Ферросульфатный дозиметр — Википедия
Ферросульфа́тный дозиметр (дози́метр Фри́кке) — измерительный прибор, применяемый для измерения больших доз ионизирующего излучения. Основан на окислении иона двухвалентного железа продуктами радиолиза воды в кислом водном растворе и последующем измерении концентрации образовавшихся ионов трёхвалентного железа, которая в широком диапазоне пропорциональна поглощённой дозе. Измерения поглощённой дозы дают результаты, близкие к поглощённой дозе для биологических тканей; тканеэквивалентность основана на том, что в качестве рабочей среды применяется водный раствор.
В одной из реализаций прибор состоит из прозрачной кюветы (приблизительные размеры: диаметр 20 мм, высота 30 мм), в которую запаян насыщенный воздухом водный раствор сульфата железа(II) FeSO4·7H2O (концентрация 1·10−3 моль/л) с добавлением серной кислоты Н2SO4 (0,4 моль/л, то есть с концентрацией 0,8 н) и хлорида натрия NaCl (1·10−3 моль/л).
Принцип действия
[править | править код]- Под действием ионизирующего излучения происходит ионизация и возбуждение молекул воды.
- Радиолиз воды приводит к возникновению активных свободных радикалов ·HO2 и ·OH, а также перекиси водорода.
- Свободные радикалы взаимодействуют с FeSO4. В результате химической реакции окисления ионы Fe2+ переходят в ионы Fe3+.
- Раствор меняет свой цвет (изменяется концентрация ионов, обуславливающих цвет раствора).
Окисление ионов железа происходит в основном в результате следующих трёх реакций:
Определение количества образовавшихся ионов Fe3+ позволяет измерять поглощённые дозы от 0,5 до 1000 Гр (с меньшей точностью — в более широком диапазоне от 0,1 до 104 Гр, где линейный отклик детектора не гарантирован).
Измерение и пересчёт к поглощённой дозе
[править | править код]Измерение концентрации ионов Fe3+ после облучения кюветы производится на спектрофотометре, обычно на длине волны λ = 304 нм. Определив оптическую плотность D = ln(I/I0) раствора относительно необлучённого дозиметра и зная длину оптического пути l, можно вычислить молярную концентрацию ионов Fe3+ в растворе, равную
где μ(Fe3+) = 2095 л/(моль·см) — молярный коэффициент экстинкции ионов Fe3+ на длине волны 304 нм (см. Закон Бугера — Ламберта — Бера).
Кроме того, концентрация ионов Fe3+ может измеряться с помощью ЯМР-спектроскопии.
Поглощённая доза в любом химическом дозиметре, в том числе и в дозиметре Фрикке, для известных значений плотности раствора ρ (кг/л) и молярной концентрации действующего вещества M (моль/л) вычисляется по формуле[1]
- Dпогл (Гр) = 9,65·106 M/(Gρ),
где коэффициент G — так называемый радиационно-химический выход, то есть среднее количество прореагировавших молекул (атомов, ионов) действующего вещества на 100 эВ поглощённой раствором энергии ионизирующего излучения. Для указанного выше состава дозиметра, облучаемого гамма-квантами с энергией выше 0,3 МэВ, радиационно-химический выход G составляет 15,6. Для бета-излучения со средней энергией 5,7 кэВ G = 12,9 (при условии, что радиоактивное вещество непосредственно вводится в раствор дозиметра, в противном случае необходимо учитывать поглощение мягкого бета-излучения в источнике и в стенках кюветы). Для пучка протонов с энергией 660 МэВ G = 16,9.
Измерение потока тепловых нейтронов
[править | править код]Дозиметр Фрикке при некоторой модификации может применяться для измерения плотности потока тепловых нейтронов. С этой целью в рабочий раствор дозиметра добавляют литий (например, в виде сульфата лития) или бор (например, в виде борной кислоты H3BO3). Захват тепловых нейтронов ядром лития-6 приводит к реакции 6Li(n, α)T (полное сечение захвата составляет 71 барн). Образовавшиеся в реакции альфа-частица и тритон (ядро трития) с полной кинетической энергией 4,66 МэВ производят радиационно-химическое воздействие на молекулы воды и, в конечном счёте, на ионы железа. В случае бора в реакцию вступает ядро бор-10: 10В(n, α)7Li (полное сечение захвата теплового нейтрона равно 740 барн). В результате реакции образуются альфа-частица и ядро лития-7, которые несут кинетическую энергию 2,33 МэВ. Далее измерения и расчёты поглощённой дозы проводятся как и для вышеприведённых случаев, с тем отличием, что радиационно-химический выход G(Fe3+) принимается равными 5,4 ± 0,3 иона/100 эВ для лития и 4,15 ± 0,1 иона/100 эВ для бора. Определив мощность поглощённой дозы (отношение измеренной поглощённой дозы к времени облучения) Pпогл, выраженную в Гр/с, можно определить плотность потока тепловых нейтронов f (см−1·с−1) по формулам
- f = 3,21·1010 Pпогл /MLi,
- f = 6,16·109 Pпогл /MВ,
где MLi и MB — молярные концентрации (моль/л) лития и бора, соответственно.
История
[править | править код]Метод ферросульфатной дозиметрии был разработан в 1927 году Хьюго Фрикке и Стерном Морзе[2][3].
Метод рекомендован к применению Международной комиссией радиационных единиц и измерений[4].
Литература
[править | править код]- Schreiner LJ. Review of Fricke gel dosimeters // Journal of Physics: Conference Series. — 2004. — Vol. 3. — P. 9—21.
- A protocol for the determination of absorbed dose from high-energy photon and electron beams // Med. Phys. — 1983. — Т. 10(6). — С. 741-771.
- Власов В.К. Дозиметрия // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Даффа — Меди. — С. 114—115. — 671 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-035-5.
Примечания
[править | править код]- ↑ Константа в формуле численно равна 100 постоянным Фарадея, или произведению числа Авогадро на отношение джоуля к электронвольту 1,602·10−19 и на 100 эВ (так как последняя величина входит в определение радиационно-химического выхода).
- ↑ Fricke H, Morse S. The chemical action of roentgen rays on dilute ferrosulphate solutions as a measure of dose // American Journal of Roentgenology, Radium Therapy, and Nuclear Medicine. — 1927. — Vol. 18. — P. 430–432.
- ↑ Fricke H, Hart EJ (1955) Radiation Dosimetry, New York, NY EUA: Academic Press, volume 2, chapter Chemical Dosimetry. Pages 167—239.
- ↑ ICRU No 35 (1984) Radiation dosimetry: electron beams with energies between 1 and 50 MeV. Technical report, International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU).