Русская Википедия:Ферросульфатный дозиметр

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

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

  1. Под действием ионизирующего излучения происходит ионизация и возбуждение молекул воды.
  2. Радиолиз воды приводит к возникновению активных свободных радикалов ·HO2 и ·OH, а также перекиси водорода.
  3. Свободные радикалы взаимодействуют с FeSO4. В результате химической реакции окисления ионы Fe2+ переходят в ионы Fe3+.
  4. Раствор меняет свой цвет (изменяется концентрация ионов, обуславливающих цвет раствора).

Окисление ионов железа происходит в основном в результате следующих трёх реакций:

<math>{\cdot}\mathrm{HO_2} \ {+} \ \mathrm{Fe^{2+}} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{Fe^{3+}} \ {+} \ \mathrm{HO_2^-}</math>
<math>\mathrm{H_2O_2} \ {+} \ \mathrm{Fe^{2+}} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{Fe^{3+}} \ {+} \ \mathrm{OH^-} \ {+} \ {\cdot}\mathrm{OH}</math>
<math>{\cdot}\mathrm{OH} \ {+} \ \mathrm{Fe^{2+}} \ \xrightarrow[{\qquad}]{{}} \ \mathrm{Fe^{3+}} \ {+} \ \mathrm{OH^-}</math>

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

Измерение концентрации ионов Fe3+ после облучения кюветы производится на спектрофотометре, обычно на длине волны Шаблон:Math нм. Определив оптическую плотность Шаблон:Math раствора относительно необлучённого дозиметра и зная длину оптического пути Шаблон:Math, можно вычислить молярную концентрацию ионов Fe3+ в растворе, равную

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

где Шаблон:Math(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 Шаблон:Math (кг/л) и молярной концентрации действующего вещества Шаблон:Math (моль/л) вычисляется по формуле[1]

Шаблон:Math,

где коэффициент Шаблон:Math — 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 Шаблон:Math составляет 15,6. Для бета-излучения со средней энергией 5,7 кэВ Шаблон:Math (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 Шаблон:Math.

Измерение потока тепловых нейтронов

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(Шаблон:Math)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(Шаблон:Math)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 Шаблон:Math(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) Шаблон:Math, выраженную в Гр/с, можно определить плотность потока тепловых нейтронов Шаблон:Math (см−1·с−1) по формулам

Шаблон:Math = 3,21·1010 Шаблон:Math /Шаблон:Math,
Шаблон:Math = 6,16·109 Шаблон:Math /Шаблон:Math,

где Шаблон:Math и Шаблон:Math — молярные концентрации (моль/л) лития и бора, соответственно.

История

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

Примечания

Шаблон:Примечания

См. также

  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. Шаблон:Статья
  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).