Иванов В.И (1)

ной камерой и рентгеновской пленкой. Чувствительный слой мож٠ но рассматривать как полость, в К'0'Торой измеряется реакция на'

поглощение энергии, в камере такой реакцией является ионизация, ,в фотослое —почернение. Все, ЧТО' О'Кружает чувствительный

слой пленки, образует «стенку полости». Следует ؛различать два крайних 'Случая: пробег электронов R значительН'О' меньше толщины эмульсионного слоя h и прО'бег электронов R значительно

больше hl В первом 'Случае фотографический эффект 'Обусловлен

в основном теми электронами, которые высвободились в результате взаимодействия фотонов с веществом эмульсии, а электронами, попавшими из окружающей среды, можно пренебречь. Во ВТО- Р'ОМ случае, напротив, можно пренебречь электронами, освобожденными из эмульсии.

Рассмотрим б٠0٠лее подробно первый случай, когда JR<h. при

неизменном энергетическом спектре фотонов поглощенная энергия

пропорциональна числу поглощенных фотонов ،7v٠ Поэтому число

экспонируемых зерен п=К1Яъ где ^!-коэффициент пропорцио-

нальности, равный числу экспонированных зерен на один погло-

мя облучения. '

Для малых значений IImzhm число поглощенных фотонов ،7آحء

٩٥фу[Ikmzhm И n=Killkmzhmt•

Подставив значение п в формулу (50.4), по٠лучим

При средней энергии фотонов Еу справедливо равенство

фyt ='D/ (Е٠?пв) ,

где اهلد-массовый коэффициент передачи энергии в воздухе. Для чувствительности пленки, по дозе

Число экспонированных зерен на один поглощенный фотон приближенно пропорционально энергии фотонов, поэтому отноше-

ние Кл/Ёу (можно 'Считать не зависящим О'Т энергии. 06'О'Значив А = = K bc >hm|E\ 3 4

где А не зависит от энергии фото-нов. Соотношение (51.4) О'Преде-

ляет энергетическую зависимость чувствительности пленочного дозиметра для .случая R(h. Если бы материал эмульсии был воз-

духоэквивалентен по эффективному атомно٠му Н'Омеру, то. отношение VLkmzHikmB было бы ПО'СТОЯННЫМ и чувствительность не зависела бы от энергии излучения, в действительности эмульсия и

риале стенки, окружающей пленку (например, стенка кассеты). Рассуждая так же, как в первом случае, получим для

ئР&СТ

о Рй Е1

ИЛИ

ВРлтв

где 5 —не зависящий от энергии коэффициент. Формула (51.6)

определяет эзч дозиметра, когда «эффект стенки» преобладает над «эффектом полости». Если оба эффекта сравнимы между собой, то

Формулы (51.4), (51.6) и (51.7) ,правильно характеризуют зависимость чувствительности пленки О'Т энергии фотонов при неизменном составе эмульсии. Однако представления, на основе которых выведены эти формулы, недостаточны для абсолютного, вы-

числения чувствительности и определения зависимости чувствительности от ‘Структуры эмульсии. Для получения более полной

картины необходимо применить теорию Брэгга —Грея не к эмульсионному слою в целом, а к отдельным зернам.

162

52 ا. КОМПЕНСАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЗАВИСИМОСТИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ. ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ФОТОКОНТРОЛЬ

Энергетическую зависимость чувствительности можно существенно уменьшить с помощью компенсирующих фильтров. Пусть пленка в разных (местах 'Экспонируется моноэнергетическими пучками фотонов с энергиями Еу1 и Еу2. Экспозиционная доза излучения для каждого пучка одинакова и равна X. ؛Будем рассматривать область низких энергий, где Я<(Н (интервал энергий аЬ,

см. рис. 5'2). Именно этот случай наиболее важен в дозиметриче-

ской практике. Пусть далее Еу1<Еу2, тогда в соответствии с рис. 52 2كا<ك٠ Если ٠на пути пучка фотонов между источником и

эмульсией поместить пластину поглощающего материала (напри-

мер, свинца), интенсивность излучения, действующего) на пленку,

уменьшится, причем интенсивность излучения с энергией Еу1 уменьшится в большей степени, чем с энергией Еу2. Это (несколько, уменьшит разницу между 51 и $2. ]Подбирая соответствующую толщину поглотителя, можно подучить 52ا=ة.

