Przystępując do porównania wpływu promieniowania niskoenergetycznego jakim jest UV (3.3-120 eV), promieniowania X o wyższej energii (100 eV - 100 keV) oraz najbardziej energetycznego z tych trzech promieniowania gamma (powyżej 100 keV) (patrz rozdział 1.1.), należy oczywiście wziąć pod uwagę przenikalność każdego z nich. Promieniowanie gamma charakteryzuje się największą przenikalnością, przechodząc przez 30 cm materiału (Grün 1989, Hennig & Grün 1983, Ikeya 1993). W jego przypadku można mieć więc pewność, że próbki kalcytu badane w tej pracy były napromieniowane jednorodnie. Kwestia przenikliwości promieniowania X i UV wymaga jednak osobnego rozważenia.
W rozdziale 1.2. zdefiniowano wielkość nazywaną głębokością wnikania 𝛿𝑝, określającą drogę w ośrodku, na której wartość natężenia promieniowania maleje e-krotnie. Zależy ona od długości fali promieniowania, w związku z tym jest różna nie tylko dla promieniowania X i UV, ale również dla różnych długości fali wchodzących w skład widma emisyjnego użytej lampy UV (Szwedowski 1996). Dla promieniowania X oraz wysokoenergetycznego UV
20 17
18 19
8
1 7
Typ 1 Typ 2
Typ 3, 4, 5, 6B
Typ 7
pomiar
obliczenia Typ 6A
Powierzchnia właściwa [m2/g]
ROZDZIAŁ VI DYSKUSJA WYNIKÓW
115 głębokość wnikania można wyznaczyć z zależności 1.2.11 (𝛿𝑝= 𝜆
4𝜋𝛽), znając współczynnik β dla danego materiału. Należy pamiętać, że współczynnik ten również zależy od energii wiązki, a więc tym samym długości fali padającego promieniowania. Dane dotyczące współczynnika β dla kalcytu w zakresie energii odpowiadającemu promieniowaniu X uzyskano ze strony internetowej The Center for X-Ray Optics, Lawrence Berkeley National Laboratory (http://henke.lbl.gov), przyjmując gęstość kalcytu jako 2.71 g/cm3. Uzyskany w ten sposób wykres zależności współczynnika ekstynkcji od długości fali w zakresie 30 eV – 30 keV (41 – 0.041 nm) przedstawiono na Rys. 7.2.1.a. Z równania 1.2.11 wyznaczono zależność głębokości wnikania od długości fali (Rys. 7.2.1.b) Dla promieniowania X o długości fali 0.154 nm użytego w tej pracy uzyskano głębokość wnikania równą 50 μm.
Głębokość holdera w którym umieszczono próbki podczas naświetlania promieniowaniem rentgenowskim wynosiła 0.5 mm, z zależności 1.2.1. obliczono więc intensywność promieniowania na tej głębokości, uzyskując wartość 0.2% początkowej wartości. Zmieniana kąta padania wiązki podczas naświetlania dodatkowo zwiększa niejednorodność absorpcji promieniowania w próbce. Należy pamiętać, że wyznaczona wartość głębokości wnikania odnosi się raczej do kryształu, ponieważ w przypadku próbki polikrystalicznej mogą występować dodatkowe efekty związane z rozpraszaniem. Z tych obserwacji wynika, że duża część materiału mogła zostać napromieniowana w bardzo niewielkim stopniu lub nawet wcale. Konsekwencje tego faktu dla wyznaczenia dawki równoważnej omówiono dokładniej w rozdziale 7.3.3. Ponieważ pomiary własności mechanicznych były wykonywane do głębokości 200 nm wewnątrz monokryształu kalcytu, znacznie mniejszej od wyznaczonej głębokości wnikania promieniowania X, można więc przyjąć, że materiał poddany badaniom był w tym przypadku jednorodnie napromieniowany.
