Naelektreno ionizirajoče sevanje ionizira snov neposredno, nevtralno sevanje pa posredno. Pri nevtralnem povzročajo ionizacijo sekundarni delci, ki jih sprosti sevanje. Fotoni gama rodijo elektrone in pozitrone, nevtroni odrinejo jedra ali prožijo jedrske reakcije, pri katerih se pojavljajo naelektreni delci. Sevanje povzroča tudi prehode atomov molekul ali kristalov v vzbujena stanja. Zaradi vsega tega se energijski tok sevanja J v smeri širjenja manjša. Če vzamemo vzporeden ozek curek, je zmanjšanje eksponentno:

J=Jo exp(-m ex), (1)

pri čemer je m e - energijski oslabitveni koeficient z enoto m-1.

za energijski dotok (F ),

in za gostoto energijskega dotoka (j ).

Pojemanje gostote energijskega dotoka neposredno opredeljuje absorbirano dozo, posredno pa tudi obsevno ekspozicijsko dozo. Biološke učinke ionizirajočega sevanja podajamo z ekvivalentno dozo.

 D= lim DWn/Dm =dWn/dm (2)

D m® 0

Če se ob prehodu skozi del telesa z maso dm delci niti ne anihilirajo npr. (e++e-® 2g ) niti ne nastajajo novi npr. (2g ® e++e-), se D Wn kar ujema z negativno razliko med energijskim odtokom F in energijskim dotokom F "

 D Wn= - (F - F ")= - D F . (3)

Če pa se delci anihilirajo ali nastanejo novi, je sprememba D Wn enaka negativni spremembi vsote energije sevanja in lastne energije vseh snovnih delcev v curku in masi m.

 D Wn = - D F - D (S mic2) = - D (F + S mic2). (4)

 Ta enačba nam pove, da tistega dela v spremembi energije sevanja, ki se porabi za nastanek novih delcev, ne smemo šteti k notranji energiji: D (S mic2)>0 odštejemo od prvega člena, ki je skoraj vedno pozitiven.

Če obravnavamo D (S mic2) kot popravek k energijskemu dotoku F , velja:

= -dF /dm

=(F m edx)/r dV =(j Sm edx)/(r Sdx)=j (m e/r ) (5)

Pri tem je S prečni presek curka sevanja in r gostota snovi. Absorbirana doza je torej sorazmerna z gostoto energijskega dotoka. Sorazmernostni faktor m e/r je masni energijski oslabitveni koeficient.

 dD/dt = j(m e/r ) (6)

Masni energijski oslabitveni koeficient m e/r je za fotone v lahkih snoveh (zrak, O2, N2, Al) pri energiji okrog 1 MeV približno 0,003 m2_/kg.

Za te snovi absorbirani dozi 1Gy ustreza gostota energijskega dotoka 300 J/m2. Ker ima (1,6)-1 . 1013 fotonov z energijo po 1 MeV skupno energijo 1 J, si velja zapomniti, da absorbirani dozi 1 cGy ustreza gostota dotoka fotonov približno 2. 109 cm-2.

Delec a z energijo nekaj MeV rodi na poti skozi zrak okoli 105 ionskih parov, tipičen Comptonov elektron z energijo nekaj sto elektronvoltov pa približno desetkrat manj. 105 osnovnih nabojev spremeni napetost na ploščah kondenzatorja s kapaciteto 10 pF za okoli 0,1 mV, kar je mogoče meriti brez posebnih težav . Še lažje je izmeriti spremembo napetosti, če je v celici večje število delcev sevanja. Ni čudno, da so od nekdaj ionizirajoče sevanje ugotavljali z ionizacijo in da delamo to še danes.

Obsevna doza X je določena z razmerjem med nabojem de in maso dm, če je de celoten naboj ionov enega znaka, nastalih v zraku ob absorpciji vseh elektronov in pozitronov, ki jih v zraku z maso dm sprostijo fotoni:

Enota obsevne doze je As/kg. Stara enota rentgen, 1r= 2,58.10-4 As/kg, ni več v rabi. Obsevno dozo so definirali za zrak zato, ker je v zraku preprosto meriti.

