Cześć B

ĆWICZENIE 11

BUDOWA LICZNIKA G-M

Licznik G-M (Geigera-Müllera) należy do grupy detektorów promieniowania jonizującego. Jest on detektorem gazowym, liczącym — oznacza to, że zdolny jest jedynie oszacować liczbę cząstek jonizujących, ale nie mówi nic o ich przebiegu wewnątrz komory ani o ich energii.

Detektor gazowy stanowi układ dwóch elektrod, do których przykłada się napięcie stałe. Są one zamknięte we wspólnej obudowie wypełnionej gazem i czasem zaopatrzonej w cienkie okienko z miki. Ciśnienie i rodzaj gazu zależą od detektora, podobnie jak wartość przyłożonego napięcia. Promieniowanie jonizujące, zarówno korpuskularne, jak i elektromagnetyczne (promieniowanie X i γ), oddziałując z gazem zawartym wewnątrz detektora powoduje powstawanie w komorze jonów obydwu znaków oraz elektronów.

Licznik Geigera-Müllera pracuje na stałych napięciach rzędu 800-1200 V. Wnętrze tego licznika jest wypełnione gazem, np. powietrzem, argonem czy wodorem pod ciśnieniem rzędu 12-13 kPa. Anodę licznika stanowi cienki (o średnicy rzędu 0,025 mm) drucik metalowy, katodę — metalowy walec otaczający anodę. Najczęściej jest to warstwa metalu, napylona na wewnętrznej ściance walcowatej rurki szklanej, w której zamknięte są obie elektrody. Drucik stanowiący anodę może rozciągać się wzdłuż całego licznika lub kończyć się małą kuleczką (w licznikach okienkowych, tzn. zaopatrzonych w okienko). Z takiego układu elektrod wynika, że pole wewnątrz licznika nie jest jednorodne. Największe natężenie pola występuje w pobliżu anody.

Komora licznika podłączona jest do zasilacza, utrzymującego napięcie między elektrodami, w którego obwód włączony jest opór R. Między tym układem a wzmacniaczem (urządzeniem wzmacniającym impulsy przekazywane do przelicznika) znajduje się kondensator, którego rola polega na zatrzymywaniu składowej stałej napięcia zasilającego. Po przejściu przez kondensator i wzmacniacz impulsy przekazywane są do przelicznika. Urządzenie to rejestruje liczbę impulsów w układzie dwójkowym lub dekadowym (co 4, 16, 64 lub 10, 100, 1000) i w takim kształcie przekazuje ją do urządzenia zliczającego — numeratora. Obecność przelicznika jest niezbędna przy dużych natężeniach promieniowania jonizującego, ponieważ numeratory mechaniczne niezdolne są zarejestrować dużej liczby bardzo często następujących po sobie impulsów. Przelicznik, przekazując do numeratora co czwarty lub co dziesiąty itp. impuls, umożliwia płynność działania całego układu.

ZASADA DZIAŁANIA LICZNIKA G-M

Mechanizm działania licznika jest następujący: gdy do komory licznika wejdzie naładowana cząstka promieniowania korpuskularnego o dostatecznie dużej energii, wywoła ona bezpośrednią jonizację gazu wypełniającego komorę. Podobny efekt może wywrzeć pojawienie się tam fotonu promieniowania X lub γ — przy zderzeniu z katodą foton powoduje uwolnienie fotoelektronu, który przyspieszany w polu elektrycznym na drodze do anody jest źródłem wtórnej jonizacji atomów gazu.

Powstałe w procesie jonizacji (bezpośredniej lub wtórnej) jony obu znaków i elektrony są przyspieszane w polu między elektrodami. Uzyskana przez nie energia podczas ich zderzeń z kolejnymi obojętnymi atomami powoduje dalszą jonizację gazu. Efektem wpadnięcia pojedynczej cząstki lub fotonu o odpowiednio wysokiej energii do komory licznika jest zatem proces jonizacji lawinowej.