Rys. 7.2.1. Zależność współczynnika β (a) i głębokości wnikania δp (b) od długości fali
Długość fali [nm] Długość fali [nm]
Współczynnik β
a b
ROZDZIAŁ VII DYSKUSJA WYNIKÓW
116
Głębokość wnikania promieniowania UV i światła widzialnego okazała się jednak trudniejsza do oszacowania. Autorce nie udało się niestety dotrzeć do żadnych danych na temat współczynnika ekstynkcji kalcytu w zakresie długości fali 238-577 nm, odpowiadającym widmu lampy UV użytej do naświetlania próbek. Alternatywnym sposobem wyznaczenia δp jest wykorzystanie pomiarów transmitancji T próbki o znanej grubości, korzystając z równania 1.2.9. Przykładowe pomiary transmitancji można znaleźć na stronach internetowych producentów kalcytu optycznego. Korzystając z danych dostępnych na stronie firmy Crystran (www.crystran.co.uk/optical-materials/calcite-caco3) dotyczących pomiarów dla kryształu o grubości 4 mm otrzymano wartość głębokość wnikania od ok. 4 cm dla długości fali 238 nm (dolna granica widma lampy) do ok. 9 cm dla długości fali 577 nm (górna granica widma lampy). Należy pamiętać, że wyniki te dotyczą jedynie monokryształu, a nie proszku i że uzyskane są w oparciu o pomiary kryształów kalcytu o bardzo wysokiej jakości, charakteryzujących się jak najwyższą transmitancją i jak najmniejszym rozpraszaniem. Głębokość wnikania dla naturalnego monokryształu kalcytu użytego w niniejszej pracy jest więc z pewnością znacznie mniejsza.
Ze względu na brak możliwości obliczenia głębokości wnikania promieniowania UV w przypadku sproszkowanego kalcytu korzystając z powyższych sposobów, wielkość tą oszacowano bazując na informacjach pochodzących z badań szkliwa zębów oraz naturalnych osadów węglanowych. Wartości głębokości wnikania UV dla szkliwa zębów, będącego materiałem pod wieloma względami zbliżonym do kalcytu, zawierają się w przedziale 60-130 μm w zależności od długości fali padającego promieniowania oraz od użytej metody (Ivannikov et al. 1997, Sholom et al. 1998, Fattibene & Callens 2010, Sholom et al. 2010), natomiast dla światła słonecznego głębokość tę oszacowano jako 280 μm (Ivannikov et al.
1997). Garcia-Pichel i Bebout (1996) mierząc skalarną irradiację na różnych głębokościach naturalnego osadu węglanowego oświetlanego promieniowaniem UVB o długości fali 310 nm oraz światłem widzialnym w zakresie 400-700 nm wyznaczyli głębokość, na której irradiancja spada do 1% oryginalnej wartości, uzyskując wynik 0.64 mm dla UVB (310 nm) oraz 2.41 mm dla światła widzialnego. Z danych zamieszczonych w publikacji można oszacować głębokość wnikania (wg definicji odpowiadającą spadkowi intensywności do ok.
37%), otrzymując ok. 0.35 mm dla wiązki 310 nm. Na uwagę zasługuje fakt, że irradiacja zmierzona na powierzchni osadu wynosiła aż 157% wartości dla wiązki padającej, co autorzy tłumaczą tzw. efektem pułapkowania światła (light-trapping effect), który wynika z odbiciowego rozpraszania światła przez pojedyncze ziarna węglanowego osadu, charakteryzujące się złożona mikrostrukturą. Promieniowanie rozproszone na drodze wiązki
ROZDZIAŁ VI DYSKUSJA WYNIKÓW
117 nie jest do razu tracone przez system, ale wchodzi w skład rozproszonych strumieni promieniowania docierających do leżących w pobliżu punktów, co sprawia, że uśredniona skalarna irradiancja osiąga maksimum przy powierzchni. Efekt ten, obserwowany również w innych badanych przez autorów osadach, może mieć więc również miejsce w przypadku sproszkowanych próbek kalcytu badanych w tej pracy.
Ponieważ ani szkliwo zębów, czyli hydroksyapatyt, ani naturalne osady węglanowe, będące mieszanką różnych węglanów z dodatkiem substancji organicznych, nie są tożsame z wysokiej czystości sproszkowanym kalcytem użytym w tych badaniach, oszacowanie głębokości wnikania promieniowania UV na tej podstawie jest obarczone dużym błędem. Na potrzeby tej pracy można jednak założyć, że mieści się ona w zakresie 0.1-0.4 mm.
Przyjmując grubość warstewki proszku podczas naświetlania pod lampą UV za 0.5 mm widać, że promieniowanie powinno przeniknąć przez cały materiał, jednak jego absorpcja była niejednorodna, co ma znaczenie przy wyznaczaniu dawki równoważnej (patrz rozdział 7.3.3.). Większość pochłoniętej dawki promieniowania UV była skupiona przy powierzchni i w środkowej części warstwy proszku (w osi wiązki padającej). W przypadku pomiarów mechanicznych, tak samo jak dla promieniowania X, można przyjąć, że badana część monokryształu (do głębokości 200 nm) została jednorodnie napromieniowana.