Tudi obsevno dozo lahko izrazimo z energijskim oslabitvenim koeficientom. Povprečna energija Wi za nastanek ionskega para je skoraj neodvisna od energije fotonov. Za sevanje g z energijo fotonov 1MeV je v suhem zraku ta energija enaka

(33,85 ± 0,15) eV. Za običajno vlažen zrak pa pogosto navajajo vrednost 33,7 eV.

 X=de/dm=(dF /dm)eo/Wi=Dzrakeo/Wi, (8)

 Eksperimentalno določimo obsevno dozo z meritvijo števila ionskih parov, ki jih sprostijo elektroni e- in pozitron e+, nastali v delu zraka z maso dm. Ti elektroni in pozitroni se zaustavijo tudi v področju zunaj opazovane mase dm. Tam pa sproščajo fotoni nove elektrone in pozitrone. Istočasno končajo svojo pot v masi dm elektroni in pozitroni, nastali v snovi, ki je bliže izviru sevanja kot opazovani del zraka z maso dm. Če je prostorska gostota rojstev v opazovanem delu snovi dm in v okolici (znotraj dosega elektronov in pozitronov) enaka, je število ionskih parov v opazovanem delu z maso dm enako število ionskih parov, ki jih v okolici sprostijo elektroni in pozitroni, rojeni v tem delu snovi. Tako je de kar naboj ionov znotraj prostornine z maso dm. To velja kadar je curek sevanja vzporeden, njegova absorpcija na razdalji dosega elektronov - pozitronov pa zanemarljiva. V okolici opazovane mase dm ne sme biti druge snovi kot zrak. V tem primeru pravimo, da imamo v opazovanem delu telesa in njegovi okolici ravnovesje nabitih delcev.

D/Dzraka =(m e/r )/(m e/r )zrak (10)

D=Xzrak (Wi zrak/eo) (m e/r )/(m e/r )zrak (12)

Za fotone g z energijo med 0,1 MeV in 5 MeV v vodi je

(m e/r )vode/(m e/r )zrak=1.1

Za fotone g z energijo več kot 0,2 MeV v tkivu pa 1,2. Absorbirana doza je torej pri isti obsevni dozi v vodi za 10 % večja kot v zraku. V tkivu je povečanje 20 %.

 Pri posredno ionizirajočem sevanju pridemo do absorbirane doze v dveh korakih. V prvem dobimo sekundarne naelektrene delce (elektrone, pozitrone, odrinjena jedra), v drugem pa ti delci zadevajo atome, izgubljajo kinetično energijo in se nazadnje ustavijo. Ker sekundarni delci izgubljajo energijo drugje, kot jih sevanje sprosti, se absorbirana doza tik ob obsevni površini hitro veča v notranjosti pa eksponentno pojema.

 ki ji rečemo kar kerma. Tu smo postavili Wtr za tisti del notranje energije, ki se prenese na nabite delce (transportna energija). Enota za kermo je enaka kot za absorbirano dozo.

Radioaktivno sevanje detektiramo (merimo, štejemo) tako, da izkoriščamo njegovo ionizacijsko sposobnost. Delci sevanja ionizirajo detektorsko snov. Ionski pari (elektroni in pozitivni ioni), nastali v detektorju, povzročajo sekundarne efekte, ki jih ojačimo, tako da jih lahko makroskopske zaznamo in štejemo. Različni detektorji se razlikujejo predvsem v načinu, kako sekundarni pojavi, ki jih merjeno radioaktivno sevanje proži v detektorju, ojačujejo in merijo oz. štejejo. Posamezni detektorji so prilagojeni posameznim vrstam sevanja. Želela bi opisati najpomembnejše.

Za detekcijo radioaktivnega sevanja se uporablja podobno kot pri svetlobi fotografski film ali plošča. Emulzija (debelina od 50 µ m do 0,1 mm) vsebuje zrnca, ki se pod vplivom ionizirajočega sevanja kemično razvijejo. V razviti emulziji nastanejo počrnjene sledi delcev sevanja, električnih delcev ali fotonov), ki jih opazujemo z mikroskopom. Iz debeline in dolžine sklepamo o naboju in energiji delcev. Čim večji je električni naboj delca, tem večja je specifična ionizacija, tem debelejša je sled. Dolžina sledi je merilo za energijo, ki jo delec sevanja izgubi v emulziji, to je za energijo delca (če se njegova sled v emulziji konča). Za vsako vrsto sevanja je potrebna posebna emulzija. Najpogosteje se uporabljajo zrnca srebrovih halogenidov (velikost 0,1 do 0,3 µ m); ta so enakomerno razporejena po želatini.

