Dosímetro de ferrosulfato
El dosímetro de ferrosulfato (dosímetro Frikke) es un dispositivo de medición utilizado para medir altas dosis de radiación ionizante. Se basa en la oxidación del ion ferroso por los productos de la radiólisis del agua en una solución acuosa ácida y la posterior medición de la concentración de los iones férricos formados, que es proporcional a la dosis absorbida en un amplio rango. Las mediciones de dosis absorbida dan resultados cercanos a la dosis absorbida para tejidos biológicos; la equivalencia tisular se basa en el hecho de que se utiliza una solución acuosa como medio de trabajo.
En una implementación, el dispositivo consta de una cubeta transparente (dimensiones aproximadas: diámetro 20 mm , altura 30 mm ), en la que se encuentra una solución acuosa saturada de aire de sulfato de hierro (II) FeSO 4 7H 2 O (concentración 1 10 −3 mol / l ) con la adición de ácido sulfúrico H 2 SO 4 ( 0,4 mol/l , es decir con una concentración de 0,8 n ) y cloruro sódico NaCl ( 1 10 −3 mol/l ).
Cómo funciona
- Bajo la acción de la radiación ionizante, se produce la ionización y excitación de las moléculas de agua.
- La radiólisis del agua conduce a la formación de radicales libres activos ·HO 2 y ·OH, así como peróxido de hidrógeno .
- Los radicales libres interactúan con el FeSO 4 . Como resultado de la reacción de oxidación química, los iones Fe 2+ se convierten en iones Fe 3+ .
- La solución cambia de color (cambia la concentración de iones que hacen que el color de la solución cambie).
La oxidación de los iones de hierro ocurre principalmente como resultado de las siguientes tres reacciones:
![{\displaystyle {\cdot }\mathrm {HO_{2}} \ {+}\ \mathrm {Fe^{2+}}\ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {Fe^{ 3+}} \ {+}\ \matemáticas {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+} } \ {+}\ \matemáticas {OH^{-}} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9775c49531d39100d85ce916f8b9d11be5b1ee6f)
La determinación de la cantidad de iones Fe 3+ formados permite medir dosis absorbidas de 0,5 a 1000 Gy (con menor precisión, en un rango más amplio de 0,1 a 10 4 Gy , donde no se garantiza la respuesta lineal del detector).
Medida y conversión a dosis absorbida
La medición de la concentración de iones Fe 3+ después de la irradiación de la cubeta se realiza en un espectrofotómetro , normalmente a una longitud de onda de λ = 304 nm. Habiendo determinado la densidad óptica D = ln( I / I 0 ) de la solución relativa al dosímetro no irradiado y conociendo la longitud del camino óptico l , podemos calcular la concentración molar de iones Fe 3+ en la solución, igual a
donde μ (Fe 3+ ) \u003d 2095 l / (mol cm) es el coeficiente de extinción molar de los iones Fe 3+ a una longitud de onda de 304 nm (ver ley de Bouguer - Lambert - Beer ).
Además, la concentración de iones Fe 3+ se puede medir mediante espectroscopia de RMN .
La dosis absorbida en cualquier dosímetro químico, incluido el dosímetro Fricke, para valores conocidos de la densidad de la solución ρ (kg/l) y la concentración molar de la sustancia activa M (mol/l) se calcula mediante la fórmula [1]
D profundo (Gy) = 9.65 10 6 M /( G ρ) ,donde el coeficiente G es el llamado rendimiento químico de radiación , es decir, el número promedio de moléculas reaccionadas (átomos, iones) de la sustancia activa por 100 eV de la energía de radiación ionizante absorbida por la solución. Para la composición anterior del dosímetro, irradiado con gamma quanta con energías superiores a 0,3 MeV , el rendimiento químico de radiación G es 15,6. Para radiación beta con una energía media de 5,7 keV , G = 12,9 (siempre que la sustancia radiactiva se introduzca directamente en la solución dosimétrica, en caso contrario hay que tener en cuenta la absorción de radiación beta blanda en la fuente y en las paredes de la celda ). Para un haz de protones con una energía de 660 MeV G = 16,9 .
