Jednotky radiace, jak je chápat a jak se s nimi potýkat

Úno 18, 2013

Původně jsem měl v plánu sepsat recenzi na radiometr RBGT-62a, při focení a přemýšlení o tématu, jak nejlépe vysvětlit jeho funkci, jsem se ale musel v myšlenkových pochodech vrátit k jednotkám měření radioaktivity. Přístroj RBGT-62a totiž měří počet rozpadů na plochu. Na některých diskusích jsem zahlédl měření tímto přístrojem s otevřenou clonou, kdy trubice byla schopna přijímat jak beta, tak gama záření a pak tyto hodnoty dotyční bez zamyšlení převáděli na Rentgeny a jásali, jak mají nádherně citlivý přístroj, který hlásí mnohem větší hodnoty po převodu, než jiné přístroje stejného zaměření. I řekl jsem si: „Ne, takhle to opravdu nepůjde, prvně bude potřeba udělat v jednotkách a převodech pořádek a vymezit, co převádět jde a co už ne.“

Pro začátek musím začít úplným základem. Ti, kteří jsou problematiky znalí, jej mohou přeskočit nebo si jej zopakovat.

Definice radiace, neboli záření, je šíření energie prostorem. Záření se projevuje formou vln nebo pohybem částic. Tomu se říká duální charakter záření. Pro náš účel se budeme zabývat částicovými zářeními vznikající rozpadem jader. Mezi ty patří:

Alfa záření je proud alfa částic, tak se označují jádra helia, He2+. Jako záření se nazývá z historických důvodů, protože se nejedná o elektromagnetické záření, ale o proud částic.

 

Beta záření je dvojího typu: Beta plus a Beta minus. Beta minus je proud elektronů, které ale nepocházejí z atomového obalu, nýbrž jádra, kde se neutron přeskupením kvarků přeměňuje na proton, elektron a antineutrino. Proton zůstává v jádře, a elektron je spolu s antineutrinem vyzářen. Při Beta plus rozpadu je vyzáření pozitron. Ten vzniká rozpadem protonu, ze kterého vznikne neutron, pozitron a neutrino. I Beta záření se nazývá zářením pouze z historických důvodů.

 

Gama záření je pravé elektromagnetické záření, které se skládá z fotonů nad 10keV, tyto parametry splňuje i tvrdé rentgenové záření, pojmenování se potom liší pouze dle zdroje záření i když se vlastnostmi neliší. Pokud je zdrojem gama záření jaderný rozpad, vzniká tak, že po vlastním rozpadu může být jedno z nových jader v excitovaném stavu. Do nižšího stavu může přejít vyzářením fotonu o energii shodné se zářením gama.

Neutronové záření už z názvu prozrazuje, že se skládá z proudu neutronů, které jsou vyvrženy z jádra.

Tato záření se dělí na přímo a nepřímo ionizující. Přímo ionizují nabité částice, tedy protony, elektrony a pozitrony, nepřímo pak nenabité částice: neutrony a fotony. Ty samy o sobě nejsou schopny ionizovat své okolí ale nárazy v prostředí, kterým prolétají, způsobují sekundární ionizaci.

Pro energii, kterou záření předá, je důležitá velikost a rychlost vyzářených částic. To potom platí i pro prostředky nutné k jeho odstínění. Zjednodušeně se dá říci, že velké pomalé částice, jako jsou třeba alfa částice, způsobí silnou ionizaci, ale v materiálu daleko nedoletí, v plynech několik centimetrů a ve tkáni několik jednotek až desítek mikrometrů.

Beta částice doletí dále, ve vzduchu cca 8m, v hliníku 4mm. Ve vodě díky němu vzniká zajímavý jev, který se nazývá Čerenkovovo záření. Beta částice letí v tomto prostředí po svém vyzáření rychleji než fotony, takže beta částice po dobu tohoto rychlejšího letu polarizuje atomy podél své dráhy. Po průletu se atomy samy opět depolarizují a přebytečnou získanou energii vyzáří v podobě fotonů. Toto záření je možné sledovat kupříkladu v jaderných reaktorech pod vodou jako namodralé světlo.

Gama částice už potřebují na své zastavení vrstvu betonu nebo olova, tedy těžké hutné materiály, neutronové záření na druhou stranu je nejlépe pohlcováno lehkými prvky, kupříkadu vodíkem, který jej zpomalí nebo zachytí.

Veškerá tato záření, ať primárně nebo sekundárně ionizující, způsobují ve všech materiálech změny, proto jsou nebezpečné. Při průletu tkání se tyto částice absorbují nebo interferují, z atomů ve tkáni jsou vyráženy elektrony a vznikají kationty, což jsou kladně nabité atomy. Kvůli tomu se jedná o ionizaci, kationty jsou reaktivní a molekuly, které obsahují zasažené atomy, se rozpadají a vstupují do jiných chemických reakcí se svým okolím. Tyto radikály mohou napadat DNA, v jehož řetězcích přerušují vazby a trhají se, a v důsledku pak buňka buď dále není schopna udržet své procesy a provede řízenou smrt, nebo je pohlcena jako nefunkční díky ochranným procesům organizmu, nebo není celkově porušena její funkčnost a pokud je narušena rozmnožovací funkce genetické informace, může se začít nekontrolovatelně dělit a způsobit onemocnění. Na druhou stranu mají buňky opravné mechanismy, takže i když se v přírodě nachází přirozená radiace, jsou schopny se v jisté míře opravovat.