Jonizacja lawinowa zachodzi głównie w pobliżu anody, więc w krótkim czasie gromadzi się wokół niej warstwa mało ruchliwych jonów dodatnich. Nie nadążają one z przejściem do katody w czasie, gdy szybkie elektrony docierają do anody, co powoduje powstawanie warstwy przestrzennego ładunku dodatniego. Obecność tej warstwy na chwilę przerywa wyładowanie. Gdyby jednak jony dodatnie dotarły do katody, proces jonizacji lawinowej rozpocząłby się od nowa. Aby licznik mógł prawidłowo działać, należy temu zapobiec.

Impuls pochodzący od pojedynczej cząstki jonizującej musi zatem zostać wygaszony. W tak zwanych licznikach samogasnących dokonuje się to dzięki obecności dużych (wieloatomowych) cząsteczek, np. par alkoholi, metanu i innych ciężkich cząsteczek organicznych, domieszanych do gazu wypełniającego komorę licznika. Jony dodatnie ulegają zobojętnieniu na tych cząsteczkach — a te z kolei docierają do katody, ale nie powodują efektów jonizacyjnych, ponieważ nadmiar pobranej przez nie energii zużywany jest najczęściej na dysocjację. W licznikach niesamogasnących w celu przerwania wyładowania stosuje się duży opór (rzędu 10⁹ Ω) umieszczony w obwodzie zasilającym. Podczas przepływu impulsu prądu wyładowania na oporze tym powstaje tak duży spadek potencjału, że napięcie między elektrodami okazuje się zbyt małe do potrzymania wyładowania.

Czas trwania pojedynczego impulsu w licznikach samogasnących jest rzędu 10^-4 s. Gdyby w tym czasie do komory licznika weszła nowa cząstka jonizująca, jej obecność nie zostałaby zarejestrowana. Czas trwania impulsu nazywamy zatem czasem martwym licznika, ponieważ dopiero po jego upływie licznik zdolny jest zarejestrować następne cząstki.

Zmiany napięcia na oporze R spowodowane przez impulsy przekazywane są do wzmacniacza poprzez kondensator C, a następnie — po wzmocnieniu — do przelicznika i numeratora.

CHARAKTERYSTYKA LICZNIKA G-M

Charakterystyką licznika nazywamy wykres zależności liczby impulsów rejestrowanych w nim w jednostce czasu (czyli tzw. szybkość liczenia) od napięcia zasilającego. Charakterystykę tę przedstawia poniższy schemat:

Jak widać, licznik zaczyna rejestrować cząstki w chwili, gdy napięcie zasilające osiągnie pewną wartość, nazywaną wartością progową V_A. W obszarze napięć AB następuje gwałtowny wzrost szybkości liczenia nawet przy bardzo małych zmianach napięcia. Część krzywej BC nosi nazwę plateau licznika. Widzimy, że w tym obszarze napięć szybkość zliczania zależy od wartości napięcia bardzo nieznacznie. W obszarze CD następuje ponowny wzrost szybkości liczenia. Natężenie prądu w liczniku gwałtownie rośnie, co może prowadzić do jego zniszczenia.

Napięcie, na jakim licznik pracuje, dobiera się zatem tak, aby odpowiadało ono środkowi plateau. Nazywamy je napięciem roboczym licznika lub napięciem pracy.

DETEKTORY Z POMIAREM ENERGII PROMIENIOWANIA. DETEKTORY ŚLADOWE.

Detektory liczące, do których należy m.in. licznik Geigera-Müllera, jak już wyżej wspomniano, służą wyłącznie do zliczania cząstek jonizujących, ale nie dają żadnej informacji o ich energii i torze. Aby uzyskać informacje na ich temat, musimy użyć detektora z pomiarem energii promieniowania lub tzw. detektora śladowego, pozwalającego śledzić tory cząstek jonizujących (najczęściej na płaskim lub stereoskopowym zdjęciu fotograficznym). Typowym przykładem stałego detektora pozwalającego zmierzyć energię promieniowania jest licznik scyntylacyjny. Przykładami detektorów śladowych są komora pęcherzykowa i komora Wilsona.

