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

Погрешность О'Пределения экспозиционной дозы может превы- шать 3'0%. На оптическую плотность почернения пленки помимо ДО'ЗЫ излучения влияют сорт пленки, состав и температура проя- вителя, длительность проявления. Точно внести. по؛правки на ус- ловия обработки пленки нельзя, поэтому все пленки, относящие- ся к одной серии измерений, должны обрабатываться одновре- менно.

Кроме рабочих пленок, выдаваемых в кассетах для ношения* имеются контрольные и градуировочные пленки. Контрольные пленки служат для определения фона (вуали), а градуировоч- ные —для построения градуировочной кривой.

Градуировочная кривая — зависимость оптической ПЛО'ТНОСТИ от дозы —строится экспериментально для каждой пар-тии пленок по облучению в известной дозе, с помощью градуировочной Кри- вой по оптической ПЛ'ОТНОСТИ рабочих пленок находят индивиду- альную дозу. При использовании фотометода в аварийных слу- чаях следует иметь в виду возможную соляризацию пленки при облучении в большой дозе. Для надежности контроля метод ИФК следует дублировать другими методами индивидуальной дози- метрии.

Рассмотрим зависимость чувствительности фотодозиметра от угла падения фотонов. Пусть ۶٧ —ЧИСЛО' фотонов, падающих на 1 см2 поверхности пленки при нормальном направлении, излуче- НИЯ. Толщина эмульсии /г всегда намного меньше среднего сво- бодного пробега фотонов, поэтому сама эмульсия не исказит за- метно поля излучения. Вероятность взаимО'Действия фотона ٠с ве- ществом эмульсии, приводящего к вылету электрона, пропорцио- нальна пути, проходиМ'Ому фотоном в эмульсии. Следовательно, при перпендикулярном падении оптическая плотность 5ض۶~ا. При падении фотонов под углом е путь, проходимый ими в эмуль- сии, равен /г/соэв, а ЧИСЛ'0 фотонов, падающих на 1 см2 иоверхно- сти, Лсзв. Отсюда оптическая плотность при падении под уг- лом 6

552.4) غ_أم:٠_ة0مملم)

2 СОЗв ٦٢0 ٦ ( )

Это значит, что пленка малочувствительна к направлению распрО'- странения (излучения. Однако наличие поглощающих материалов, окружающих .пленку (кассета с фильтрами), может заметно сни- зить чувствительность при КОСО'М падении фотонов, особенно низ- ких 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 при- мере жидкой химической 'Системы, основным компонентом кото­

165

рой является вода. Под действием ионизирующих частиц от моле­кулы воды отрывается электрон и образуется катион по схеме Н،О-٠؛Н،О+ + ،٢.

Освободившийся электрон захватывается нейтральной молекулой воды, ؛и образуется анион:

٢ + Н_аО-٠—٥ Н_аО٦

Молекулярные ионы Н₂О⁺ и Н₂О“ неустойчивы и самопроизволь­но распадаются:

Н₂О+-٠Н++ОН٠; н₂о٦->он-+н٠.

В результате образуются химически активные свободные радика­лы Н٠ и ОН٠, которые оказывают определенное воздействие на растворенные в воде вещества. Чем больше плотность ионизации, тем выше концентрация свободных радикалов вдоль пути 'ионизи­рующей частицы. Свободные радикалы перемещаются из мест своего образования в результате диффузии, стремясь равномерно распределиться по■ всему облучаемому объему. Часть из них, од­нако, реагирует друг с другом:

Н٠+Н٠٠Н₂; ОН٠+ОН٠-۶Н₂О₂; Н٠+ОН٠->Н₂О.

Те свободные радикалы, которые избежали рекомбинации, в даль­нейшем реагируют с растворенным веществом. Итак, под дейст­вием излучения в воде одновременно идут по крайней мере две реакции:

2Н₂О-٤٠Н₂О٥ + Н₂; Н،О-٠-؛؛؛ОН٠-|-Н٠.

Такова упрощенная схема действия излучения на воду. В дей­ствительности процессы, происходящие в воде в результате облу­чения, разнообразнее и сложнее. Конечный результат воздействия излучения определяется химическими реакциями, протекающими в присутствии свободных радикалов. Количественно результат воз٩ действия излучения оценивается по радиационно-химическому вы­ходу. Под выходом реакции понимают число характерных превра­щений на 100 эВ поглощенной энергии (число вновь образован­ных атомов, ионов и т. п.). Если выход не зависит от скорости по­глощения энергии и суммарной поглощенной энергии, такую си­стему 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 наибо­лее широко применяются ферросульфатный и цериевый.

166

§ 54. Жидкие дозиметрические системы

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

В необлученном растворе в результате электролитической дис­социации присутствуют ионы двухвалентного железа Ре²+. Под действием ионизирующих излучений происходит радиационно-хи­мическое 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 во­дорода 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 ферросульфатно- го дозиметра принимают следующий состав: 2 г Ре8О₄٠7Н₂О, 3 г ЫаС1, ПО см³ концентрированной Н₂5О₄, растворенные в дистил­лированной воде, на 5 л дозиметрического раствора. Раствор раз­ливают в прозрачные ампулы, которые затем помещают в поле излучения для определения дозы. Появление ионов трехвалентно­го железа характеризуется изменением оптической плотности рас­твора. Максимум поглощения в спектре видимого■ света приходит­ся на длину волны 305 нм.

Энергия Д٤, поглощенная в системе в результате облучения, определяется соотношением

А£^, = Л1(5обл ■؟чист)» (54.1)

где 5٠бл и $_Чист — оптическая плотность облученного и необлучен- ного растворов; М — постоянный коэффициент, зависящий от свойств дозиметра и условий облучения.

Обычно оптическую плотность определяют по отношению к 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 لم —соответственно интенсивность па^аюЩего ста и света, про- шедшего через облученный раствор, а Iо' и لم' —соответствующие интенсивности света для необлученного раствора: тогда

5обл~—54.2): ,لمىعا = (0لملم/'لم'0لم)جا = ۴ء»4ة)

'Где لم —толщина слоя раствора, см: С— концентрация ионов трех- валентного железа, моль/л؛ е —коэффициент экстинкции, завися- щий от температуры и равный 2174 л/'(моль٠см) для 24٥с. Вели- чина е имеет такое значение при определении концентрации ионов БеН по .поглощению .света с длиной волны 305 нм.

Измеряя оптическую плотность 5, можно определить концент- рацию ионов С. Зная концентрацию образованных ионов и радиа- ционно-химический выход, легко определить поглощенную дозу излучения в растворе, при неизменной интенсивности падающего света تم0لم = 0لم и поглощенная энергия

54.3) .(لم/'لم)٠=£ع)

Коэффициент м включает в .себя величину радиационно-химиче- ского выхода для данной системы.

Для стандартного ферросульфатного дО'Зиметра радиацион- 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 ферро- сульфатного 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 жи- вой ткани. Дозиметр практически не имеет эзч в диапазоне энер- ГИЙ 100 кэВ —2 ؛МэВ. Ферросульфатный дозиметр пригоден для измерения дозы излучения от 20 до 4'00 г.р. при 60'ЛЬШИХ значени- ях 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. Ферросуль- фатный 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 восста- навливаются 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 по­рядка 104 Гр. Его верхний предел по мощности дозы также вы­ше, 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 обес­цвечивается под действием как окислительных продуктов разло­жения воды (радикалы ОН٠), так и восстановительных продуктов (радикал Н٠). При одновременном действии тех или других про­дуктов обесцвечивание оказывается незначительным. Выход реак­ции существенно повышается, если в растворе присутствуют ве­щества, являющиеся хорошими акцепторами радикала ОН٠ или Н٠. Кислород — хороший акцептор радикала Н٠, а такие вещест­ва, как гидрохинон, глюкоза, глицерин, являются акцепторами радикала ОН٠. Лишая раствор молекулярного кислорода или, наоборот, насыщая его кислородом, добавляя те или иные вещест­ва, можно получить обратимую или необратимую реакцию на воздействие излучения. Изменение окраски метиленового голубо­го пропорционально поглощенной в растворе энергии, и это ,позво­ляет использовать его для дозиметрических целей. Если краситель растворить в горячей воде и добавить в него около 10% желатины, то после охлаждения получится гель — сту­денистое вещество, сохраняющее свою форму. Под действием ионизирующего излучения в таком растворе идет восстановитель­ная реакция, приводящая к изменению окраски. Изменение плот­ности окраски в каждом элементе объема внутри геля связано с поглощенной дозой излучения в этом же элементе объема. Разре­зая гель на части и исследуя степень обесцвечивания каждой ча­ сти, можно получить пространственное распространение погло- щенной дозы. Для дозиметрических целей успешно используются тонкие по- ливинилхлоридные 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 зы — от 5٠103 до 105 Гр.

