Publikacje naukowe

1. Wstęp

Źródła selenowe zaczęto stosować na skalę przemysłową w latach 70-tych w byłym Związku Radzieckim. Były one propagowane przez instytut rosyjski WN1RT w Moskwie. Źródła te miały jednak zbyt duże wymiary i niską aktywność właściwą. Dostarczane były w specjalnych aparatach gammagraficznych i wraz z Tulem-170 proponowane były głównie do kontroli wyrobów z metali lekkich.

W latach 1973-76 przeprowadzono w Instytucie Badań Jądrowych w Świerku próby ze źródłami ⁷⁵Se w ramach prac nad rozwojem gamma-radiografii niskoenergetycznej [1]. Jednak bardzo niska aktywność właściwa tych źródeł spowodowała zaniechanie dalszych porób i zajęcie się przede wszystkim Iterbem-169.

W latach 90-tych, w wyniku zmian politycznych a co za tym idzie gospodarczych, nawiązano współpracę w dziedzinie radiografii selenowej między firmami zachodnimi (Isotopen Technik - Dr Sauerwein, AGFA), specjalistami rosyjskimi z dawnego instytutu WNJJRT oraz ośrodkami jądrowymi w Rosji, posiadającymi wirówki umożliwiające wzbogacanie selenu oraz wysoko strumieniowe reaktory umożliwiające uzyskanie źródeł radiograficznych selenu-75 o wysokiej aktywności właściwej. Strona niemiecka zapewniła szeroki marketing oraz przeprowadziła prace badawcze, które umożliwiły wprowadzenie ⁷⁵Se do normy PN/EN-1435 dotyczącej badań radiograficznych spoin.

2. Podstawowe własności fizyczne i chemiczne selenu

Selen jest pierwiastkiem chemicznym o liczbie atomowej 34 i masie atomowej 78,96 należącym do VI grupy układu okresowego pierwiastków (tlenowce, pół metal). Występuje w kilku odmianach alotropowych z których najtrwalszą jest selen szary, zwany metalicznym, który jest półprzewodnikiem, posiadającym temperaturę topnienia 220°C i wrzenia 688°C. Gęstość selenu metalicznego wynosi 4,8 ^g/_cm³. Znane są też nietrwałe odmiany krystaliczne (a i P) o barwie czerwonej oraz selen bezpostaciowy występujący jako czerwony proszek lub w postaci szklistej. Selen ogrzewany łączy się z tlenem (tworząc SeCh i SeOs) oraz z fluorem i z metalami alkalicznymi. Występuje w przyrodzie w niewielkich ilościach, głównie w złożach siarki i jej związków; rzadko tworzy własne minerały. Selen wykazuje fotoprzewodnictwo.

Niska temperatura topnienia i wrzenia selenu jest przeszkodą, w niektórych krajach, w uzyskaniu atestu prób bezpieczeństwa opakowań typu "B" oraz samych źródeł zamkniętych, co w efekcie utrudnia w pewnym stopniu rozpowszechnienie ⁷⁵Se w niektórych państwach wspólnoty europejskiej. Poza zagadnieniami czysto technicznymi występują tu prawdopodobnie również czynniki rynkowe, gdyż w wielu przypadkach selen jest bardzo konkurencyjnym źródłem w stosunku do ¹⁹²Ir i ¹⁶⁹Yb.

3. Własności radiograficzne ⁷⁵Se

Energia promieniowania

Selen naturalny zawiera izotopy o następującej masie atomowej, w kolejności ich występowania: ⁸⁰Se, ⁷⁸Se, ⁷⁶Se, ⁸²Se 78, ⁷⁷Se, ⁷⁴Se [2].

Izotopy promieniotwórcze selenu i ich okresy półrozpadu przedstawiają się następjąco: ⁷⁰Se (0,68 godz.); ⁷³Se (7,15 godz.); ^73mSe (0,65 godz.); ⁷⁵Se (120 dni); ⁷⁹Se (6,5-104 lat); ⁸¹Se (0,32 godz.); ^81mSe (0,95 godz.); ⁸³Se (0,38 godz.).

Selen-75 rozpada się przez wychwyt elektronów, nie emituje więc promieniowania korpuskularnego a jedynie promieniowanie charakterystyczne arsenu i fotony gamma. Jego charakterystyka energetyczna wygląda następująco [2]:

Rys. 1-2. Widmo ⁷⁵Se wzbogaconego (po lewej) i jego schemat rozpadu (po prawej) [2]

Aktywność właściwa – rozmiary i aktywności źródeł ⁷⁵Se

Źródła Se-75 uzyskuje się drogą napromieniowania w reaktorze neutronami materiału tarczowego ⁷⁴Se. Proces naświetlania w reaktorze trwa dość długo (zwykle kilka miesięcy) gdyż przekrój czynny selenu na neutrony wynosi ok. 30 barnów (dla reakcji ¹⁶⁸Yb^-jt¹⁶⁹Yb przekrój czynny wynosi 5000 barnów).

