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 , высота ), в которую запаян насыщенный воздухом водный раствор сульфата железа(II) FeSO4·7H2O (концентрация ) с добавлением серной кислоты Н2SO4 (, то есть с концентрацией 0,8 н) и хлорида натрия NaCl ().

Принцип действия 
 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:
 
 
 

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  нм. Определив оптическую плотность  раствора относительно необлучённого дозиметра и зная длину оптического пути , можно вычислить молярную концентрацию ионов Fe3+ в растворе, равную

 

где (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  (кг/л) и молярной концентрации действующего вещества  (моль/л) вычисляется по формуле

 ,

где коэффициент  — 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 , радиационно-химический выход  составляет 15,6. Для бета-излучения со средней энергией   (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  .

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()T (полное сечение захвата составляет 71 барн). Образовавшиеся в реакции альфа-частица и тритон (ядро трития) с полной кинетической энергией  производят радиационно-химическое воздействие на молекулы воды и, в конечном счёте, на ионы железа. В случае бора в реакцию вступает ядро бор-10: 10В()7Li (полное сечение захвата теплового нейтрона равно 740 барн). В результате реакции образуются альфа-частица и ядро лития-7, которые несут кинетическую энергию . Далее измерения и расчёты поглощённой дозы проводятся как и для вышеприведённых случаев, с тем отличием, что радиационно-химический выход (Fe3+) принимается равными  для лития и  для бора. Определив мощность поглощённой дозы (отношение измеренной поглощённой дозы к времени облучения) , выраженную в Гр/с, можно определить плотность потока тепловых нейтронов  (см−1·с−1) по формулам

  = 3,21·1010  /,
  = 6,16·109  /,

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

История 
Метод ферросульфатной дозиметрии был разработан в 1927 году Хьюго Фрикке и Стерном Морзе.

Метод рекомендован к применению Международной комиссией радиационных единиц и измерений.

Литература

Примечания

См. также 
 Химические методы дозиметрии
 Дозиметр
 Дозиметрия
 Регистрация ионизирующих излучений

Радиология
Радиобиология
Химические методы дозиметрии