Между тяжелым поглотителем и пленкой следует поместить слой легкого материала (например, алюминия), который задерживал бы характеристическое и электронное излучение свинца.

Компенсацию легко осуществить .для двух энергий фотонов. Однако реально приходится иметь делО' с фотонами различных энерГИЙ, и эзч скомпенсировать труднее, так как для каждой энер-

ГИИ фотонов требуется определенной толщины комбинированный

фильтр. Теоретически можно оценить оптимальную толщину фильтра, при которой в заданном диапазоне энергий эзч будет минимальной.

Пусть кО'Мбинированный фильтр состоит из алюминия толщиной Нм и свинца толщиной Нръ (рис. 53). ^!—экспозиционная до-

за излучения с энергией Еу1 после фильтра около эмульсии; х2—

це и алюминии соответственно для Еу1 и Еу2. Тогда

Х1=4оехр[— (|!ры/1рь+|Ла11Яа1)];

٠^ = 2؛ехр[-^(ррЬ2Йрь+рА12ЙА1)1٠

Рис. 53. Комбинированный фильтр для компенсации энергетической зависимости чувствительности фотодозиметра

которой компенсируется эзч. Эта толщина будет неодинаковой для разных значений £?2, и можно построить график, типичный вид которого показан на рис. 54. Построив такую зависимость для разных значений толщины h\1, можно выбрать так'Ое сочетание значений Нм и /ipb, при котором эзч будет минимальной в данном диапазоне энергий фотонов.

Для фильтра, состоящего из свинца и алюмиН’Ия, наилучшие результаты ؛получаются, если Арь = О,75О,8 ,мм, 0,5 = غ٨ا мм. Для энергий фотонов свыше 100 кэВ погрешность определения ДО'ЗЫ из-за неполной компенсации энергетической зависимости чувствительности при наличии фильтра не превышает 2О٥/о٠

Компенсирующие фильтры применяют в индивидуальном фото-

контроле. Индивидуальный фотоконтроль (ИФК)—это система контроля дозы излучения, получаемой отдельными лицами, основанная -на фотографическом мет'Оде дозиметрии. ИФК —на.иболее распространенный метод дозиметрии. Каждому работнику выдается кассета со специальными сортами пленок для постоянного Н'О- шения. Через определенный срок пленки фотографически обрабатывают и по оптической плотности определяют индивидуальную дозу, полученную за контрольный срок.

Достоинства метода ИФК в его документальности (экспонированные и обработанные пленки можно хранить), простоте в 0'6- ращении и дешевизне. Недостатки метода— его невысокая чувствительность, длительный цикл обработки пленки и невозможность повторного использования. Вследствие малой чувствительности

164

метода кассеты приходится носить в течение нескольких дней (обычно их выдают на неделю).

Погрешность О'Пределения экспозиционной дозы может превышать 3'0%. На оптическую плотность почернения пленки помимо

ДО'ЗЫ излучения влияют сорт пленки, состав и температура проявителя, длительность проявления. Точно внести. по؛правки на ус-

ловия обработки пленки нельзя, поэтому все пленки, относящиеся к одной серии измерений, должны обрабатываться одновременно.

Кроме рабочих пленок, выдаваемых в кассетах для *ношения

по облучению в известной дозе, с помощью градуировочной Кривой по оптической ПЛ'ОТНОСТИ рабочих пленок находят индивидуальную дозу. При использовании фотометода в аварийных случаях следует иметь в виду возможную соляризацию пленки при

облучении в большой дозе. Для надежности контроля метод ИФК следует дублировать другими методами индивидуальной дозиметрии.

Рассмотрим зависимость чувствительности фотодозиметра от

угла падения фотонов. Пусть ۶٧ —ЧИСЛО' фотонов, падающих на 1 см2 поверхности пленки при нормальном направлении, излучеНИЯ. Толщина эмульсии /г всегда намного меньше среднего свободного пробега фотонов, поэтому сама эмульсия не исказит за-

метно поля излучения. Вероятность взаимО'Действия фотона ٠с веществом эмульсии, приводящего к вылету электрона, пропорцио-

нальна пути, проходиМ'Ому фотоном в эмульсии. Следовательно,

при перпендикулярном падении оптическая плотность 5ا~۶ض.