Medida del flujo de neutrones térmicos
El dosímetro Fricke, con algunas modificaciones, se puede utilizar para medir la densidad de flujo de neutrones térmicos . Para este propósito, se agrega litio (por ejemplo, en forma de sulfato de litio ) o boro (por ejemplo, en forma de ácido bórico H 3 BO 3 ) a la solución de trabajo del dosímetro . La captura de neutrones térmicos por un núcleo de litio-6 conduce a la reacción 6 Li( n , α ) T (la sección transversal de captura total es 71 barn ). La partícula alfa y el tritón formados en la reacción ( núcleo de tritio ) con una energía cinética total de 4,66 MeV producen un efecto químico de radiación sobre las moléculas de agua y, en última instancia, sobre los iones de hierro. En el caso del boro, el núcleo de boro-10 entra en la reacción: 10 V( n , α ) 7 Li (la sección eficaz total de captura de neutrones térmicos es de 740 barn). Como resultado de la reacción, se forman una partícula alfa y un núcleo de litio-7, que portan una energía cinética de 2,33 MeV . Las mediciones y cálculos adicionales de la dosis absorbida se realizan como en los casos anteriores, con la diferencia de que el rendimiento radioquímico G (Fe 3+ ) se toma igual a 5,4 ± 0,3 iones / 100 eV para el litio y 4,15 ± 0, 1 ion/100 eV para boro. Una vez determinada la tasa de dosis absorbida (la relación entre la dosis absorbida medida y el tiempo de exposición) Pab , expresada en Gy /s, se puede determinar la densidad de flujo de neutrones térmicos f (cm −1 s −1 ) mediante las fórmulas
f \ u003d 3.21 10 10 P absorbido / M Li , f \ u003d 6.16 10 9 P absorbido / M V ,donde M Li y M B son las concentraciones molares (mol/l) de litio y boro, respectivamente.
Historia
La dosimetría de ferrosulfato fue desarrollada en 1927 por Hugo Fricke y Stern Morse [2] [3] .
La Comisión Internacional de Unidades y Medidas de Radiación recomienda el uso del método [4] .
Literatura
- Schreiner LJ. Revisión de los dosímetros de gel de Fricke // Journal of Physics: Serie de conferencias. - 2004. - vol. 3.- Pág. 9-21.
- Un protocolo para la determinación de la dosis absorbida de haces de fotones y electrones de alta energía // Med. física - 1983. - T. 10 (6) . - S. 741-771 .
- Vlasov V. K. Dosimetría // Enciclopedia química : en 5 volúmenes / Cap. edición I. L. Knunyants . - M .: Enciclopedia soviética , 1990. - T. 2: Duff - Medi. - S. 114-115. — 671 pág. — 100.000 copias. — ISBN 5-85270-035-5 .
Notas
- ↑ La constante en la fórmula es numéricamente igual a 100 constantes de Faraday , o el producto del número de Avogadro y la relación del joule al electronvoltio 1.602 10 −19 y 100 eV (ya que este último valor está incluido en la definición de la radiación -rendimiento químico).
- ↑ Fricke H, Morse S. La acción química de los rayos roentgen en soluciones diluidas de ferrosulfato como medida de dosis // American Journal of Roentgenology, Radium Therapy, and Nuclear Medicine. - 1927. - Vol. 18. - Pág. 430-432.
- ↑ Fricke H, Hart EJ (1955) Radiation Dosimetry, New York, NY EUA: Academic Press, volumen 2, capítulo Dosimetría química. Páginas 167-239.
- ↑ ICRU No 35 (1984) Dosimetría de radiación: haces de electrones con energías entre 1 y 50 MeV. Informe técnico, Comisión Internacional de Unidades y Medidas de Radiación (ICRU).