V valjasti posodi s steklenimi stenami je nasičeno vlažen zrak, spodnja osnovna ploskev je premični bat . Če bat na hitro odmaknjeno, se zrak v celici adiabatno razstegne, ohladi in prenasiti z vlago. Presežek vodne pare iz prenasičenega zraka se konndenzira, najprej in najmočneje ob kondenzacijskih jedrih, npr. po prašnih delcih in ionih v zraku; nastanejo vodne kapljice, na katerih se svetloba siplje. Sled delca sestavljajo ioni, zato postane vidna kot sled vodnih kapljic. Svetloba osvetljuje sledi od strani, opazujemo ali slikamo pa jih od zgoraj.

Podoben pojav kot v meglični celici pogosto opazimo v naravi, npr. sled letal v velikih višinah, kjer je zrak močno ohlajen. Vodna para iz izpušnih plinov avionskih motorjev se kondenzira na ionih in prašnih delcih, ki izhajajo z izpušnimi plini.

Meglična celica je primerna za detekcijo električnih delcev z visoko specifično ionizacijo, npr. žarkov a . Elektroni in fotoni gama se v redkem zraku ne ustavijo. Zanje je primerna takoimenovana mehurčna celica. Ta je zgrajena podobno kot meglična celica, le da namesto zraka vsebuje gosto kapljevino z majhno površinsko napetostjo, npr. tekoči vodik pri temperaturi 27 K. V celici je visok tlak in kapljevina je segreta tik pod vreliščem. Tlak v celici nenadoma zmanjšamo, kapljevina se pregreje in v njej hipoma nastanejo mehurčki pare; najprej okrog ionov, ki učinkujejo kot aktivacijska jedra za vrenje. Sled mehurčkov opazujemo podobno kot pri meglični celici.

Ti števci so narejeni v obliki podolgovate valjaste cevi. Vzdolž osi cevi je napeta tanjka kovinska žicka, ki je električno izolirana od kovinskega plašča . Med plaščem in žičko je električna napetost več sto do tisoč voltov (žička je pozitivna plašč je negativen). Delci sevanja na poti skozi števec ionizirajo atome plina. Sproščeni elektroni in pozitivni ioni se v električnem polju pospešijo: ioni k plašču in elektroni k žički. V neposredni bližini žičke (kjer je električno polje najmočnejše) se elektroni zelo pospešijo, tako da začno dodatno ionizirati nove atome plina. Sprosti se pravi plaz sekundarno sproščenih elektronov, ki zgrmi na žičko. Tako nastane električni signal (pulz), ki ga še dodatno ojačimo in registriramo.

- Geiger - Mü llerjev števec.

5.3.1. IONIZACIJSKA CELICA uporablja napetost 100 - 300 V. Celica obratuje v ravnem nasičenem delu tokovne karakteristike. Nastali električni signal je neodvisno od napetosti premosorazmeren s številom primarnih ionskih parov, ki jih delec sevanja sproži v plinu. Ker zaradi nizke napetosti ni elektronskih plazov, je nastali električni signal šibak in je potrebna precejšna ojačitev. Ionizacijska celica se uporablja za detekcijo močnega sevanja in ima lahko velik volumen.

5.3.2. PROPORCIONALNI ŠTEVEC uporablja napetost od 700 - 800 V. Polnilni plin je argon in metan, tlak je 1 bar. Žička je zelo tanka 0,01 mm, zato je električno polje v njeni neposredni bližini dovolj močno, da nastanejo elektronski plazovi, ki ojačijo izhodni signal. Ta je okrog tisočkrat močnejši kot pri ionizacijski celici. Čeprav je

izhodni signal (napetost na anodnem uporu R) odvisen od priključene anodne napetosti U (ker ta števec deluje na strmem delu tokovne karakteristike), je vendarle premosorazmeren s številom primarnih ionskih parov, to je z energijo vpadnega sevanja - od tod tudi ime proporcionalni števec. Proporcionalni števec se uporablja predvsem za merjenje energije delcev sevanja.

5.3.3. GEIGER MÜLLERJEV ŠTEVEC uporablja napetost od 1000 - 1200 V. Polnilni plin je argon z različnimi dodatki, tlak je od 10 - 500 mbar. Plaz ionizacij okrog žičnate anode se zaradi dodatnih ionizacij s fotoni, ki se sprostijo ob prvih ionizacijah, razvleče zdolž celotne anode. V kratkem času nekaj mikrosekund se razvije močan signal, ki je neodvisen od primarnega števila ionskih parov, to je od energije vpadnih delcev sevanja. S tem števcem le registriramo prehod delca sevanja skozi števec, ne moremo pa meriti njegove energije.

Z močno sekundarno ionizacijo se ob žičnati anodi nabere plast pozitivnih ionov ki močno oslabi električno polje, polmer žičke se navidezno poveča, tako da je nadaljnja ionizacija možna šele, ko se masivni pozitivni ioni odmaknejo od žičke k plašču in se prvotno električno polje spet obnovi. Med tem časom števec ne more šteti t. i. mrtvi čas števca, običajno je to okrog 100µ s. Da se mrtvi čas števca zmanjša, so polnilnemu plinu dodani različni dodatki npr. brom. Ker se ti sčasoma porabijo, je življenjska doba Geiger Mü llerjevega števeca omejena npr. lahko prešteje do 10⁹ pulzov. S tem števcem zgolj ugotavljamo prisotnost radioaktivnega sevanja, ne glede na njegovo vrsto ali energijo.

Geiger Mü llerjev števec uporabljamo predvsem za ugotavljanje ionizirajočih delcev. Ta števec je sestavljen iz cevi, ki je napolnjena z razredčenim plinom, ki se zaradi radioaktivnega sevanja ionizira, da postane prevoden. To povzroči kratek napetostni sunek na priključenem uporu. Impulz ojačimo in vodimo v števno napravo. Visoko občutljivost Geiger Müllerjeve števne naprave dosežemo s pravilno geometrično porazdelitvijo elektrod. Tanko anodo v obliki žice (+ pol) obdaja cilindrična katoda (- pol) z veliko površino. Verjetnost, da pri ionizaciji sproščeni negativni elektroni takoj dosežejo anodo, je majhna. Praviloma letijo mimo anode naprej. Zgoščene silnice polja ob anodi pa jih prisilijo v ukrivljeno pot, med katero povzročijo številne trpreden dosežejo anodo.

5.4.1. FOTOPOMNOŽEVALKA deluje podobno kot fotocelica. Ima fotokatodo, iz katere nastali svetlobni blisk izbija elektrone, več dodanih elektrod npr. do 20 t. i. dinod za povečevanje števila izbitih elektronov ter pozitivno anodo, ki zbere končni električni signal in ga pošle skozi anodni upor R. Prva dinoda, ki je tik za fotokatodo, je za 100 - 200 V bolj pozitivna kot fotokatoda, druga dinoda pa ravno za toliko bolj pozitivna kot prva itd. Svetlobni signal, ki ga vpadni delec povzroči v iz scintilatorju, se s svetlobnim vodnikom prenese do fotokatode, iz katere izbije elektrone. Število izbitih elektronov je premosorazmerno z energijo vpadnih oz. absorbiranih delcev. Iz fotokatode izbiti elektroni se pospešijo k prvi dinodi, udarijo ob njo in iz nje izbijejo več sekundarnih elektronov. Ti se pospešijo k drugi dinodi itd.. Začetni tok elektronov se tako močno ojači npr. 10⁶ do 10⁸ - krat. Izhodni električni signal, to je napetost na anodnem uporniku R, je premosorazmeren z energijo vpadnega sevanja. Zato lahko scintilacijski števec uporabljamo podobno kot proporcionalni števec za merjenje energije vpadnega sevanja. Prednost scintilacijskega sevanja je predvsem v tem, da se pulz razvije v izredno kratkem času (mikrosekunda) in je zato primeren za štetje hitro spreminjajočih se pojavov. Razen tega scintilator mnogo učinkovitejše absorbira fotone gama kot npr. detektorski plin v plinskih števcih. Scintilacijski števci se uporabljajo predvsem za detekcijo in merjenje energije žarkov gama.

Polprevodniško diodo, ki je priključena v zaprti smeri, tako da ne prevaja električnega toka, lahko uporabimo tudi za detekcijo sevanja. Vpadno ionizirajoče sevanje prodre skozi tanko plast p do zaporne plasti, kjer sprošča elektrone in vrzeli. Ti se v močnem električnem polju, ki je v zaporni plasti, pospešijo in skozi zaključen električni krog steče električni tok, ki je sorazmeren z energijo vpadnega sevanja.

Nevtroni so električno nevtralni in ne ionizirajo atomov snovi, zato jih ne moremo neposredno meriti podobno kot fotone gama ali električne delce ( alfa in beta). Pomagamo si tako, da detektorski snovi običajnih detektorjev dodamo primesi, v katerih vpadni elektroni z jedrsko reakcijo sproščajo fotone ali električne delce, ki jih nato merimo.

Za detekcijo termičnih nevtronov so primerne predvsem reakcije B¹⁰ (n, µ ) Li⁷, Li⁶ (n, µ ) H³ ter cepitev urana 235 ali Pu 239. Ionizacijski celici ali proporcionalnemu števcu se doda bor 10 bodisi v plinski obliki (npr. kot plin BF₃) ali se katodni plašč prevleče z borovo spojino npr. z borovim karbidom. Vpadni nevtroni, ki se na poti skozi števec absorbirajo v jedrih bora 10, sproščajo delce alfa, ki nato ionizirajo detektorski plin. Znani so predvsem takoimenovani BF₃ števci termičnih nevtronov. Uporabne so tudi t.i. cepitvene celice. Okence ionizacijske celice je lahko prevlečeno s tanko plastjo oz folijo urana 235 ali plutonija 239. Po absorpciji vpadnih nevtronov se jedra urana 235 cepijo in nastali cepitveni produkti so močno ionizirani in imajo precejšno kinetično energijo, zato močno ionizirajo detektorski plin v celici. Cepitvena celica da zelo močan in izrazit električni signal.

Hitri nevtroni z energijo nekaj MeV se premalo absorbirajo v jedrih, da bi jih lahko merili z omenjenimi števci. Zanje je primeren npr. detektor na odrivne protone. Detektorskemu plinu običajnih plinskih detektorjev se doda vodikov plin ali so stene prevlečene s parafinom, ki vsebuje veliko vodika. Vpadni hitri nevtroni zadenejo v vodikova jedra in jih odrinejo, da se ta pospešijo skozi detektorski plin. Drugi je takoimenovani pragovni detektor, pri katerem se izkoriščajo endoergične reakcije s hitrimi nevtroni. Običajnemu plinskemu detektorju je dodan uran 238 ali torij 232. Jedra teh elementov se cepijo le, če je energija vpadnih nevtronov večja od 1 MeV, je cepitvena celica za hitre nevtrone. Lahko se izkoristi tudi jedrska reakcija N¹⁴ (n, p) C¹⁴ , ki ima prag pri 0,55 MeV.

Žive celice so za sevanje izredno občutljive. Pri nekaterih, na primerih pri bacteriji colli, je dovolj že ena sama ionizacijska poškodba, da celica odmre. To so takoimenovane enozadetkovne celice. Pri večini celic pa je potrebno več ionizacijskih poškodb - to so večzadetkovne celice. Značilno je, da pri isti absorbirani dozi uničenih več enozadetkovnih celic, če pušča delec za seboj redkejšo sled ionskih parov. Če je sled gostejša, npr. pri delcih ali odrinjenih jedrih, pa je obratno. Pojav pojasnimo s predpostavko, da enozadetkovne celice doživijo v gosti sledi več kot zadosten smrtni zadetek in se torej le del energije sevanja porabi za uničevanje celic. Pri večzadetkovnih celicah pa morajo biti ionizacijski dogodki dovolj gosti, da jih odpade na prostornino celice potrebno smrtno število.