При падении фотонов под углом е путь, проходимый ими в эмуль-

сии, равен /г/соэв, а ЧИСЛ'0 фотонов, падающих на 1 см2 иоверхно-

Это значит, что пленка малочувствительна к направлению распрО'- странения (излучения. Однако наличие поглощающих материалов, окружающих .пленку (кассета с фильтрами), может заметно снизить чувствительность при КОСО'М падении фотонов, особенно низких энергий.

§ 53. РАДИАЦИОННО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

Химический меТ'ОД дО'ЗИметрии основан на 'Измерении выхода радиационно-химических реакций, протекающих под действием

ионизирующих излучений. Принцип мет'Ода можно 'ПОНЯТЬ на примере жидкой химической 'Системы, основным компонентом кото­

165

рой является вода. Под действием ионизирующих частиц от моле­ кулы воды отрывается электрон и образуется катион по схеме

Н،О-؛٠Н،О+ + ،٢.

Освободившийся электрон захватывается нейтральной молекулой

воды, ؛и образуется анион:

٢ + НаО-٥—٠ НаО٦

Молекулярные ионы Н2О+ и Н2О“ неустойчивы и самопроизволь­ но распадаются:

Н2О+-٠Н++ОН٠; н2о٦->он-+н٠.

В результате образуются химически активные свободные радика­

лы Н٠ и ОН٠, которые оказывают определенное воздействие на

растворенные в воде вещества. Чем больше плотность ионизации, тем выше концентрация свободных радикалов вдоль пути 'ионизи­ рующей частицы. Свободные радикалы перемещаются из мест своего образования в результате диффузии, стремясь равномерно распределиться по■ всему облучаемому объему. Часть из них, од­ нако, реагирует друг с другом:

Н٠+Н٠٠Н2; ОН٠+ОН٠-۶Н2О2; Н٠+ОН٠->Н2О.

Те свободные радикалы, которые избежали рекомбинации, в даль­

нейшем реагируют с растворенным веществом. Итак, под дейст­ вием излучения в воде одновременно идут по крайней мере две реакции:

2Н2О-٤٠Н2О٥ + Н2; Н،О-؛؛؛-٠ОН٠-|-Н٠.

Такова упрощенная схема действия излучения на воду. В дей­ ствительности процессы, происходящие в воде в результате облу­

чения, разнообразнее и сложнее. Конечный результат воздействия излучения определяется химическими реакциями, протекающими в присутствии свободных радикалов. Количественно результат воз٩ действия излучения оценивается по радиационно-химическому вы­ ходу. Под выходом реакции понимают число характерных превра­ щений на 100 эВ поглощенной энергии (число вновь образован­ ных атомов, ионов и т. п.). Если выход не зависит от скорости по­ глощения энергии и суммарной поглощенной энергии, такую си­ стему можно использовать для определения поглощенной дозы.

Радиационно-химические превращения могут происходить не только в водных растворах, но и в других жидких или твердых химических системах. Из жидких химических дозиметров наибо­

лее широко применяются ферросульфатный и цериевый.

166

§ 54. ЖИДКИЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Ферросульфатный дозиметр. Раствор соли Ре8О4 в разбавлен­ ной серной кислоте Н2ЗО4— наиболее распространенная химиче­ ская система, применяемая для дозиметрии ионизирующих излу­ чений; она основана на свойстве ионов двухвалентного железа Ре2+ окисляться под действием излучения до трехвалентного Ре34٦

В необлученном растворе в результате электролитической дис­ социации присутствуют ионы двухвалентного железа Ре2+. Под действием ионизирующих излучений происходит радиационно-хи­ мическое разложение воды с образованием свободных радикалов Н٠ и ОН٠. Радикалы ОН٠ активно участвуют в окислении ионов двухвалентного железа до трехвалентного по реакции

Ре2++ОН—>Ре3++ОН٦

Возможны другие реакции окисления: Ре2؛+Н2О٢>Ре3++ОН-+ОН٠;

Ре2؛+НО2٠>Ре3؛+НО2-.

