Stal o niskim promieniowaniu tła (ang. low-background steel; w kontekście historycznych zastosowań także stal przedwojenna lub stal przedatomowa) – stal o bardzo małej własnej promieniotwórczości lub bardzo małej zawartości radionuklidów mogących zaburzać czułe pomiary promieniowania jonizującego. W zastosowaniach dla pomiarów in vivo określenie low background steel odnoszono m.in. do stali sprzed II wojny światowej, ponieważ była ona wytwarzana przed rozpoczęciem atmosferycznych prób broni jądrowej w latach 40. XX wieku.

Materiał taki stosowano w urządzeniach, w których nawet śladowa aktywność promieniotwórcza elementów konstrukcyjnych lub osłonowych mogła pogarszać wynik pomiaru. Dotyczyło to m.in. osłon urządzeń pomiarowych, w tym komór do pomiarów radioaktywności całego ciała, oraz detektorów używanych w eksperymentach z zakresu fizyki cząstek. Współcześnie określenie to może odnosić się również do specjalnie wytwarzanych i badanych stali nierdzewnych o niskiej aktywności, przeznaczonych do eksperymentów wymagających bardzo małego promieniowania tła.

mały|Komora do pomiarów radioaktywności całego ciała w Rocky Flats Plant, wykonana ze stali sprzed II wojny światowej

Charakterystyka i źródła zanieczyszczeń Stal używana jako osłona albo element konstrukcyjny czułego układu pomiarowego powinna wnosić możliwie mały wkład do liczby zliczeń cząstek promieniowania. O przydatności materiału nie rozstrzyga wyłącznie jego wiek, lecz rzeczywista aktywność promieniotwórcza i skład radionuklidowy konkretnej partii materiału.

Żelazo i stal nie są zwykle istotnym źródłem naturalnej promieniotwórczości, ale mogą zawierać promieniotwórcze zanieczyszczenia. Jednym z najważniejszych radionuklidów w skażonej stali jest kobalt-60. Ze względu na podobieństwo właściwości chemicznych kobaltu do żelaza pozostaje w stopie podczas jego przetopu, zamiast przechodzić do żużlu, natomiast częściej trafia do pyłów, a do żużlu.

Izotop kobalt-60 nie występuje w naturze, powstaje wyłącznie w wyniku aktywacji neutronowej trwałego kobaltu-59. Źródła kobaltu-60 w stali dzieli się na: zanieczyszczenie produkcyjne, skażony złom, czynniki środowiskowe związane z próbami jądrowymi lub awariami obiektów jądrowych oraz aktywację neutronową materiału. W hutnictwie stosowano źródła promieniowania kobaltu-60 do monitorowania zużycia wyłożeń pieców; po zużyciu wyłożenia granulki ze źródła promieniotwórczego mogły trafiać do stopionego metalu. Przetop złomu zawierającego zgubione lub porzucone źródła promieniotwórcze, np. źródła medyczne albo przemysłowe. Utrata kontroli nad źródłami promieniotwórczymi w przeszłości prowadziła do przypadkowego wprowadzenia ich do złomu, a niekiedy do przetopienia wraz z metalem, co powodowało skażenie całych partii materiału. W materiałach IAEA wymieniano m.in. w Ciudad Juárez, w którym kobalt-60 z urządzenia medycznego został przetopiony i wprowadzony do wyrobów metalowych, takich jak pręty zbrojeniowe i elementy stołów. Próby jądrowe w powietrzu i na powierzchni Ziemi wywoływały aktywację neutronową kobaltu zawartego w elementach konstrukcyjnych bomby i rozpylały go w powietrzu. Ilość zawartych w powietrzu izotopów promieniotwórczych rósł aż do lat 60. XX w. kiedy to zaniechano tych prób.

Znaczenie upływu czasu Znaczenie stali przedatomowej jako materiału o niskiej aktywności promieniotwórczej zmniejsza się z czasem, ponieważ radionuklidy ulegają rozpadowi, ich ilość maleje, spada radioaktywność stali. Tempo tego procesu opisuje okres półtrwania. W przypadku kobaltu-60 wynosi on około 5,27 roku. Dla cezu-137 około 30 lat, a dla około 28,8 roku.

Z tego powodu składnik tła związany z kobaltem-60, jeżeli pochodził z dawnych źródeł środowiskowych, zanika szybciej niż zanieczyszczenia związane z cezem-137 i strontem-90. Ilość kobaltu-60 w atmosferze malała po zakończeniu atmosferycznych prób jądrowych, w XXI w. ten typ zanieczyszczenia nie jest już uznawany za znaczące źródło kobaltu-60 w stali.

Upływ czasu nie usuwa wszystkich problemów związanych z promieniotwórczością materiałów. Współczesne eksperymenty o bardzo niskim tle wymagają kontroli nie tylko kobaltu-60, ale również zawartości radionuklidów z szeregów uranu i toru oraz . Dlatego zamiast wyłącznie poszukiwać stali przedwojennej, prowadzi się także kontrolowaną produkcję i selekcję współczesnych stali o niskiej aktywności promieniotwórczej.

