Химические методы дозиметрии

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра биофизики

ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДОЗИМЕТРИИ.

ФЕРРОСУЛЬФАТНЫЙ МЕТОД ДОЗИМЕТРИИ

(ДОЗИМЕТР ФРИККЕ)

Методическое пособие к лабораторному практикуму «Действие ионизирующей радиации на биологические объекты» для студентов специальности 1-31 04 01 «Физика»

МИНСК

2011

УДК 539.1.074:542.9(076.5) ББК 22.383В673я7

Х 46

А в т о р ы – с о с т а в и т е л и:

В. И. Крот, Е. Н. Голубева, Т. В. Музыка, О. Ю. Степанова

Рекомендовано ученым советом физического факультета

28 апреля 2011 г, протокол № 8

Р е ц е н з е н т доцент кафедры радиационной химии

и химико-фармацевтических технологий, кандидат химических наук В. С. Кособуцкий

Химические методы дозиметрии. Ферросульфатный метод

Х46 дозиметрии (дозиметр Фрикке): метод. пособие к лаб. практикуму / авт.-сост.: В. И. Крот, Е. Н. Голубева, Т. В. Музыка, О. Ю. Степанова. – Минск : БГУ, 2011. – 33 с.

Включенные в пособие материалы по химической дозиметрии ионизирующих излучений предоставляют студентам специальности 1-31 04 01 «Физика» углубить знания и умения в области дозиметрии

УДК 539.1.074:542.9(076.5) ББК 22.383В673я7

БГУ, 2011

ВВЕДЕНИЕ

Под химическими методами дозиметрии ионизирующих излучений обычно понимают методы дозиметрии, основанные на определении химических изменений, происходящих в системах при их облучении. Системы, используемые с этой целью, называют дозиметрическими. В принципе, любая система, для которой точно известен радиационнохимический выход и более или менее хорошо установлен механизм радиолиза, может быть использована для дозиметрии. В зависимости от условий проведения эксперимента такими системами могут быть жидкости, твердые тела или газы. Измерительный прибор с дозиметрической системой называют химическим дозиметром.

Любая дозиметрическая система должна удовлетворять определенным требованиям. Выход радиационно-химического превращения должен быть достаточно высоким и не зависеть в широких пределах от следующих факторов:

1.Вида излучения.

2.Других условий, которые могут изменяться во время облучения (концентрации реагентов, температуры, рН раствора, содержания растворенных газов и т.д.).

3.Дозиметрическая система должна быть стабильна как до облучения, так и после него.

4.Необходимо, чтобы для приготовления химического дозиметра можно было использовать реактивы обычной степени чистоты.

Дозиметрическую систему, отвечающую всем этим требованиям, можно назвать идеальной. Из числа описанных в литературе дозиметрических систем наиболее полно удовлетворяет обсуждаемым требованиям ферросульфатная система [1].

Глава 1

КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ДОЗИМЕТРОВ

Возможны два типа классификации химических дозиметров. Один из них основывается на учете вида и уровня радиационного воздействия, определяемого тем или иным дозиметром, а другой – на учете агрегатного состояния дозиметрической системы [2].

По первому типу классификации химические дозиметры можно разделить на три группы. К первой группе относятся химические дозиметры, с помощью которых можно определять в случае рентгеновского, γ- и электронного излучений дозы выше 103 рад. Эти дозиметры находят наибольшее применение в радиационной химии. Во вторую группу включены химические дозиметры, которые позволяют определять дозы этих же видов излучения ниже 103 рад. В радиационной химии системы с такой высокой чувствительностью почти не требуются. Они используются в качестве средств индивидуального дозиметрического контроля и в радиобиологии. В третью группу входят химические дозиметры, предназначенные для измерения величины энергии, передаваемой среде нейтронами. В особую группу следует отнести дозиметры, применяемые для определения доз импульсного излучения.

По второму типу классификации химические дозиметры могут быть разбиты на группы, включающие:

1.газообразные,

2.жидкие,

3.твердые дозиметрические системы.