Группа НО2 образуется либо в реакции между радикалом ОН٠

и пероксидом водорода ОН ٠ + Н2О٢٠НО2+Н2О,

либо в результате непосредственного соединения атомарного во­ дорода и молекулярного кислорода

н+о2->но2.

Число образовавшихся в результате облучения и завершения всех реакций ионов трехвалентного железа Ре3+ и служит мерой поглощенной энергии. В качестве стандартного ферросульфатного дозиметра принимают следующий состав: 2 г Ре8О4٠7Н2О, 3 г

ЫаС1, ПО см3 концентрированной Н25О4, растворенные в дистил­ лированной воде, на 5 л дозиметрического раствора. Раствор раз­ ливают в прозрачные ампулы, которые затем помещают в поле излучения для определения дозы. Появление ионов трехвалентно­ го железа характеризуется изменением оптической плотности рас­ твора. Максимум поглощения в спектре видимого■ света приходит­ ся на длину волны 305 нм.

Энергия Д٤, поглощенная в системе в результате облучения,

участку спектра длиной волны 305 нм с помощью специальных

спектрофотометров. Спектрофотометр измеряет отношение интен-

167

оивности .падающего и прошедшего через раствор света. Пусть Iо

'И مل —соответственно интенсивность па^аюЩего ста и света, про-

шедшего через облученный раствор, а Iо' и مل' —соответствующие

интенсивности света для необлученного раствора: тогда

ный выход по отношению к выходу ионов трехвалентного железа

можно принять 0=15,6±0,5 на 100 эВ поглощенной энергии при насыщении раствора кислородом. Основным компонентом ферросульфатного ДО'Зиметра является вода, и эффективный атомный номер по поглощению фотонного излучения для раствора близок к эффективН'Ому атомному ,номеру воды, а следовательно, и к живой ткани. Дозиметр практически не имеет эзч в диапазоне энерГИЙ 100 кэВ —2 ؛МэВ. Ферросульфатный дозиметр пригоден для измерения дозы излучения от 20 до 4'00 г.р. при 60'ЛЬШИХ значениях дозы наблюдается уменьшение выхода вследствие уменьшения в растворе кислорода. Выход дозиметра остается ПОСТОЯ.ННЫМ при значении мощности дозы до нескольких гр/с. ]Верхний предел по мощности дозы лежит, по-видимому, выше 103 Гр/с. Ферросульфатный дозиметр чувствителен к ор'Ганическим примесям, ‘Требует насыщения кислородом и применения химически чистых веществ.

Цериевый дозиметр, в дозимет.ре этого типа иС'ПОЛьзуют рас-

твор сернокислого церия в 0,8 н. растворе Н25О4. в отличие от Предыдущей системы здесь ионы четырехвалентного церия восстанавливаются до ионов трехвалентного церия по реакции

Сеансе н؛.

Максимум поглощения света -трехвалентным церием происходит при длине волны 320 нм. Выхо^ дозиметра 0 = 2,54 и не .зависит от концентрации ионов четырехвалентного церия в пределах от 3,2٠10~ج д٠0 3,2٠ 10-2 моль/л.

Дозиметр ,нечувствителен к содержанию кислорода. Будучи

менее чувствительным, цериевый дозиметр измеряет большую до-

168

зу, чем ферросульфатный. Он пригоден для измерения дозы по­

рядка 104 Гр. Его верхний предел по мощности дозы также вы­ ше, чем у ферросульфатного дозиметра.

§ 55. ДРУГИЕ ВИДЫ ХИМИЧЕСКИХ ДОЗИМЕТРОВ

Известно значительное число различных веществ, изменяющих свою окраску в результате окислительных или восстано١вительных реакций. Например, водный раствор метиленового голубого обес­ цвечивается под действием как окислительных продуктов разло­

жения воды (радикалы ОН٠), так и восстановительных продуктов (радикал Н٠). При одновременном действии тех или других про­ дуктов обесцвечивание оказывается незначительным. Выход реак­ ции существенно повышается, если в растворе присутствуют ве­ щества, являющиеся хорошими акцепторами радикала ОН٠ или

наоборот, насыщая его кислородом, добавляя те или иные вещест­ ва, можно получить обратимую или необратимую реакцию на

воздействие излучения. Изменение окраски метиленового голубо­ го пропорционально поглощенной в растворе энергии, и это ,позво­ ляет использовать его для дозиметрических целей.