Nyní jsme se dostali přes úvod, víme jakým způsobem částice fungují a teprve teď je možné vysvětlit, co se v tomto oboru měří:

Intenzita záření, neboli aktivita zdroje.

Základní jednotkou je Becquerel, symbol má Bq a jedná se o odvozenou jednotku soustavy SI. 1 Bq znamená 1 rozpad částice za 1s. Jako starší jednotka byla používána jednotka Curie, symbol Ci a převodní vztah je 1Ci= 3,7e^10 Bq. Jednotka Curie vznikla měřením aktivity 1g prvku Radia 226.

Aktivita se dá vztáhnout na objem i na plochu, některé přístroje tedy používají jednotku rozpady za minutu na centimetr čtvereční. (RBGT-62 v rozsahu měření pro beta i gama). 1 Bq na centimetr čtvereční je tedy roven 60 rozpadům za minutu na centimetr čtvereční, tyto hodnoty měří výše zmíněný RBGT-62 současně pro beta i gama záření a je udáno přímo v hodnotách na stupnici.

Expozice

Používanou jednotkou je Rentgen se zkratkou R. U expozice se měří intenzita radiace gama záření, která v 1cm^3 suchého vzduchu při laboratorních podmínkách vytvoří ionty s nábojem cca 3,336e-10C, tedy 258 μC/kg. Tato jednotka NELZE POUŽÍT pro jiné částice, než gama, protože nelze jednoznačně přepočítat účinek těchto záření. Pro měření výše zmíněným přístrojem RBGT-62 je tedy třeba úplně zavřít clonu, aby ryska ukazovala na hodnotu gama, jinak měření není možné správně interpretovat. Zopakuji to ještě v recenzi na tento přístroj ale přepočet 2500 rozpadů/min*cm^2 = 1mR/h, který je zmíněný na stupnici přístroje je možné použít jen při takto nastavené cloně na průchod pouze gama částic (ono je to napsané v manuálu ale ten je u přístrojů proto, aby ho nikdo nečetl).

Absorbovaná dávka

Jedná se o dávku ionizujícího záření, které svým průchodem dodá energii konkrétní hmotě. Jedná se o jednotku Gray, zkratkou Gy, která je rozměrově shodná s energií předané energie 1 joule na kilogram tělesné hmoty. Dříve byla používána nižší jednotka rad a tu lze přepočítat 100rad = 1Gy

Při expozici 1 Rentgenu záření gama absorbuje lidské tělo přibližně dávku 0,01Gy, zde je přepočet tedy možný opět pouze pro částice gama.

Dávkový příkon

Jedná se o přírůstek dávky za jednotku času, tedy Gy/s, v praxi ale spíše µGy/h

Ekvivalentní dávka

Popisuje biologický účinek ionizujícího záření. Vyjadřuje dávku záření gama, které by vyvolalo poškození organizmu, které vyvolá jiný druh záření. Dávkový ekvivalent se z absorbované dávky počítá vynásobením radiačním váhovým faktorem a udává se v Sievertech, zkratkou Sv.

Radiační váhový faktor má takovéto hodnoty pro jednotlivá záření:

Foton o jakékoli energii = 1

Elektrony o jakékoli energii = 1

Neutrony o energii < 10 keV=5

Neutrony o energii mezi 10 a 100 keV=10

Neutrony o energii mezi 100 a 2 MeV=20

Neutrony o energii mezi 2 a 20 MeV=10

Neutrony o energii > 20 MeV=5

Protony o energii > 2MeV=5

Alfa částice a větší jádra= 20

Starší jednotka ekvivalentní dávky byl rem, pro převod 1 rem= 0,01 Sv

Dávkový ekvivalent

Pro ten jsou také používány jednotky Sievert a rem se stejným vztahem vůči sobě.

Počítá se vynásobením absorbované dávky jakostním činitelem, ten má hodnoty pro následující záření:

RTG, gama a elektrony= 1

Neutrony o neznámé energii= 10

Částice s nábojem o neznámé energii a hmotnosti větší než 1 hmotnostní jednotka= 10

Pro alfa částice a jiné vícenásobně nabité částice o neznámé energii= 20

Pro neutrony= 2,3

Kerma

je součet počátečních kinetických energií všech nabitých částic uvolněných nenabitými ionizujícími částicemi v uvažovaném objemu látky. Jednotka kermy je stejná jako jednotka absorbované dávky, tj. 1 Gy.

Kerma se používá v souvislosti s nepřímo ionizujícím zářením. Za podmínky rovnováhy nabitých částic se kerma rovná absorbované dávce.

Existují i další jednotky a veličiny, ty nejpodstatnější se mi snad podařilo shrnout v tomto úvodu do problematiky. Snad je tedy nyní jasné čtenářům, kterak výše sepsané jednotky používat a možná do budoucna sepíšu i hodnoty jednotlivých veličin, které ovlivňují lidský život, takže se můžete těšit na další nezáživný, ale poučný tematický článek.

Pro PostApo.cz sepsal Artifex