К первой группе относятся, например, дозиметры на основе газообразной закиси азота и некоторых углеводородов, ко второй – водные растворы, гели, индивидуальные жидкости и смеси жидкостей и, наконец, к третьей – пластмассы, разнообразные стекла, щелочногалоидные кристаллы и др. К химическим методам дозиметрии можно отнести и фотографический метод. В нем о величине дозы судят по степени почернения фотопластинки или фотопленки.

Вид излучения и его энергия, в общем случае, оказывают влияние на выходы продуктов радиолиза жидких и твердых систем. Особенно это характерно для дозиметров на основе водных растворов, радиационные превращения в которых происходят за счет химически активных частиц (свободных радикалов, ионов, возбужденных молекул), возникающих в системе при действии излучения. Эти частицы образуются в небольших областях (треках или «шпорах») и поэтому имеют неравномерное распределение по объему облучаемой системы. Расстояние между такими

областями зависит от величины ЛПЭ (линейных потерь энергии), т.е. от вида излучения и его энергии. Чем выше значение ЛПЭ, тем ближе друг к другу расположены области ионизации и возбуждения, а значит, тем вероятнее протекают реакции химически активных частиц между собой

итем меньшая доля их расходуется в реакциях с растворенным веществом. Величина этого эффекта (его часто называют трековым эффектом) определяется механизмами реакций химически активных частиц с растворенным веществом. Для индивидуальных жидкостей трековый эффект, как правило, выражен гораздо менее резко, и здесь, в принципе, можно подобрать такие реакции, выходы которых практически не зависят от величины ЛПЭ.

Многие дозиметры на основе твердых тел характеризуются чувствительностью к температуре. Например, радиационные дефекты в стеклах

ищелочногалоидных кристаллах эффективно «отжигаются» при высоких температурах. В жидких дозиметрических системах, в которых при облучении не протекают цепные процессы, температурные эффекты выражены гораздо менее резко, поскольку выходы первичных химически активных частиц в них обычно мало зависят от температуры.

Следует иметь в виду общее правило: неорганические дозиметры чувствительны к органическим примесям и, наоборот, органические дозиметры чувствительны к неорганическим веществам, способным претерпевать окислительно-восстановительные превращения. Специаль-

ной очистке должны быть подвергнуты и контейнеры (или ячейки), в которые помещаются дозиметрические системы.

Калибровка дозиметрических систем

Для определения поглощенной дозы с помощью химического дозиметра необходимо знать величину радиационно-химического выхода (G) того превращения, которое претерпевает система при облучении. Радиа- ционно-химическим выходом называют отношение количества продуктов реакции, образованных ионизирующим излучением, в расчете на 100 эВ поглощенной энергии. Определение значения G обычно осуществляется измерением поглощенной дозы с помощью какого-либо прямого метода дозиметрии (калориметрического, ионизационного и др.) и нахождением количества продуктов химического превращения в этой системе при данной дозе.

Если для дозиметрической системы величина G установлена весьма точно и она сохраняет постоянное значение при изменении в широких пределах условий облучения, то такую систему можно использовать в качестве вторичного стандарта. Наиболее часто с этой целью применяется ферросульфатная система.

1. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Дозиметрические системы, являющиеся жидкостями или газами, облучаются в ячейках. Эти ячейки должны удовлетворять следующим основным требованиям.

1.Материал, из которого изготовлена ячейка, должен быть химически инертным относительно дозиметрической системы. Например, некоторые металлы нельзя использовать для изготовления ячеек в случае систем, содержащих, например, серную кислоту.

2.Стенки ячейки не должны оказывать каталитического эффекта на химические реакции, протекающие в системе при облучении. Например, нержавеющая сталь в определенных условиях катализирует радиацион- но-химическое разложение закиси азота.

3.В случае рентгеновского и γ-излучений толщина стенок ячейки должна быть достаточно большой по сравнению с длиной пробега электронов, генерируемых в материале стенки. В таблице 1 приведены значения максимального пробега электронов, генерируемых фотонами раз-

личных энергий, в некоторых материалах. Из этой таблицы видно, что, например, для γ-лучей 60Со толщина стенки стеклянной ячейки должна быть не менее 1,5 мм. Если это требование не выполняется, то могут быть получены завышенные результаты, поскольку часть электронов, возникших в материале стенок, попадет в дозиметрическую систему и вызовет дополнительное химическое превращение.