Kot smo videli, so celice tkiv bolj občutljive za sevanje z gosto sledjo ionizacijskih parov. Pri takem sevanju je specifična energijska izguba velika. Razmerje med biološkimi poškodbami, ki jih povzroči sevanje in poškodbami s fotoni g (elektroni) z energijo nekaj MeV imenujemo kvaliteto sevanja Q. Kvaliteto Q za nevtrone različnih energij kaže tabela I.

ENERGIJA NEVTRONOV	Q	Število nevtronov/cm2, ki ustreza 1 cSv
Termična	3,0	9,6 108
5keV	2,5	8,2 108
20 keV	5,0	4,0 108
100 keV	8,0	1,2 108
500 keV	10,0	4,3 107
1MeV	10,5	2,6 107
5 MeV	7,0	2,6 107
10 MeV	6,5	2,4 107

Vidimo, da kvaliteta Q z energijo nevtronov najprej narašča, nato pa pada. Pri nizkih energijah povzročajo poškodbe produkti jedrskih reakcij z nevtroni, predvsem fotoni g , pri višjih energijah pa odrinjena jedra. Slednja imajo visoko specifično izgubo. Zaradi tega je Q velik in doseže pri energiji nevtronov 1MeV vrednost 10. Pri višjih energijah nevtronov , ko imajo odrinjena jedra višje energije, se specifična energijska izguba manjša. S tem pada tudi kvaliteta Q.

Absorbirane doze torej ne moremo uporabiti kot mero za biološke poškodbe. Pomnožimo jo s kvaliteto Q pa dobimo ekvivalentno dozo H, ki meri te poškodbe.

7. MERITVE IN IZRAČUNI

V tem delu bi želela s pomočjo meritev in izračunov preveriti dozo zaradi:

Za meritev sem uporabila dozimeter FAG-RADIAMETER FH 40 F1, ki ima vgrajeno Geiger Mü llerjevo števno cev, napolnjeno s ksenonom.

Najprej sem merila, kolikšna je doza zaradi zunanje radioaktivnosti v daljšem časovnem intervalu, nato sem merila, koliko sunkov na enoto časa povzročajo posamezni radioaktivni vzorci, ki jih uporabljamo v eksperimentalne namene, in nazadnje sem merila še, kolikšno dozo povzroča sevanje okrog rentgenske cevi, če imamo zaprto kapo in brez vzorca, imamo zaprto kapo brez vzorca in z zaprtim oknom, zaprto kapo brez vzorca in z odprtim oknom, odprto kapo brez vzorca z odprtim oknom in odprto kapo z vzorcem in z odprtim oknom. Dobila sem nasledne rezultate:

l = 0,154 nm E₀= h· n

h= 6,626 · 10- ³⁴ Js

c= 3 · 10⁸ m/ s E₀= h· ( c/ l )

E₀= ? E₀= 129,74· 10- ¹⁷ [ J· s· m/ s· m]

E₀= 129,74· 10- ¹⁷ J

r= 1mm V= p r²· h

h= 17mm V= 53,41· 10- ⁹ m³

V= ?

V= 53,41· 10- ⁹ m³ p· V= nRT

p= 1,5 bar = 1,5· 10⁵ Pa n= ( p· V) / ( R· T)

R= 8300 J/ kmol· K n= 3,294 · 10- ⁹kmol

T= 20° C = 293 K n= ( m/M)

M= 131 kg/ kmol m= M· n

` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` m= 0,4 · 10- ⁶kg

m= ?

Absorbirano dozo izračunamo po enačbi 2, ki se glasi:

D= lim D Wn/D m =dWn/dm

D= ( N· E₀) / m

H= Q· D

Pri čemer nam Q pove kvaliteto in ima v našem primeru za maso ksenona vrednost Q= 1.

Vidimo, da je le v primeru, ko je rentgen vključen, okno odprto, kapa odprta in vzorec nameščen, izmerjeni tok doze znatno večji kot tisti, ki je posledica radioaktivnosti naravnega okolja.