých armádních přístrojů.

Je vidět, že pro záření β i γ (též RTG) s váhou 1 odpovídá dávka 1 Gy ekvivalentní dávce 1 Sv. Pokud měříme pomocí standardní kovové GM trubice jen záření β a γ, je mezi počtem pulzů, (ekvivalentní) intenzitou záření v Sv/h a ekvivalentní dávkou v Sv jasný vztah. Když máme „čistý“ zdroj záření α a GM trubici s okénkem, je vztah také jasný, započítáme váhu 20x. V prostředí, v němž se vyskytují různé druhy částic (a ještě s různou energií) musíme změřit každý druh samostatně a výsledek sčítat. Technicky přesné měření je velmi náročné, složité a drahé, výsledky získané jednoduchými metodami (včetně ukázaných vyráběných měřičů s GM trubicemi) jsou dost nepřesné, ale lépe to s běžně dostupným zařízením nejde. Předpokládá se zkrátka výskyt jakéhosi typického záření co do zastoupení energie částic.

Nebezpečná je především dávka, velmi krátká expozice i intenzivním zářením (vyšetření RTG) je celkem neškodná (předá jen malou dávku) na rozdíl od dlouhodobé expozice relativně slabým zářičem (dávka se „nahromadí“). Jedno RTG vyšetření plic dodá dávku asi 0,02 mSv, abychom absorbovali smrtelné množství, museli bychom prodělat těchto vyšetření 250000 (tj. každý den 10 po dobu 68 roků).

Na snímcích vyráběných intenzimetrů se ukazovalo přirozené pozadí (v Praze) kolem 0,2 μSv/hod. Tato intenzita nakumuluje během roku 1,75 mSv, za dobu 80 roků života dávku kolem 140 mSv, kterou můžeme považovat za (pro nás!) přirozenou. K tomu se přidá malá dávka například z lékařských vyšetření. Prokazatelné zvýšení výskytu rakoviny nastává někde kolem intenzity 100 mSv/rok, což je víc než 50ti násobek pozadí u nás, ale současně asi polovina pozadí na části brazilského pobřeží (nepojede tam náhodou na dovolenou?). Hygienické limity, které se udávají třeba pro veřejnost (doporučeno <20 mSv/rok), pracovníky v provozech s radiací (50 mSv/rok) nebo záchranáře vycházejí z toho, že udávaná mezní dávka je nad rámec přirozeného pozadí. Předpokládá se, že uvedené intenzitě je vystaveno celé tělo, je-li to jen část, je všechno úplně jinak. Například při léčbě rakoviny se používají přesně mířené a lokalizované dávky až 20 Sv, čtyřnásobek smrtelné dávky pro celé tělo.

Když už máme představu o tom, co se v jakých jednotkách měří a jaké jsou limity, můžeme si položit následující otázku. Když měřič FSG-001 ukázal při obalení aktivní punčoškou do lampy intenzitu 3 μSv/h, bylo by nebezpečné si tuto punčošku přilepit na tělo a nepřetržitě nosit na jednom místě celý rok? Povrch těla v daném místě by byl vystaven intenzitě 3 μSv/h, za den by dostal dávku 72 μSv, za rok 26 mSv. To je skutečně více, než je doporučený limit pro veřejnost v ČR, ale současně je to polovina limitu pro pracovníky se zářením. Jenže i tyto limity platí pro celé tělo, nejen pro jeho malý kousek. Ani v tomto extrémním případě by o ohrožení rozhodně nešlo. Reálná dávka, kterou můžeme od našeho punčoškového „zářiče“ dostat, je i při pravidelném braní do ruky asi 10000x nižší. Tolik k reálnému nebezpečí, které představuje náš „zářič“, nebo třeba korálky z uranového skla nošené jako bižuterie.

Trubice SBM-20 je asi nejčastěji používaná

Sháníme GM trubici

GM trubice je určitě nejdražší součástí jednoduchého měřiče. Převážná většina trubic, na které narazíme jak v nabídce firem, tak třeba na ebay, je značně stará a pochází z dnešní Ukrajiny, Běloruska, někdy z Ruska. Věk nevadí, velmi dobře pracují i trubice staré víc než 50 roků, pokud byly jen skladovány. Ani trubic vymontovaných třeba z armádních měřičů vyřazených u nás se příliš bát nemusíme, výrazné omezení životnosti u GM trubice nastává až v případě, že jsou déle vystaveny silnému záření.