Izotopu ⁷⁴Se jest w selenie naturalnym zaledwie 0,87%, co pozwalało uzyskiwać, w warunkach polskich w latach 75-77, aktywność właściwą źródeł ok. 67 ^GBq/_g (1,8 ^Ci/_g). Z selenu wzbogaconego można było uzyskać ok. 1,8 ^TBq/_g (54 ^Ci/_g) i źródła "przemysłowe" o aktywności 5,5 GBq (150 mCi) z kształtki ø1x1 mm i 44,5 GBq (1,2 Ci) z kształtki ø 2x2 mm. Rosjanie oferowali wtedy standardowe źródła ⁷⁵Se ø5x5mm o aktywności ok. 8 Ci (300 GBq).

Jeśli wziąć pod uwagę, że firma Isotopen Technik oferuje obecnie źródła ⁷⁵Se o aktywności:

• 2 – 4 Ci (75-150 GBq) z kształtki 1x1 mm,
• 18 – 33 Ci (670 – 1220 GBq) z kształtki 2x2 mm,
• 65 – 80 Ci ( 2,4 – 3 TBq) z kształtki 3x3 mm,

to znaczy o aktywności właściwej rzędu 800 Ci/g (29,6 ^TBq/_g), to jasne staje się, dlaczego 20 lat temu źródła selenu nie znalazły wielu entuzjastów. Informacje ze źródeł rosyjskich są jeszcze bardziej optymistyczne i podają następujące maksymalne aktywności źródeł ⁷⁵Se:

• 75 Ci (2,8 TBq) z kształtki 2,8 x 2,8 mm,
• 100 Ci (3,7 TBq) z kształtki 3x3 mm.

Wydajność źródeł ⁷⁵Se i nieostrość wewnętrzna

Stała jonizacyjna Se-75 wynosi 0,203 ^R∙m2/_Ci∙godz czyli jest ok. 2,5 razy niższa niż dla ¹⁹²Ir i dwa razy wyższa od ¹⁶⁹Yb. Nieostrość wewnętrzna dla ⁷⁵Se podana w publikacji [6] wynosi:

Okres połowicznego rozpadu i efektywność użytkowania

Okres połowicznego rozpadu ⁷⁵Se wynosi 120 dni. Jest więc 1,6 razy dłuższy od ¹⁹²Ir oraz 4 razy dłuższy niż ¹⁶⁹Yb. Przynosi to wymierne korzyści ekonomiczne gdyż zmniejsza ilość koniecznych wymian źródeł promieniowania w ciągu roku zarówno w stosunku do ¹⁹²Ir jak też, w znacznie silniejszym stopniu, w porównaniu z ¹⁶⁹Yb. Poza tym, gdy porównać czasy ekspozycji dla źródeł ¹⁹²Ir i ⁷⁵Se, to tylko w początkowym okresie użytkowania czasy badania irydem są krótsze Dość szybko wolniejszy rozpad promieniotwórczy selenu daje mu przewagę nad irydem i po pewnym czasie selen staje się coraz bardziej efektywny.

Wykrywalność

Ze względu na niższą energię promieniowani od ¹⁹²Ir, wykrywalność nieciągłości w stalowych wyrobach uzyskiwana źródłem ⁷⁵Se plasuje się między ¹⁶⁹Yb, ¹⁷⁰Tm oraz RX a ¹⁹²Ir.

Krzywe teoretycznej wykrywalności nieciągłości w stali obliczone dla źródeł ¹⁹²Ir, ⁷⁵Se, ¹⁶⁹Yb przedstawione są na poniżej. Obliczenia wykonano według wzoru Radwana [4]:

gdzie:
S – wykrywalność; wyrażony procentowo stosunek wielkości nieciągłości do grubości badanego przedmiotu
x – grubość badanego przedmiotu
ΔD – najmniejsza różnica zaczernień wykrywana gołym okiem (przyjmuje się 0,02)
γ – współczynnik kontrastowości błony, przyjęto γ = 4,0 dla D7 i D=2,0
μ_z – zastępczy liniowy współczynnik osłabienia promieniowania

Zastępczy liniowy współczynnik osłabienia promieniowania, określono z następującej zależności:

gdzie k=I₀/I dla różnych grubości absorbent wyznaczono z krzywych osłabienia promieniowania. Po podstawieniu i uproszczeniu:

---

Literatura

[1] A. Jędrzejewski, M. Dobrowolski, M. Kazubek – Możliwości stosowania w radiografii przmysłowej niskoenergetycznych źródeł promieniowania gamma, Raport IBJ, Świerk, INR/1669AX/R/B, 1976

[2] S. W. Rumiancew – Defektoskopia radiologiczna, WNT, 1972

[3] R. Grimm, T. Kaftal – Selen-75 – wyniki radiografii terenowej, Isotopen Technik – Dr Sauerwein GmbH

[4] M. Dobrowolski, A. Jędrzejewski – Radiographic testing of welds on small diameter piping using Yb-169, British Journal of NDT, Jan. 1975

[5] IAEA Basics Safety Standards, Wiedeń 1996

[6] U. Ewert, J. Stade – Comparative Analysis of Image Quality from X-Ray Radiography and Gamma Radiography Using Selenium 75 and Mdium 192, Materials Evaluation, Febr. 1999

[7] K. Besztak, G. Jezierski - Doświadczenia ze stosowania źródła Se-75 do badań radiograficznych w elektrowni, Elektrownia Opole S.A., Brzezie 1996

[8] R. Grimm, T. Kaftal – Gamma radiography utilising selenium-74, Jusight, Sept. 1996