• Zasada działania licznika scyntylacyjnego polega na wzbudzaniu świecenia specjalnej substancji, zwanej luminoforem, pod wpływem energii przekazanej jej przez promieniowanie jonizujące. Najczęściej stosowanymi luminoforami są: ZnS, CdS (detekcja cząstek α), antracen w masie plastycznej (detekcja cząstek β) czy kryształy jodków cezu, sodu, litu (detekcja promieniowania γ).

Przebieg reakcji licznika scyntylacyjnego jest następujący: na skutek wzbudzenia luminoforu (zwanego tu scyntylatorem) podczas absorpcji promieniowania, powstają weń kolejne oddzielne błyski, zwane scyntylacjami. Są one przekazywane do fotopowielacza, znajdującego się w bezpośrednim sąsiedztwie scyntylatora, gdzie powodują powstanie prądu fotoelektrycznego, a następnie do dalszych elementów aparatury liczącej (wzmacniacz, dyskryminator, urządzenie liczące). Często pomiędzy scyntylator a okienko fotopowielacza wprowadza się dodatkowo ciecz immersyjną, zapobiegającą utracie światła w procesach odbicia.

Jest jasne, że im więcej cząstek scyntylatora ulegnie wzbudzeniu, tym więcej błysków zostanie z niego wyemitowanych. Podobnie nie budzi wątpliwości, że większe natężenie światła padającego na fotopowielacz spowoduje przepływ prądu fotoelektrycznego o większym natężeniu. Im większą energię będzie miało promieniowanie jonizujące powodujące wzbudzenie scyntylatora, tym większe będzie natężenie prądu fotoelektrycznego w fotopowielaczu. Licznik scyntylacyjny pozwala nam zatem ocenić badaną wiązkę promieniowania pod względem energetycznym.

• Komora pęcherzykowa (1952) jest to szczelne naczynie, wypełnione przegrzaną cieczą, np. ciekłym wodorem czy propanem, i zamknięte tłokiem. Przechodząca przez komorę cząstka naładowane powoduje jonizację cieczy wzdłuż swojej drogi. Jeżeli w tym czasie ciśnienia w komorze ulegnie nagłemu zmniejszeniu, to przegrzana ciecz zacznie wrzeć przede wszystkim wzdłuż zjonizowanego śladu. Powstanie na nim wówczas łańcuszek pęcherzyków pary, znaczący tor cząstki. Jest on uwieczniany na zdjęciu fotograficznym — w chwili rozprężenia cieczy zawartej w komorze uruchamiane jest bowiem automatycznie urządzenie oświetlające jej wnętrze oraz aparatura fotograficzna, rejestrująca ślady torów cząstek z różnych kierunków.

• Komora Wilsona (1912) działa analogicznie jak komora pęcherzykowa, z tym że zamiast cieczą wypełniona jest mieszaniną gazu, np. helu, azotu lub argonu i pary wodnej, alkoholu itp. Cząstka jonizująca, przechodząca przez komorę, zostawia na swojej drodze łańcuszek jonów. Jeżeli w tym czasie nastąpi szybkie adiabatyczne rozprężenie mieszaniny gazu i pary, to na jonach nastąpi kondensacja pary i otrzymamy widoczny ślad cząstki. Jest on uwieczniany dzięki urządzeniu fotograficznemu analogicznemu jak w komorze pęcherzykowej.

PROMIENIOWANIE β

Promieniowanie β jest promieniowaniem korpuskularnym. Oddziałuje ono z materią przede wszystkim wywołując jej jonizację. Cząstki β emitowane z preparatu promieniotwórczego na skutek zachodzących w atomach preparatu rozpadów β.

Wyróżniamy trzy typy rozpadu β: rozpad β^- (elektronowy) rozpad β⁺ (pozytonowy) oraz tak zwany wychwyt K.

