Avtorji: Nejc Parkelj, Ines Gabor, D. F.
Sva zelo radovedna študenta fizike na FMF, ki zelo rada spoznavata, kaj vse delajo fiziki, neskončno rada pa tudi odkrivava še nepoznane fizikalne naprave. Danes bova spoznavala naprave in ljudi z odseka F2 z Instituta “Jožef Stefan” (IJS), natančneje iz Laboratorij za dozimetrične standarde.
Poslanstvo laboratorija
Zaposleni na odseku F2 so zadolženi za opravljanje osnovnih raziskav na področju jedrske in atomske fizike, ukvarjajo se tudi z raziskavami materialov, fuzijo, shranjevanjem energije, medicino, farmacijo in arheometrijo. Primarna naloga laboratorija je kalibracija merilnikov radioaktivnega sevanja, ki so pomembni pri varstvu pred sevanji. Merijo fotone ionizirajočega sevanja zelo različnih energij, od približno 10 keV do nekaj 10 MeV. Njihov odziv je odvisen tudi od same energije fotonov, katere različne vrednosti v laboratoriju dosežejo z raznovrstnimi viri, ki jih bomo spoznali kasneje. Po standardu smejo merilniki od prave vrednosti odstopati za največ 30 %, zato je njihovo točnost nujno redno preverjati. Srečali se bomo tudi z nekaterimi novimi izrazi, ki so razloženi v slovarčku na koncu članka.
Varnost je na prvem mestu!
Laboratorij sva si želela ogledati že takoj po prihodu, vendar je bilo najprej treba poskrbeti za varnost. Prisotni so namreč tudi radioaktivni viri, na kar opozarjajo številni piktogrami ‘’Pozor, sevanje’’. Ti so morda na prvi pogled zastrašujoči, a razloga za skrb ni, saj je za varnost odlično poskrbljeno. Prejela sva vsak svoj dozimeter, ki je meril kakšno dozo sevanja sva prejela tekom obiska. Na srečo sta oba tudi na koncu obiska kazala vrednost 0,000. Pred vstopom naju je z vsemi pomembnimi informacijami glede varnosti in naprav seznanil namestnik vodje laboratorija Boštjan Črnič, ki nama je nato tudi razkazal laboratorij. Teorijo sva torej opravila z odliko in končno je bil čas tudi za ‘’prakso’’, torej pobližje spoznavanje z instrumenti v laboratoriju.
Zakaj je sevanje sploh nevarno?
Visokoenergijsko sevanje je za človeka nevarno zato, ker je ionizirajoče, kar pomeni, da tako sevanje atomom izbija elektrone. Lahko tudi cepi molekule in tako poškoduje pomembne telesne strukture, kot so molekule DNA, kar lahko privede do mutacij in rakavih obolenj.
Kdo dela v tem laboratoriju
Laboratorij in vse naprave v njem nama je predstavil kolega Boštjan Črnič, ki naju je navdušil s svojim entuziazmom, sproščenostjo in odličnim poznavanjem tako naprav samih kot tudi njihovega fizikalnega ozadja. Z delom v tem laboratoriju se je prvič srečal že v študentskih letih v okviru počitniške prakse. Navdušila ga je raznolikost dela, ki ni obsegalo zgolj dozimetrije, ampak tudi delo na terenu, pripravo vzorcev, modeliranje in še marsikaj. Delo mu je bilo tako zanimivo, da se je odločil prav tu izdelati svojo diplomsko nalogo. Ko se je pozneje odprla možnost tudi za ‘’pravo’’ delo v laboratoriju, so ga zaradi znanja, delavnosti in stikov, pridobljenih v okviru počitniške prakse, z veseljem sprejeli medse. Danes študentom pomaga, jim razkaže laboratorij in svetuje, da se pozanimajo za počitniško delo, ki je, kot sam pravi, odlična naložba za prihodnost.
Nestabilnost – perfektna lastnost, če želiš biti vir sevanja
Kot smo že omenili, moramo merilnike izpostaviti različnim energijam sevanja. Za dosego le-teh se uporabljajo raznovrstni viri – to so elementi, ki zaradi nestabilnosti svojih jedr radioaktivno razpadajo in pri tem sproščajo gama žarke (fotone) točno določenih energij. V laboratoriju najdemo tri takšne elemente. Tak je recimo izotop americija 261Am, ki velja za nizkoenergijski vir, saj seva gama žarke z energijo 60 keV. Višje energijska vira sta cezij 137Cs z energijo 662 keV in kobalt 60Co, ki seva žarke dveh energij, in sicer 1173 keV in 1332 keV.
Za primerjavo z energijami fotonov vidne svetlobe, ki segajo od približno 2 eV (rdeča) do 3 eV (vijolična), torej so energije žarkov v laboratoriju desettisočkrat do milijonkrat večje in zato precej nevarnejše. Na srečo pa je za varnost v laboratoriju dobro poskrbljeno. Preprostih radioaktivnih izotopov, ki bi sevalio višje energije ni. V tem primeru se uporabljajo linearni pospeševalniki, ki niso del laboratorija. Na srečo se da te energije dokaj dobro aproksimirati s 60Co.
Radioaktivni viri – ”set and forget?”
Izotopi elementov imajo različen razpolovni čas, t.j. čas v katerem razpade polovica atomov izotopa v vzorcu. Kakšno vlogo igrajo pri delovanju laboratorija?