„Sázkou na jistotu“ jsou osvědčené a dodnes ve vyráběných přístrojích používané typy trubic SBM-20 respektive STS-5 (v azbuce СБМ-20 a СТС-5), ty se dají přes ebay koupit za 300 – 400 Kč včetně dopravy, při větším množství už od 250 Kč. Velká citlivější trubice SBM-19 (СБМ-19 respektive СТС-6) přijde na 400 – 800 Kč. Je velký rozdíl v ceně trubic, které získáme takto, a nákupem „nové“ (ve skutečnosti často podobně staré) trubice se zárukou a oficiální cestou dovozem od výrobce. „Dvacítka“ potom přijde cca na 7000 Kč a „devatenáctka“ na víc než 17000 Kč. Vzniká tak absurdní stav, kdy nový kompletní továrně vyrobený měřič je podstatně levnější, než cena samostatně koupených trubic v něm použitých.

Na burzách i na ebay se levné GM trubice vyskytují doslova ve velkém, často i v originálním balení po stovce kusů. Pokud by byly relativně nové, není vyloučeno, že může jít o mimotoleranční (třeba méně citlivé) kusy, které unikají z výroby, a jsou prodávány jako dobré. Totéž třeba při nákupu součástek z Číny není nic výjimečného. Vzhledem ke stáří trubic i množství je ale pravděpodobnější, že jde buď o vyřazené podnikové či armádní zásoby s prošlou životností (což nevadí) nebo rozkrádané armádní sklady. Vzhledově zašlý povrch nebo malé mechanické poškození (promáčknutí pláště) není funkčně podstatné.

Pozor na speciální GM trubice, také převážně sovětské výroby. Často jsou mezi nimi velmi levně prodávané typy do armádních detektorů (nikoli měřičů!) radiace. Tyto detektory byly (a nepochybně ještě jsou) součástí zbraní, třeba tanků. Jejich úlohou je posádku okamžitě varovat při vzdálenějším jaderném výbuchu nebo při překročení hranice silně zamořeného území. Jsou mnohem méně citlivé, přirozené pozadí jimi nezachytíte a na naše slabé zdroje záření jsou nepoužitelné. Typicky jsou tyto trubice krátké (asi 5 cm), průhledné a nápadně levné, ale nemusí to tak být, vždy je potřeba pročíst si průvodní list, který zpravidla bývá na obrázku u nabídky.

Příklady speciálních GM trubic

Mezi prodávanými speciálními trubicemi můžeme najít i zajímavosti jako třeba kruhové ploché s vysokou citlivostí, trubice s „okénkem“ citlivé především na β záření, zvláštní trubice na RTG záření  a podobně. U nich musíme počítat s cenou několikanásobně vyšší než je u SBM-20.

Příklady speciálních GM trubic – zde MSTR-4

Velmi citlivá kruhová plochá GM trubice SL-500

Máme-li prvotřídní trubici s technickými parametry včetně citlivosti a nastavíme jí správné pracovní podmínky, nemusíme se už teoreticky starat o adjustaci měřiče, nastavíme přepočet impulzů registrovaných za minutu na vyjádření v mSv/h (nebo počtu pulzů na mSv u dozimetrů) a je hotovo, žádný normálový zářič není nutný. V praxi je to ale trochu jinak, trubice má nějaký kryt, který stíní záření β a γ (většinou ještě různou mírou), takže i ten se v měření projeví a musíme s ním počítat. Když máme trubici bez záruky citlivosti, musíme adjustovat.

SBM-20 „datasheet“

Trubice SBM-20, SBM-20U (a podobné) jsou primárně určeny k měření γ záření (např. z izotopů Co60, Cs137 nebo Ra226), citlivost se udává při dané intenzitě a typu zářiče. Pro β částice by měla být uvedena citlivost samostatně nebo najdeme údaj o účinnosti registrace proti γ částicím. V dokumentaci některých SBM-20 se například uvádí citlivost 60 až 70 impulzů na 1 μR (ve starších jednotkách) při zářiči Cs137 a efektivita registrace β záření lepší než 40%. 1 mR/h velmi přibližně odpovídá 10 μSv/h.

Bude-li mít trubice udanou citlivost, kolik pulzů za minutu můžeme čekat při reálném pozadí 0,2 μSv/h? Ve starších jednotkách je pozadí asi 0,02 mR/h, tedy 20 μR/h, za minutu to je dávka 0,33 μR, takže 20 až 23 pulzů je v normě. Mnohem menší počet pulzů by znamenal, že trubice má malou citlivost nebo je něčím stíněná.

Příště si postavíme vlastní intenzimetr jako doplněk k Arduinu nebo PICAXE.