Ferosulfátový dozimetr

Ferosulfátový dozimetr (Frikkeho dozimetr) je měřicí zařízení sloužící k měření vysokých dávek ionizujícího záření. Je založena na oxidaci železitého iontu produkty radiolýzy vody v kyselém vodném roztoku a následném měření koncentrace vzniklých železitých iontů, která je úměrná absorbované dávce v širokém rozmezí. Měření absorbované dávky poskytuje výsledky blízké absorbované dávce pro biologické tkáně; tkáňová ekvivalence je založena na skutečnosti, že jako pracovní médium je použit vodný roztok.

V jednom provedení se zařízení skládá z průhledné kyvety (přibližné rozměry: průměr 20 mm , výška 30 mm ), ve které je vzduchem nasycený vodný roztok síranu železnatého FeSO 4 7H 2 O (koncentrace 1 10 −3 mol / l ) s přídavkem kyseliny sírové H 2 SO 4 ( 0,4 mol/l , tj. o koncentraci 0,8 n ) a chloridu sodného NaCl ( 1 10 −3 mol/l ).

Jak to funguje

Působením ionizujícího záření dochází k ionizaci a excitaci molekul vody.
Radiolýza vody vede ke vzniku aktivních volných radikálů ·HO 2 a ·OH a také peroxidu vodíku .
Volné radikály interagují s FeSO 4 . V důsledku chemické oxidační reakce se ionty Fe 2+ přeměňují na ionty Fe 3+ .
Roztok mění svou barvu (mění se koncentrace iontů, které způsobují barvu roztoku).

K oxidaci iontů železa dochází hlavně v důsledku následujících tří reakcí:

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

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

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

Stanovení množství vzniklých Fe 3+ iontů umožňuje měřit absorbované dávky od 0,5 do 1000 Gy (s nižší přesností - v širším rozsahu od 0,1 do 10 4 Gy , kde není zaručena lineární odezva detektoru).

Měření a převod na absorbovanou dávku

Měření koncentrace Fe 3+ iontů po ozáření kyvety se provádí na spektrofotometru , obvykle při vlnové délce λ = 304 nm. Po určení optické hustoty D = ln( I / I 0 ) roztoku vzhledem k neozářenému dozimetru a při znalosti délky optické dráhy l můžeme vypočítat molární koncentraci iontů Fe 3+ v roztoku, rovnou na

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

kde μ (Fe 3+ ) \u003d 2095 l / (mol cm) je molární extinkční koeficient iontů Fe 3+ při vlnové délce 304 nm (viz zákon Bouguer - Lambert - Beer ).

Kromě toho lze koncentraci iontů Fe3 + měřit pomocí NMR spektroskopie .

Absorbovaná dávka v libovolném chemickém dozimetru, včetně Frickeho dozimetru, pro známé hodnoty hustoty roztoku ρ (kg/l) a molární koncentrace účinné látky M (mol/l) se vypočítá podle vzorce [1]

D hluboký (Gy) = 9,65 10 6 M /( G ρ) ,

kde koeficient G je tzv. radiačně-chemický výtěžek , tj. průměrný počet zreagovaných molekul (atomů, iontů) účinné látky na 100 eV energie ionizujícího záření absorbovaného roztokem. Pro výše uvedené složení dozimetru, ozářeného gama kvanty s energiemi nad 0,3 MeV , je radiačně-chemický výtěžek G 15,6. Pro beta záření s průměrnou energií 5,7 keV je G = 12,9 (za předpokladu, že radioaktivní látka je vpravena přímo do roztoku dozimetru, jinak je nutné počítat s absorpcí měkkého beta záření ve zdroji a v buněčných stěnách ). Pro protonový paprsek s energií 660 MeV G = 16,9 .

Měření toku tepelných neutronů

Frickeho dozimetr s určitou úpravou může být použit k měření hustoty tepelného neutronového toku . K tomuto účelu se do pracovního roztoku dozimetru přidává lithium (například ve formě síranu lithného ) nebo bor (například ve formě kyseliny borité H3BO3 ) . Záchyt tepelných neutronů jádrem lithium-6 vede k reakci 6 Li( n , α ) T (celkový záchytný průřez je 71 barn ). Alfa částice a triton vzniklé při reakci ( jádro tritia ) s celkovou kinetickou energií 4,66 MeV vyvolávají radiačně-chemický účinek na molekuly vody a v konečném důsledku na ionty železa. V případě boru vstupuje do reakce jádro boru-10: 10 V( n , α ) 7 Li (celkový průřez záchytu tepelných neutronů je 740 barnů). V důsledku reakce se vytvoří alfa částice a jádro lithium-7, které nesou kinetickou energii 2,33 MeV . Další měření a výpočty absorbované dávky se provádějí jako pro výše uvedené případy s tím rozdílem, že radiačně-chemický výtěžek G (Fe 3+ ) je brán rovný 5,4 ± 0,3 iontů / 100 eV pro lithium a 4,15 ± 0, 1 ion/100 eV pro bor. Po určení absorbovaného dávkového příkonu (poměr naměřené absorbované dávky k expozičnímu času) Pab , vyjádřený v Gy /s, lze pomocí vzorců určit hustotu tepelného neutronového toku f (cm −1 s −1 ).

f \ u003d 3,21 10 10 P absorbováno / M Li , f \ u003d 6,16 10 9 P absorbováno / M V ,

kde M Li a MB jsou molární koncentrace (mol/l) lithia a boru .

Historie

Ferosulfátová dozimetrie byla vyvinuta v roce 1927 Hugo Fricke a Stern Morse [2] [3] .

Metodu doporučuje používat Mezinárodní komise pro radiační jednotky a měření [4] .

Literatura

Schreiner LJ. Recenze gelových dozimetrů Fricke // Journal of Physics: Conference Series. - 2004. - Sv. 3. - S. 9-21.
Protokol pro stanovení absorbované dávky z vysokoenergetických fotonových a elektronových paprsků // Med. Phys. - 1983. - T. 10 (6) . - S. 741-771 .
Vlasov V.K. Dozimetrie // Chemická encyklopedie : v 5 svazcích / Ch. vyd. I. L. Knunyants . - M .: Sovětská encyklopedie , 1990. - T. 2: Duff - Medi. - S. 114-115. — 671 s. — 100 000 výtisků. — ISBN 5-85270-035-5 .

Poznámky

↑ Konstanta ve vzorci je číselně rovna 100 Faradayovým konstantám nebo součinu Avogadrova čísla a poměru joule k elektronvoltu 1,602 10 −19 a 100 eV (protože druhá hodnota je zahrnuta v definici záření -chemický výtěžek).
↑ Fricke H, Morse S. Chemické působení rentgenových paprsků na zředěné roztoky ferrosulfátu jako míra dávky // American Journal of Roentgenology, Radium Therapy, and Nuclear Medicine. - 1927. - Sv. 18. - S. 430-432.
↑ Fricke H, Hart EJ (1955) Radiation Dosimetry, New York, NY EUA: Academic Press, svazek 2, kapitola Chemická dozimetrie. Strany 167-239.
↑ ICRU č. 35 (1984) Dozimetrie záření: elektronové paprsky s energiemi mezi 1 a 50 MeV. Technická zpráva Mezinárodní komise pro radiační jednotky a měření (ICRU).