Americij 261 ima razpolovni čas dobrih 430 let, kar pomeni, da je trajni vir, saj ga ne bo zmanjkalo prehitro. Cezija 137 bi bilo pol manj v približno 30 letih, kar je večinoma dovolj za celotno dobo delovanja nekega laboratorija. Za ta dva elementa bi torej lahko rekli, da ko ju začnemo uporabljati, ni skrbi, da bi pošla. Za 60Co to ne velja, saj ima razpolovno dobo malo več kot 5 let in je menjava potrebna približno enkrat na desetletje. Za obratovanje laboratorija torej ni optimalen.
Viri imajo različno aktivnost in tako ustvarjajo polja z različnimi hitrostmi doze. Slednje se še dodatno regulira z uporabo svinčenih zaslonk, ki sevanje oslabijo. Na ta način lahko dokaj natančno spreminjamo hitrost doze. To je pomembno, saj imajo merilniki odvisnost odziva tako od energije sevanja kot od hitrosti doze, ki jo merijo. Te spremenljivke je zato treba natančno kontrolirati.
Merilniki na preizkušnji
Večino merilnikov se obseva v zraku. Izjema so človeški aktivni ali pasivni dozimetri, ki so del zaščitne opreme pri delu v okolju z zvišano ravnjo sevanja. Te se obseva na t.i. fantomih, ki simulirajo človeško telo. Odziv bo v tem primeru drugačen zaradi povratnega sipanja, ki se generira, kadar je telo v polju sevanja. To sipanje poveča dozo, kar je potrebno pravilno simulirati in upoštevati pri kalibraciji instrumentov. Fantomi so sestavljeni iz pleksi stekla, notranjost je napolnjena z vodo. Različne oblike fantomov simulirajo različne dele telesa. Večinoma se uporabljajo za obsevanje pasivnih in aktivnih dozimetrov, manj za merilnike. Okrog vira mora biti debela svinčena zaščita, saj radioaktivni izotopi sevajo ves čas. V smeri merilnika pa sevanje zaustavlja zaslonka, ki se pri poskusu odpre.
Pomembna je tudi oddaljenost merilnikov od vira sevanja. Zelo natančno jo meri sistem za pozicioniranje merilnikov, ko deluje v povezavi s fiksnim laserskim merilnim sistemom. Slednji se kalibrira oz. umerja vsako leto. To je pomembno, ker ima ta laboratorij, kot tudi vsi drugi na IJS, urejen sistem spremljanja kakovosti, v okviru katerega je zagotovljena sledljivost laboratorija in ustreznost naprav.
Rentgen, podoben kot pri zdravniku, a ”na steroidih”
Rentgen je elektronska naprava, ki seva zgolj pod vplivom električne napetosti. Hitri elektroni v snovi zavirajo in pri tem sevajo. Temu pojavu pravimo zavorno sevanje, ki proizvede spekter z zvezno porazdeljenimi energijami. Rentgenski žarki nastanejo tudi, ko hitri elektroni izbijejo katerega od elektronov iz notranjih lupin atoma. Prazno mesto zapolni elektron iz višjih lupin in pri tem prehodu se sprostijo dodatni fotoni, katerih energije so odvisne od materiala. To se na spektru vidi kot velik skok intenzitete pri točno določeni valovni dolžini. Za obsevanje merilnikov širok spekter ni optimalen, zato pred izhod postavijo dodatne filtre. Pri slednjih sta pomembna debelina in material, ki vplivata na končno obliko spektra. Za nižje energije se uporablja aluminij, ki ima še dovolj širok spekter. Za ožji spekter pri energijah približno 100 keV se uporablja baker. Filtri so lahko tudi iz svinca (srednje energije) ali kositra (visoke energije).
Če rentgen ni pod napetostjo z vidika ionizirajočega sevanja, ni nevaren. Vendar pa lahko v delujočem stanju brez ustreznih filtrov človeško telo že v nekaj sekundah ali minutah prejme smrtno dozo (odvisno od hitrosti doze). Nefiltriran rentgen v laboratoriju je približno tisočkrat močnejši od medicinskega. Če dodamo še filtracijo, pade ta faktor na 100 ali celo 10.
Nočna mora izdelovalcev merilnikov
Ko foton prileti v snov, z njo intereagira. Iz določene prostornine izbije elektrone v smeri naprej ali vstran po snovi ali celo ven iz nje. S tem povzroči trajen primanjkljaj elektronov v snovi, če se seveda ne nadomestijo od drugod. Torej se pri sevanju vzpostavlja neko elektronsko neravnovesje, kar pomeni, da je v volumnu na neki globini (recimo tik pod površjem), odložena energija manjša od odvedene. Zato je prejeta doza sevanja odvisna od globine in ni največja na površini, ampak malo pod njo. Pri nižjih energijah je to manj izrazito, saj je elektronov v prostoru pred predmetom dovolj, da se že na majhni globini ustvari elektronsko ravnovesje. Težave lahko nastopijo pri višjih energijah (npr. pri 137Cs), kjer je primanjkljaj že opazen. Ob zelo tankem ohišju dozimetra lahko v tem primeru izmerimo premajhno dozo. Zato je potrebno pri območju energij nad 500 MeV, ohišje merilnika načrtovati dovolj debelo, kar se pozna na kompleksnosti in stroških proizvodnje.
“Kaj to tam poka?”
Slovarček:
Aktivnost – št. razpadov v sekundi, enota becquerel: Bq = 1/s
Absorbirana doza – energija, ki jo sevanje deponira v snovi na enoto mase; enota gray: Gy = J/kg
Ekvivalentna doza – upošteva tudi vrsto sevanja; enota sievert: Sv = J/kg
Efektivna doza – upošteva občutljivost tkiva; enota sievert
Hitrost doze – prejeta doza na enoto časa; enota Sv/h
Vir: www-f9.ijs.si/~golob/sola/mer2/dozimetrija.pdf