большой до-

Разновидностью химических дозиметров, важных в практиче- ском отношении, являются обычные прозрачные стекла. Прозрач- ное стекло под действием ионизирующих излучений темнеет, и оп-

тическая плотность в некотором интервале дозы пропорциональ-

169

на поглощенной энергии. Для дозиметрических целей используют небольшие кусочки специальных сортов стекла толщиной несколь­ко миллиметров. Стеклянные дозиметры обладают следующими особенностями. Потемнение сильнее сказывается для более корот­коволнового участка видимого света. Потемнение облученного стекла уменьшается с течением времени хранения и тем сильнее, чем выше температура хранения. Прогрев стекла при температу­ре 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 чувстви­тельности 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 ре­зультате воздействия ионизирующего излучения. Концентрация свободных радикалов пропорциональна поглощенной дозе •излуче­ния. Это обстоятельство используют для дозиметрии ■при аварий­ном облучении. В качестве дозиметрических детекторов в этом случае выступают упомянутые носители свободных радикалов. Это своеобразная дозиметрия без дозиметров — разновидность химической дозиметрии — может оказаться незаменимой в случа­ях непланируемого облучения.

Для определения концентрации свободных радикалов в орга­нических веществах хорошо зарекомендовал себя метод, основан­ный на явлении электронного парамагнитного резонанса (ЭПР- метод).

Различают диамагнитные и парамагнитные вещества. Диамаг­нитные вещества сами по себе не обладают магнитными свойст­вами, поскольку у них магнитные поля, индуцируемые отдельны­ми электронами в атомах, взаимно скомпенсированы, и атомы ока­зываются магнитно нейтральными. Внешнее магнитное поле инду­цирует в атомах электрические токи, которые создают магнитный поток; при этом индуцированное в диамагнитном веществе маг­нитное поле ослабляет его внешнее магнитное поле. В парамаг­нитных веществах нет полной взаимной компенсации магнитных потоков, связанных с отдельными электронами, и атомы оказыва­ются элементарными магнитами. Внешнее магнитное поле в этом случае упорядочивает направление элементарных магнитных по­токов таким образом, что они это поле усиливают. В этом состоя­нии 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 сказан­ного ясно, что для наблюдения ЭПР необходимо в постоянное 170

магнитное поле поместить парамагнитное вещество и воздейство­вать на него переменным электромагнитным полем.

ЭПР связан с изменением ориентации электронных спиновых моментов содержащихся в веществе парамагнитных частиц. Та­кими частицами, в частности, являются свободные радикалы. Сво­бодные радикалы возникают как продукты взаимодействия иони­зирующего излучения с живой тканью. Поэтому концентрация ра­диационно-индуцированных свободных радикалов в органическом веществе адекватно характеризует поглощенную живой тканью дозу ионизирующего излучения. ЭПР по существу представляет собой средство определения концентрации свободных радикалов в веществе. При наложении постоянного магнитного поля основ­ной энергетический уровень парамагнитных частиц расщепляется на подуровни •из-за возможной различной ориентации магнитного момента по отношению к магнитному полю (эффект Зеемана). В состоянии теплового равновесия совокупности парамагнитных частиц нижние уровни оказываются несколько сильнее заселен­ными, чем верхние, и вещество способно поглощать энергию пере­менного электромагнитного поля.