• Rozpad (przemiana) β^- polega na emisji z jądra elektronu e^- i obojętnej cząstki elementarnej, antyneutrina v, o masie spoczynkowej równej zeru. Na poziomie atomowym reakcję tę zapisujemy następująco:

Ponieważ elektron nie stanowi składnika jądra, przemiana ta przebiega tak, jak gdyby jeden z neutronów rozpadł się na proton, który pozostaje w jądrze, oraz na elektron i antyneutrino, które są z jądra emitowane:

Rozpad β^- jest zarazem procesem rozpadu neutronu swobodnego, tzn. znajdującego się poza jądrem.

• Rozpad β⁺ polega na emisji z jądra pozytonu, czyli elektronu dodatniego, oraz neutrina v.

Odpowiada to przejściu jednego z protonów jądra w neutron:

• Wychwyt K polega na pochwyceniu przez jądro elektronu z własnej powłoki elektronowej K, z zamianą jednego z protonów w neutron i emisją neutrina. Wychwyt jest jednym z typów rozpadu β, lecz nie towarzyszy mu emisja promieniowania β, a jedynie kwantów charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego, więc nie będzie on dokładnie opisany.

Energia promieniowania β emitowanego z preparatu promieniotwórczego ma rozkład ciągły. Widmo energetyczne promieni β jest zatem widmem ciągłym:

Jak widać, w widmie tym istnieje granica, odpowiadająca pewnej energii maksymalnej cząstek β. Jest ona równa różnicy poziomów energetycznych jądra przed i po rozpadzie. Nie wszystkie cząstki β mają energię równą maksymalnej — dzieje się tak, ponieważ część energii unoszą ze sobą neutrina i antyneutrina.

Maksymalny zasięg R cząstek β w materii wynosi od 0,8 do 1770
. Energie maksymalne tych cząstek mieszczą się w granicach od 0,018 do 3,55 MeV.

Maksymalny zasięg z energią cząstek β wiąże zależność:

słuszna dla energii maksymalnych większych od 0,8 MeV.

LINIOWE STRATY ENERGII PROMIENIOWANIA

Cząstki jonizujące przechodząc przez materię tracą energię w procesach jonizacji. Te straty energii wyraża się za pomocą wielkości zwanej liniową zdolnością hamowania, czyli LET (z ang. linear energy transfer). Definiujemy ją jako stosunek strat energii promieniowania ∆E na drodze ∆x do długości tej drogi:

Wielkość tę wyrażamy w jednostkach energii na jednostkę drogi.

Okazuje się, że liniowa zdolność hamowania zależna jest od ładunku i prędkości cząstki jonizującej w następujący sposób:

~

gdzie iloczyn Ze oznacza ładunek cząstki jonizującej (Z jest jej wartościowością, a e oznacza ładunek elementarny),

a v — jej prędkość.

Widzimy zatem, że energia przekazywana ośrodkowi przez cząstkę jonizującą na drodze o jednostkowej długości jest tym większa, im większy ładunek cząstki, a mniejsza jej prędkość.

JONIZACJA WŁAŚCIWA

Wielkością charakteryzującą daną cząstkę pod względem zdolności jonizowania nazywamy jonizacją właściwą. Określa ona średnią liczbę par jonów (∆J) przypadającą na jednostkę długości toru cząstki jonizującej.

Jonizację właściwą wiąże z liniową zdolnością hamowania zależność:

gdzie w oznacza średnią pracę jonizacji. Dla powietrza wynosi ona 34 eV.

ĆWICZENIE 12

PROMIENIOWANIE γ

Promieniowanie γ (promieniowanie gamma) powstaje przy przejściu jądra ze stanu wzbudzonego do podstawowego lub do stanu wzbudzonego o energii mniejszej niż stan wyjściowy. Z falowego punktu widzenia są to fale elektromagnetyczne o bardzo dużej częstotliwości, z punktu widzenia korpuskularnego — fotony niosące dużą ilość energii. Energia takiego fotonu równa się różnicy energii jądra przed i po emisji. Emisja kwantów promieniowania γ towarzyszy zazwyczaj (choć nie zawsze) przemianom α i β.