Pozyskiwanie Stal historyczna Historycznym źródłem stali o niskim promieniowaniu tła były elementy wykonane przed rozpowszechnieniem prób jądrowych i przemysłowego użycia źródeł promieniotwórczych. Wymieniano m.in. dawne płyty pancerne, stal z okrętów wojennych, elementy kolei oraz inne stare konstrukcje metalowe. W publikacjach popularnonaukowych jako przykład takiego źródła często przywoływano okręty zatopione w Scapa Flow po I wojnie światowej.

Współczesna produkcja i selekcja Współcześnie pozyskiwanie stali o niskim promieniowaniu tła nie musi polegać na wykorzystywaniu materiału z dawnych konstrukcji. Jednym ze sposobów jest wytop z dobranych surowców pierwotnych i dodatków stopowych przy ograniczeniu udziału złomu, ponieważ znaczna część ryzyka zanieczyszczenia kobaltem-60 wiąże się z recyklingiem skażonego metalu. Procesy oparte głównie na surówce i małym dodatku złomu są pod tym względem korzystniejsze od wytopu w piecach łukowych, w których wsadem jest zwykle przede wszystkim złom.

Produkcja z rud żelaza i świeżego żelaza nie oznacza jednak automatycznego braku aktywności promieniotwórczej. Rudy żelaza mogą zawierać naturalnie występujące materiały promieniotwórcze, a stal może zostać zanieczyszczona także przez dodatki stopowe, materiały ogniotrwałe, tygle, topniki albo wyposażenie używane podczas wytopu. Z tego powodu o przydatności materiału decyduje nie tylko pochodzenie wsadu, ale pomiar radiometryczny konkretnej partii wytworzonej stali.

W praktyce współczesne pozyskiwanie takiego materiału polega na ograniczania ryzykownych źródeł materiału, doborze surowców, kontroli procesu wytopu oraz laboratoryjnym badaniu gotowej stali.

Spory wokół wraków Pozyskiwanie materiałów z wraków i obiektów historycznych budziło spory etyczne, zwłaszcza gdy wydobycie metalu mogło naruszać stanowiska archeologiczne, zabytki podwodne albo miejsca spoczynku ofiar wojny. W doniesieniach medialnych łączono niekiedy grabież wraków wojennych z popytem na stal o niskim promieniowaniu tła. Część badaczy i komentatorów wskazywała jednak, że w konkretnych przypadkach bardziej prawdopodobnym motywem mogło być zwykłe złomowanie zarobkowe, a nie pozyskiwanie materiału do czułych zastosowań pomiarowych.

W analizie z 2025 roku dotyczącej hipotezy, że nielegalne złomowanie wraków wojennych jest napędzane popytem na stal przedatomową, wskazano brak pierwotnych dowodów na szeroki współczesny popyt na taki materiał. Autorzy zwrócili uwagę, że część współczesnych zastosowań stali o niskim tle korzysta z materiałów innych niż stal przedatomowa, w tym z selekcjonowanych albo współcześnie wytwarzanych stali o niskim promieniowaniu tła.

Zastosowania Stal o niskim promieniowaniu tła stosuje się tam, gdzie sama osłona albo konstrukcja urządzenia nie powinna być istotnym źródłem promieniowania. Przykładem takiego zastosowania była komora do pomiarów radioaktywności całego ciała w w stanie Kolorado; którą skonstruowano ze stali sprzed II wojny światowej, aby ograniczać wpływ zewnętrznych źródeł promieniowania na wynik pomiaru.

Innym przykładem była osłonięta komora w In Vivo Radiobioassay and Research Facility w Richland w stanie Waszyngton, wykonana ze stali pochodzącej z kadłuba pancernika USS "Indiana".

mały|Osłona i kriostat detektora XENON100, aparatury wykorzystywanej w poszukiwaniu ciemnej materii mały|Tor stosowany w spawaniu łukowym elektrodą wolframową w osłonie gazu obojętnego jest jednym z potencjalnych źródeł skażenia radioaktywnego stali W badaniach nad fizyką i astrofizyką cząstek niski poziom promieniowania materiałów ma znaczenie m.in. w eksperymentach poszukujących ciemnej materii, oddziaływań neutrin i innych rzadkich procesów. Na przykład, w eksperymencie PandaX-II zastosowano specjalnie wytworzoną stal nierdzewną i drut spawalniczy o niskim tle promieniowania (w badanych próbkach stężenie antropogenicznego kobaltu-60 było rzędu 1 mBq/kg lub mniejsze). Podobne badania prowadzono przygotowując infrastrukturę do eksperymentu neutrinowego Jinping – analizowano radioaktywność surowców, próbek z kolejnych etapów wytopu oraz próbek komercyjnych metodami spektrometrii mas i pomiarami z użyciem detektorów germanowych.

Przypisy

Kategoria:Stal Kategoria:Radioaktywność