Расщепление уровня энергии в постоянном магнитном поле Н квантовано и определяется выражением

٦١7=£٠Я, (55.1)

где рв — магнетон Бора; £— множитель Ланде (фактор магнит­ного расщепления); п=/, /—1,...,—/; / — квантовое число, опреде­ляющее полный момент количества движения парамагнитной ча­стицы.

Для частиц со спином 1/2 расщепленные уровни энергии соот­ветствуют двум ориентациям спина: по полю и против поля. Ус٠ ловием резонансного поглощения переменного электромагнитного поля частотой V будет

/г٧=£٢рвЯ, (55.2)

где Л — постоянная Планка.

Из формулы видно, что резонансное поглощение можно обес­печить, меняя либо напряженность постоянного магнитного -поля Я, либо частоту переменного электромагнитного■ поля V. Обычно изменяют Я, оставляя постоянным V. Величина резонансного по­глощения электромагнитного поля веществом, содержащим сво­бодные радикалы, является мерой ■их концентрации, которая в свою очередь связана с поглощенной дозой ионизирующего излу­чения. На этом и основана ЭПР-дозиметрия.

Поглощенная в условиях резонанса мощность переменного электромагнитного поля пропорциональна отношению Я/Т, где N — концентрация свободных радикалов, а Т — температура ве­щества, при которой измеряют ЭПР-сигнал. Такая закономерность открывает уникальную возможность изменять чувствительность метода простым изменением температуры вещества, выступающе-

17Г

го в качестве чувствительного элемента дозиметрического детек­тора. При этом имеет значение лишь температура в процессе из­мерения независимо от температуры, при которой детектор нахо­дился под действием ионизирующего излучения. Таким образом удается перекрыть диапазон измеряемых доз в 5 порядков от 1 до 10⁵ Гр.

Для определения концентрации свободных радикалов в твер­дых органических веществах в дозиметрических целях использу­ется также явление лиолюминесценции (§ 49).

$ 56. ОПТИМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ

Рассмотрим вопрос о погрешности при измерении оптической плотности. За­пишем формулу (50.1) через натуральный логарифм:

(56.1)

1 0,4343= (7ا0ا)ج=كп (7о/7).

Погрешность определения оптической плотности 5 обусловлена погрешностью измерения интенсивности падающего света 7₀ и интенсивности прошедшего све­та 7. Относительная погрешность определения оптической плотности

(56.2) ,ك٠/ه(7نمده = ةج

где Т)₅ — дисперсия величины 5.

В условиях хорошей статистики, когда относительные флюктуации 7₀ и 7 малы, дисперсия /)٥ равна

Т)$=0,4343(П/٠ /7₀2 56.3) ,(7²/اح7ب)

где 7)/о и 7), —дисперсии соответственно величин 7₀ и 7.

Заметим, что слагаемые в скобках формулы (56.3) представляют собой квадраты относительной погрешности 7₀ и 7. Следовательно,

(56.4) ع2٨ (///ق) + م٠ا/٠اه)كأ 0,4343 =_ل/_ةه

Положим теперь, что погрешность измерения интенсивности света обусловле­на лишь тем, что прибор имеет ограниченную чувствительность. Если прибор не может измерить величину, меньшую А7₀, то эта величина и будет равна абсо­лютной погрешности измерения интенсивности. Тогда в формуле (56.4) Д7₀ = =،/7₀=٥7. В то же время 7=7_о٠1О٦ С учетом сказанного можно написать

(56.5) ..٠^ . ؛*¹⁰ + ¹ 0,4343 = —

7٥ ؟٠ 5

Таким образом, погрешность измерения оптической плотности зависит от са­мой оптической плотности. Минимальная погрешность соответствует минималь­ному значению функции |/٦ 10²؟$. Расчеты показывают, что минимальная

погрешность обеспечивается при 5=0,48, что может служить критерием выбора оптимальных условий измерения.

172