Ferrosulfaattiannosmittari
Ferrosulfaattiannosmittari (Frikke dosimeter) on mittalaite, jota käytetään mittaamaan suuria annoksia ionisoivaa säteilyä. Se perustuu rauta-ionin hapettumiseen veden radiolyysituotteiden vaikutuksesta happamassa vesiliuoksessa ja sen jälkeen muodostuneiden ferri-ionien pitoisuuden mittaamiseen, joka on verrannollinen absorboituneeseen annokseen laajalla alueella. Absorboituneen annoksen mittaukset antavat tuloksia, jotka ovat lähellä absorboitunutta annosta biologisille kudoksille; kudosekvivalenssi perustuu siihen, että työväliaineena käytetään vesiliuosta.
Eräässä toteutuksessa laite koostuu läpinäkyvästä kyvetistä (likimääräiset mitat: halkaisija 20 mm , korkeus 30 mm ), jossa ilmakyllästetty rauta(II)sulfaatin FeSO 4 7H 2 O (pitoisuus 1 10 −3 mol ) vesiliuos. / l ) lisäämällä rikkihappoa H 2 SO 4 ( 0,4 mol/l , eli pitoisuudella 0,8 n ) ja natriumkloridia NaCl ( 1 10 −3 mol/l ).
Kuinka se toimii
- Ionisoivan säteilyn vaikutuksesta vesimolekyylit ionisoituvat ja virittyvät.
- Veden radiolyysi johtaa aktiivisten vapaiden radikaalien ·HO 2 ja ·OH sekä vetyperoksidin muodostumiseen .
- Vapaat radikaalit ovat vuorovaikutuksessa FeSO 4 :n kanssa . Kemiallisen hapetusreaktion seurauksena Fe 2+ -ionit muuttuvat Fe 3+ -ioneiksi .
- Liuos muuttaa väriään (liuoksen värin aiheuttavien ionien pitoisuus muuttuu).
Rautaionien hapettuminen tapahtuu pääasiassa seuraavien kolmen reaktion seurauksena:
![{\displaystyle {\cdot }\mathrm {HO_{2}} \ {+}\ \mathrm {Fe^{2+}}\ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {Fe^{ 3+}} \ {+}\ \mathrm {HO_{2}^{-}} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/055e3bff9dbe2ba52caa456fd787ab1e6dc67eac)
![{\displaystyle \mathrm {H_{2}O_{2}} \ {+}\ \mathrm {Fe^{2+}} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {Fe^{ 3+)) \ {+}\ \mathrm {OH^{-}} \ {+}\ {\cdot }\mathrm {OH} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/369adc3d3255c61a2bced875ce7f59f8ad322c0a)
![{\displaystyle {\cdot }\mathrm {OH} \ {+}\ \mathrm {Fe^{2+}}\ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {Fe^{3+} } \ {+}\ \mathrm {OH^{-}} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9775c49531d39100d85ce916f8b9d11be5b1ee6f)
Muodostuneiden Fe 3+ -ionien määrän määrittäminen mahdollistaa absorboituneiden annosten mittaamisen välillä 0,5 - 1000 Gy (pienemmällä tarkkuudella - laajemmalla alueella 0,1 - 10 4 Gy , jossa ilmaisimen lineaarista vastetta ei taata).
Mittaus ja muuntaminen absorboituneeksi annokseksi
Fe 3+ -ionien pitoisuuden mittaus kyvetin säteilytyksen jälkeen suoritetaan spektrofotometrillä , yleensä aallonpituudella λ = 304 nm. Kun liuoksen optinen tiheys D = ln( I / I 0 ) suhteessa säteilyttämättömään annosmittariin on määritetty ja optisen reitin pituus l tiedetään, voidaan laskea liuoksen Fe 3+ -ionien moolipitoisuus , joka on yhtä suuri to
missä μ (Fe 3+ ) \u003d 2095 l / (mol cm) on Fe 3+ -ionien molaarinen ekstinktiokerroin aallonpituudella 304 nm (katso Bouguer-Lambert-Beer-laki ).
Lisäksi Fe 3+ -ionien konsentraatio voidaan mitata käyttämällä NMR-spektroskopiaa .
Absorboitunut annos missä tahansa kemiallisessa annosmittarissa, mukaan lukien Fricke-annosmittari, tunnetuille liuoksen tiheyden ρ (kg/l) arvoille ja vaikuttavan aineen moolipitoisuuden M (mol/l) arvoille lasketaan kaavalla [1]
D syvä (Gy) = 9,65 10 6 M /( G ρ) ,jossa kerroin G on ns. säteilykemiallinen saanto eli aktiivisen aineen reagoineiden molekyylien (atomien, ionien) keskimääräinen määrä 100 eV liuoksen absorboiman ionisoivan säteilyn energiaa kohti. Edellä mainitulle annosmittarin koostumukselle, joka on säteilytetty gamma-kvanteilla , joiden energia on yli 0,3 MeV , säteilykemiallinen saanto G on 15,6. Beetasäteilylle , jonka keskimääräinen energia on 5,7 keV , G = 12,9 (edellyttäen, että radioaktiivinen aine syötetään suoraan annosmittariliuokseen, muuten on otettava huomioon pehmeän beetasäteilyn absorptio lähteessä ja soluseinissä ). Protonisäteelle, jonka energia on 660 MeV G = 16,9 .
Terminen neutronivuon mittaus
Fricke-annosmittaria voidaan tietyin muokkauksin käyttää termisen neutronivuon tiheyden mittaamiseen . Tätä tarkoitusta varten annosmittarin työliuokseen lisätään litiumia (esimerkiksi litiumsulfaatin muodossa ) tai booria (esimerkiksi boorihapon H 3 BO 3 muodossa ) . Litium-6- ytimen termisten neutronien sieppaus johtaa reaktioon 6 Li( n , α ) T (kokonaissieppauspoikkileikkaus on 71 barn ). Reaktiossa muodostuneet alfahiukkaset ja tritonit ( tritiumydin ), joiden kineettinen kokonaisenergia on 4,66 MeV , saavat aikaan säteilykemiallisen vaikutuksen vesimolekyyleihin ja viime kädessä rautaioneihin. Boorin tapauksessa boori-10-ydin tulee reaktioon: 10 V( n , α ) 7 Li (kokonaislämpöneutronien sieppauspoikkileikkaus on 740 barnia). Reaktion seurauksena muodostuu alfahiukkanen ja litium-7-ydin, joiden liike-energia on 2,33 MeV . Absorboituneen annoksen lisämittaukset ja laskelmat suoritetaan kuten edellä mainituissa tapauksissa sillä erolla, että säteilykemiallinen saanto G (Fe 3+ ) on 5,4 ± 0,3 ionia / 100 eV litiumille ja 4,15 ± 0, 1 ioni/100 eV boorille. Kun absorboitunut annosnopeus (mitatun absorboituneen annoksen suhde altistusaikaan) Pab , ilmaistuna Gy /s, voidaan määrittää lämpöneutronivuon tiheys f (cm −1 s −1 ) kaavoilla
f \ u003d 3,21 10 10 P absorboitunut / M Li , f \ u003d 6,16 10 9 P absorboitunut / M V ,missä M Li ja M B ovat litiumin ja boorin molaariset pitoisuudet (mol/l).
Historia
Ferrosulfaattiannosmittarin kehittivät vuonna 1927 Hugo Fricke ja Stern Morse [2] [3] .
Kansainvälinen säteilyyksikkö- ja mittauskomissio suosittelee menetelmän käyttöä [4] .
Kirjallisuus
- Schreiner LJ. Katsaus Fricke-geeliannosmittariin // Journal of Physics: Conference Series. - 2004. - Voi. 3. - s. 9-21.
- Protokolla suurienergisten fotoni- ja elektronisuihkujen absorboituneen annoksen määrittämiseksi // Med. Phys. - 1983. - T. 10 (6) . - S. 741-771 .
- Vlasov V.K. Dosimetria // Chemical Encyclopedia : 5 osassa / Ch. toim. I. L. Knunyants . - M .: Neuvostoliiton tietosanakirja , 1990. - T. 2: Duff - Medi. - S. 114-115. — 671 s. - 100 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-035-5 .
Muistiinpanot
- ↑ Kaavan vakio on numeerisesti yhtä suuri kuin 100 Faraday-vakiota tai Avogadron luvun ja joulen suhteen elektronvolttiin tulo 1,602 10 −19 ja 100 eV (koska jälkimmäinen arvo sisältyy säteilyn määritelmään -kemiallinen saanto).
- ↑ Fricke H, Morse S. Röntgeenisäteiden kemiallinen vaikutus laimeisiin ferrosulfaattiliuoksiin annoksen mittana // American Journal of Roentgenology, Radium Therapy, and Nuclear Medicine. - 1927. - Voi. 18. - s. 430-432.
- ↑ Fricke H, Hart EJ (1955) Radiation Dosimetry, New York, NY EUA: Academic Press, osa 2, luku Chemical Dosimetry. Sivut 167-239.
- ↑ ICRU No 35 (1984) Säteilydosimetria: elektronisuihkut, joiden energiat ovat 1-50 MeV. Tekninen raportti, International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU).