Ферросульфатный дозиметр

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 действияПравить

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:

\text{[math]}

{\cdot }\mathrm {HO_{2}} \ {+}\ \mathrm {Fe^{2+}} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {Fe^{3+}} \ {+}\ \mathrm {HO_{2}^{-}}

\text{[math]}

\mathrm {H_{2}O_{2}} \ {+}\ \mathrm {Fe^{2+}} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {Fe^{3+}} \ {+}\ \mathrm {OH^{-}} \ {+}\ {\cdot }\mathrm {OH}

\text{[math]}

{\cdot }\mathrm {OH} \ {+}\ \mathrm {Fe^{2+}} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {Fe^{3+}} \ {+}\ \mathrm {OH^{-}}

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 дозеПравить

Измерение концентрации ионов Fe³⁺ после облучения кюветы производится на спектрофотометре, обычно на длине волны $\text{[math]}$ λ = 304 нм. Определив оптическую плотность $\text{[math]}$ D = ln(I/I₀) раствора относительно необлучённого дозиметра и зная длину оптического пути $\text{[math]}$ l, можно вычислить молярную концентрацию ионов Fe³⁺ в растворе, равную

\text{[math]}

M={\frac {D}{l\mu (\mathrm {Fe} ^{3+})}},

где $\text{[math]}$ 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 $\text{[math]}$ ρ (кг/л) и молярной концентрации действующего вещества $\text{[math]}$ M (моль/л) вычисляется по формуле^[1]

$\text{[math]}$ D_погл (Гр) = 9,65·10⁶ M/(Gρ),

где коэффициент $\text{[math]}$ 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 $\text{[math]}$ G составляет 15,6. Для бета-излучения со средней энергией 5,7 кэВ $\text{[math]}$ 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 $\text{[math]}$ G = 16,9.

Измерение потока тепловых нейтроновПравить

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( $\text{[math]}$ 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( $\text{[math]}$ 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 $\text{[math]}$ 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) $\text{[math]}$ P_погл, выраженную в Гр/с, можно определить плотность потока тепловых нейтронов $\text{[math]}$ f (см⁻¹·с⁻¹) по формулам

$\text{[math]}$ f = 3,21·10¹⁰ $\text{[math]}$ P_погл / $\text{[math]}$ M_Li,

$\text{[math]}$ f = 6,16·10⁹ $\text{[math]}$ P_погл / $\text{[math]}$ M_В,

где $\text{[math]}$ M_Li и $\text{[math]}$ M_B — молярные концентрации (моль/л) лития и бора, соответственно.

ИсторияПравить

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].

ЛитератураПравить

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.

ПримечанияПравить

↑ 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).

См. такжеПравить

[1] 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).

[2] 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.

[3] Fricke H, Hart EJ (1955) Radiation Dosimetry, New York, NY EUA: Academic Press, volume 2, chapter Chemical Dosimetry. Pages 167—239.

[4] 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).

[1]

[2]

[3]

[4]