Promieniowanie γ niesie ze sobą ogromną ilość energii. Zasięg tego promieniowania w materii i jego przenikliwość jest bardzo duża, niewielka jest natomiast jego zdolność jonizacyjna. Może ono jednak, podobnie jak promieniowanie X, być źródłem jonizacji wtórnej — fotony promieniowania γ oddziałują z materią, indukując powstawanie powodujących ten proces fotoelektronów.

Podczas przechodzenia przez materię promieniowanie γ traci energię zarówno w zjawisku fotoelektrycznym, jak i w zjawiskach Comptona i tworzenia par elektron - pozyton.

ODDZIAŁYWANIE NEUTRONÓW Z MATERIĄ

Działając na żywą tkankę, neutrony biorą udział w jednym z trzech procesów: zderzeniu sprężystym z jądrami atomów absorbentu, zderzeniu niesprężystym lub wychwycie przez jądro atomowe absorbentu.

1. Zderzenie sprężyste zachodzi wówczas, gdy suma energii kinetycznych rozproszonego neutronu i jądra atomu biorącego udział w zderzeniu jest równa energii neutronu przed zderzeniem. W bezpośrednim zderzeniu z jądrem lekkiego atomu (tzw. jądrem odskoku) neutron przekazuje mu znaczną część swej energii kinetycznej. W tkankach żywych jądrami odskoku — oprócz jąder tlenu, azotu i węgla — najczęściej są jądra atomów wodoru, czyli protony. Ze względu na niewielką różnicę mas tych dwu cząstek elementarnych, w pewnych przypadkach proton może przejąć całkowitą energię neutronu i rozpocząć proces jonizacji. Neutrony zatem nie jonizują tkanki bezpośrednio, lecz za pośrednictwem protonów.

2. W zderzeniach niesprężystych nie zachodzi równość energii cechująca zderzenia sprężyste. Neutron przekazuje część swej energii kinetycznej jądrom atomów absorbentu, które w związku z tym przechodzą w stan wzbudzania. Powracając do stanu podstawowego, jądra te wysyłają jeden lub kilka kwantów promieniowania γ.

3. Wychwyt neutronu przez jądro atomowe absorbentu powoduje zwiększenie masy danego atomu o 1 u, co odpowiada przejściu atomu w cięższy izotop, zazwyczaj nietrwały.

ĆWICZENIE 13

DAWKA EKSPOZYCYJNA. MOC DAWKI EKSPOZYCYJNEJ.

Dawką ekspozycyjną X nazywamy stosunek sumy ładunków elektrycznych wszystkich jonów jednego znaku wytworzonych przez promieniowanie jonizujące w masie powietrza ∆m do tej masy:

Jednostką dawki ekspozycyjnej jest kulomb na kilogram (
). Dawniej stosowano jeszcze inną jednostkę pozaukładową, zwaną rentgenem (1 R), a równą 2,58 · 10^-4
.

Dawka ekspozycyjna w danym elemencie objętości powietrza (przestrzeni) zależy od aktywności źródła promieniowania oraz od odległości l danego fragmentu przestrzeni od tego źródła. Zależność ta wygląda następująco:

gdzie ∆t jest jednostką czasu, w której następuje w źródle określona liczba rozpadów,

a Γ — tzw. stałą jonizacji promieniowania, liczbowo równą mocy dawki ekspozycyjnej wytworzonej w odległości 1 m od źródła o aktywności 1 Bq.

Moc dawki ekspozycyjnej
definiujemy jako iloraz przyrostu tej dawki przez wartość czasu, w którym ten przyrost nastąpił:

DAWKA POCHŁONIĘTA. MOC DAWKI POCHŁONIĘTEJ.

Dawką pochłoniętą D nazywamy iloraz energii ∆E przekazanej przez promieniowanie elementowi masy ∆m do wielkości tej masy:

Jednostką dawki pochłoniętej jest grej (1 Gy), równy
. Do niedawna stosowano jednostkę pozaukładową zwaną radem (1 rd), równą 0,01 greja.

Moc dawki ekspozycyjnej
definiujemy jako iloraz przyrostu tej dawki przez wartość czasu, w którym ten przyrost nastąpił:

RÓWNOWAŻNIK DAWKI POCHŁONIĘTEJ.

Skutki biologiczne promieniowania jonizacyjnego zależą nie tylko od wartości dawki pochłoniętej, ale i od wielu innych czynników, w tym głównie od rodzaju promieniowania. Dla niewielkich dawek i mocy dawek przyjmuje się, że skutki napromieniowania są proporcjonalne do wielkości dawki pochłoniętej dla wszystkich rodzajów promieniowania i energii.

Wychodząc z tych założeń, wprowadzono wielkość zwaną równoważnikiem dawki pochłoniętej H, która ma określać implikacje biologiczne spowodowane napromieniowaniem dla niewielkich wartości tych dawek:

gdzie N oznacza bezwymiarowy iloczyn tzw. współczynników modyfikujących (można przyjąć, że jest on równy 1);

D jest wartością dawki pochłoniętej,

a Q oznacza tzw. współczynnik jakości promieniowania (omówiony niżej).

Występująca w powyższym wzorze wielkość Q, zwana współczynnikiem jakości promieniowania, pomaga scharakteryzować jego skutki biologiczne. Według zalecenia Międzynarodowej Komisji Ochrony Radiologicznej przyjmujemy następujące, przybliżone wartości Q:

1. dla promieniowania rentgenowskiego, promieniowania γ i elektronów: 1;

2. dla neutronów i protonów o nieznanej energii: 10;

3. dla cząsteczek α i cząstek o wielokrotnym ładunku i nieznanej energii: 20.

Jednostką równoważnika dawki pochłoniętej w układzie SI jest siwert (1Sv =
).

Używana jest również jednostka 1 rem (0,01 siwerta). Wartość H otrzymuje się w siwertach, gdy D wyrażona jest w grejach, a w remach — gdy D wyrażona jest w radach.

DZIAŁANIE BIOLOGICZNE PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

Promieniowanie jonizujące może powodować w żywych organizmach rozmaite skutki, których rodzaj i skala zależą od bardzo wielu czynników: rodzaju promieniowania, dawki pochłoniętej, mocy tej dawki, obszaru napromieniowanego ciała, w przypadku komórki również od fazy cyklu komórkowego itp.

Cząstki naładowane i kwanty promieniowania przechodzące przez substancję żywą wywołują w pierwszym etapie wiele procesów fizycznych, w tym wzbudzanie atomów i cząsteczek, wytwarzanie jonów, wolnych rodników i nadtlenków, które to produkty reakcji cechuje wysoka aktywność chemiczna. Produkty te zapoczątkowują liczne procesy chemiczne i biologiczne. Na poziomie komórkowym promieniowanie uszkadza przede wszystkim subtelne struktury materiału genetycznego komórki. Na poziomie organizmu może wywołać skutki ostre, jak oparzenia, obrzęki i zapalenia błon śluzowych, biegunki, nudności, krwawienia, wyczerpanie, śpiączka, wreszcie zgon. Symptomy ostrej choroby popromiennej zaczynają się u człowieka dla równoważników dawki pochłoniętej powyżej 26 remów. W przypadku dawek mniejszych, ale równomiernie powtarzających się w czasie, u ludzi poddawanych napromieniowaniu wzrasta znacznie ryzyko wystąpienia rozmaitych nowotworów oraz genetycznych wad wrodzonych u ich potomstwa.

Miarą promienioczułości, czyli wrażliwości populacji komórek i organizmów na promieniowanie jest odwrotność tzw. dawki D₃₇, czyli takiej dawki, która zmniejsza liczebność populacji do 0,37 wartości początkowej. Jej wartość wyznaczamy doświadczalnie z zależności przeżywalności osobników danej populacji od dawki dostarczonego promieniowania.

A

B

Schematy komór licznika G-M

(niebieską linią oznaczono anodę, liniami czerwonymi — katodę)

Schemat blokowy układu zliczającego

---