								Таблица 1
	Максимальные пробеги электронов, генерируемых фотонами
				различной энергии
Энергия		Максимальный пробег, мм			Энергия	Максимальный пробег, мм
фотонов,		Вода	Стекло1	Полиэти-	фотонов,	Вода	Стекло1	Полиэтилен2
МэВ				лен2	МэВ
0,1	0,14		0,07	0,14	4,0	20	10	200
0,5	1,0		0,5	1,0	8,0	40	20
1,0	3		1,5	3

1Плотность 2,7 г/см3.

2Плотность 0,92 г/см3.

4. Для жидких дозиметрических систем размеры ячейки должны быть большими по сравнению с длиной пробега в жидкости вторичных электронов, генерируемых фотонами в дозиметрической системе и стенках ячейки. В общем случае это требование исходит из условия соблюдения электронного равновесия между дозиметрической системой и окружаю-

щей ее средой, выражаемого уравнением Брэгга-Грея для энергий вторичных электронов:

f

en

/

en

/

1,

(1)

s

s

m

ст

m

ж

где

en

/

и

en

/

- отношения массовых коэффициентов по-

s

s

m

ст

m

ж

глощения энергии (μen/ρ) к массовой тормозной способности (mS) для электронов в жидкости (ж) и материале стенки (ст). Очевидно, для f>1 большая часть энергии будет передаваться электронами от стенок раствору, чем в противоположном направлении. Обратноеявлениеимеетместо при f<1. Г. Фрикке и Э. Харт [3] отмечают, что для ячеек из стекла и полиэтилена, наполненных водой, величина f равна, соответственно, 1,11 и 0,98 при воздействии γ-лучей 60Со.

Очевидно, условие электронного равновесия соблюдается в том случае, когда дозиметрическая система и материал стенки характеризуются «радиационным подобием», т.е. когда в них при облучении протекают одни и те же физические процессы. Важными характеристиками в этом отношении являются эффективный атомный номер и электронная плотность среды.

При работе с заряженными частицами следует учитывать, что они имеют сравнительно малые пробеги. Учетом этого факта и должен определяться выбор толщины стенок используемой ячейки. Возможность значительного поглощения энергии стенками ячейки необходимо иметь в виду и в случае фотонов малой энергии. В таблице 2 приведены данные о поглощении фотонов малой энергии нейтральным стеклом.

Таблица 2

Поглощение фотонов различной энергии (в %) в нейтральном стекле

Энергия фо-	Поглощение в слое толщиной			Энергия фо-	Поглощение в слое толщиной
тонов,				тонов, МэВ
МэВ
	0,25 мм	0,5 мм	1,0 мм		0,25 мм	0,5 мм	1,0 мм
0,012	46,0	68,8	90,3	0,030	4,5	8,9	16,0
0,014	29,7	50,8	75,8	0,040	2,4	5,1	9,7
0,016	16,8	31,0	52,3	0,059	1,0	2,2	4,0
0,020	14,2	26,5	46,2	0,070	<1,0	1,0	1,5

5.Как правило, ячейки перед проведением дозиметрии должны быть тщательно очищены.

6.Дозиметрические эксперименты рекомендуется проводить в тех же ячейках (или сосудах), что и при изучении радиолиза той или иной системы. При этом необходимо строго соблюдать одинаковую геометрию опытов, т.е. одинаковое расположение дозиметра и исследуемой системы относительно источника излучения.

2.РАСЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ ДОЗЫ, ПОГЛОЩЕННОЙ ИССЛЕДУЕМЫМ ОБЪЕКТОМ, НА ОСНОВЕ ПОКАЗАНИЙ ДОЗИМЕТРА

Величину дозы, поглощенной дозиметрической системой, вычисляют, исходя из количества химического превращения и значения G этого превращения. Если доза D выражается в эВ/мл, то общая формула для этого расчета такова:

D=n·100/G,

(2)

где n - число молекул вещества, образующегося или разлагающегося при облучении 1 мл системы. При переходе к молярной концентрации этого вещества (обозначим ее буквой с) формула (2) преобразуется к виду:

D=6,024·1022 ·c/G;	(эВ/мл)	(3)
или
D=6,024·1025 ·c/G;	(эВ/л).	(4)

Для нахождения дозы в эВ/г и рад используются следующие выражения:

D=6,024·1022·c/G·ρ;,

(эВ/г),

(5)

где ρ - плотность дозиметрической системы в г/см3, и

D	9,64 10	8	c ;	(рад.).	(6)
	G ρ

Наиболее часто дозиметрическая и исследуемая системы имеют различные характеристики поглощения энергии ионизирующего излучения (радиационное подобие отсутствует). В этом случае необходимо осуществить пересчет показаний дозиметра применительно к данному объекту. Рассмотрим, каким путем осуществляется такой пересчет в случае рентгеновского и γ-излучений.

В общем виде формула для описываемого пересчета имеет следующий вид:

		(	en		)	сист (			В	)	(7)
Dсист Dдозиметр												,
									сист
		en						(В			)
								дозиметр
(		)дозиметр

где Dсист и Dдозиметр - поглощенные дозы для исследуемой и дозиметрической систем соответственно (в одинаковых единицах - электронвольтах

на грамм или в радах); (μen/ρ)сист и (μen/ρ)дозиметр - массовые коэффициенты поглощения энергии для тех же систем; (Всист/Вдозиметр) - отношение факторов накопления для тех же систем.

Фактор накопления при определении поглощенной дозы данным химическим дозиметром есть отношение истинной поглощенной дозы в дозиметре к поглощенной дозе, которая была бы измерена в дозиметре, если бы отсутствовало рассеянное излучение.

Отношение ( Bсист / BH 2 O ) для точечного изотропного			Таблица 3
источника γ-излучения 60Со
Система	Расстояние от		Bсист / BH2O
	источника, см
	15,8		0,977
Углеводород (СН2)n	31,6		0,959
	63,2		0,949
	15,8
			1,000
0,1 М водный раствор щавелевой кислоты	31,6		1,000
	63,2		1,000
	15,8
Дозиметр Фрикке (10-3 М FeS04,			1,006
	31,6		1,011
0,4 М H2S04)	63,2		1,014
	15,8
			1,002
10-3 М FeS04, 10-2 М CuS04, 5·10-3 М H2S04 в Н2O	31,6		1,004
	63,2		1,005
	15,8
6·10-3 М FeS04, 6·10-2 М CuS04,			1,014
	31,6		1,024
5·10-3 М H2S04 в Н2О	63,2		1,031
	15,8
			1,028
10-2 М Ce(S04)2, 0,4 М H2S04 в Н2О	31,6		1,047
	63,2		1,060

Система

0,1 М Ce(S04)2, 0,4 М H2S04 в Н2О

0,4 М Ce(S04)2, 0,4 М H2S04 в Н2О

Воздух (75,56 % N2; 23,15 % О2; 1,29 % Аr; ~0,03% СО2;

~ 0,002% Ne, He, H2, N2O, Xe, O3, Rn)

LiF

Кварц SiO2

Поливинилхлорид (C2HgCl)n

Люцит (C5H8O)n

Расстояние от	Bсист / BH2O
источника, см
15,8
	1,217
31,6	1,365
63,2	1,463
15,8
	1,720
31,6	2,216
63,2	2,545
15,8
	1,006
31,6	1,013
63,2	1,017
15,8
	1,019
31,6	1,037
63,2	1,051
15,8
	1,150
31,6	1,263
63,2	1,333
15,8
	1,347
31,6	1,597
63,2	1,756
15,8
	0,987
31,6	0,977
63,2	0,971

Рассмотрение данных, приведенных в таблице 3, показывает, что для

γ-лучей 60Со отношение Всист/Вдозиметр равно ~ 1 в тех случаях, когда используются небольшие объемы, а исследуемая система состоит из эле-

ментов с низким атомным номером и дозиметром является разбавленный водный раствор. В этих условиях ослабление потока γ-лучей 60Со мало и практически одинаково для обеих систем.

В радиационно-химической практике поглощенные дозы часто относят не к единице массы, а к единице объема. В этом случае при Всист/Вдозиметр = 1 формула (7) переходит в следующее выражение:

		(	μen		)		( ρсист )
			ρ		сист					(8)
Dсист Dдозиметр		μen				( ρдозиметр )			,
(		ρ		)дозиметр