Если краситель растворить в горячей воде и добавить в него

около 10% желатины, то после охлаждения получится гель — сту­ денистое вещество, сохраняющее свою форму. Под действием ионизирующего излучения в таком растворе идет восстановитель­ ная реакция, приводящая к изменению окраски. Изменение плот­ ности окраски в каждом элементе объема внутри геля связано с поглощенной дозой излучения в этом же элементе объема. Разре­ зая гель на части и исследуя степень обесцвечивания каждой ча­ сти, можно получить пространственное распространение погло­ щенной дозы.

Для дозиметрических целей успешно используются тонкие поливинилхлоридные пленки, в состав которых входит краситель. Поливинилхлорид имеет формулу (СН2=СНС1)Х. Под действием ионизирующих излучений выделяется НС1, которая действует на краситель и изменяет цвет пленки. При добавлении метиленового голубого цвет пленки с увеличением дозы изменяется от первона­

чального фиолетового до голубого и далее желто-оранжевого.

Толщина пленок может составлять сотые доли миллиметра;

при такой толщине пленочный дозиметр не искажает поля излу­ чения и практически не имеет угловой зависимости. Пленочные химические дозиметры эффективны для измерений большой дозы — от 5٠103 до 105 Гр.

Разновидностью химических дозиметров, важных в практиче­ ском отношении, являются обычные прозрачные стекла. Прозрач­ ное стекло под действием ионизирующих излучений темнеет, и оптическая плотность в некотором интервале дозы пропорциональ-

169

на поглощенной энергии. Для дозиметрических целей используют небольшие кусочки специальных сортов стекла толщиной несколь­ ко миллиметров. Стеклянные дозиметры обладают следующими особенностями. Потемнение сильнее сказывается для более корот­ коволнового участка видимого света. Потемнение облученного стекла уменьшается с течением времени хранения и тем сильнее, чем выше температура хранения. Прогрев стекла при температу­

ре 100—150 °C сразу же после облучения стабилизирует плотность

потемнения, хотя и уменьшает ее величину. Прогрев стекла при температуре 400—500 ٥С приводит к полному его просветлению, и

его можно использовать повторно для дозиметрии.

Стеклянные дозиметры можно использовать до дозы 103 Гр.

Они имеют значительную энергетическую зависимость чувстви­ тельности в области низких энергий фотонов, если не принять

специальных мер для ее компенсации.

Такие органические материалы, как ткань одежды, бумага, волосы, ногти и т. п., способны накапливать и сохранять в течение длительного времени свободные радикалы, образованные в ре­

зультате воздействия ионизирующего излучения. Концентрация

свободных радикалов пропорциональна поглощенной дозе •излуче­ ния. Это обстоятельство используют для дозиметрии ■при аварий­ ном облучении. В качестве дозиметрических детекторов в этом

химической дозиметрии — может оказаться незаменимой в случа­ ях непланируемого облучения.

Для определения концентрации свободных радикалов в орга­

нических веществах хорошо зарекомендовал себя метод, основан­ ный на явлении электронного парамагнитного резонанса (ЭПР-

метод).

Различают диамагнитные и парамагнитные вещества. Диамаг­ нитные вещества сами по себе не обладают магнитными свойст­ вами, поскольку у них магнитные поля, индуцируемые отдельны­ ми электронами в атомах, взаимно скомпенсированы, и атомы ока­

зываются магнитно нейтральными. Внешнее магнитное поле инду­ цирует в атомах электрические токи, которые создают магнитный поток; при этом индуцированное в диамагнитном веществе маг­ нитное поле ослабляет его внешнее магнитное поле. В парамаг­ нитных веществах нет полной взаимной компенсации магнитных потоков, связанных с отдельными электронами, и атомы оказыва­ ются элементарными магнитами. Внешнее магнитное поле в этом

случае упорядочивает направление элементарных магнитных по­ токов таким образом, что они это поле усиливают. В этом состоя­ нии парамагнитное вещество избирательно поглощает энергию переменного электромагнитного поля в зависимости от частоты. Таким образом проявляется резонансное поглощение, которое и получило название парамагнитного резонанса (ЭПР). Из сказан­

ного ясно, что для наблюдения ЭПР необходимо в постоянное

170