книги из ГПНТБ / Пикаев, А. К. Дозиметрия в радиационной химии

А К А Д Е М И Я Н А У К СССР

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

А. К. ПИКАЕВ

ДОЗИМЕТРИЯ

В РАДИАЦИОННОЙ

ХИМИИ

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О «НАУКА»

М О С К В А 1 9 7 5

УДК 541.15+539.12.08 у

Дозиметрия в радиационной химии. П и к а е в А. К. М., «Наука», 1975, стр. 312.

Монография посвящена различным методам дозиметрии ио­ низирующего излучения, используемым в радиационной химии. Рассматриваются основные понятия и единицы дозиметрических измерений, особенности взаимодействия ионизирующего излуче­ ния с веществом, описываются источники ионизирующих излу­ чений и дается краткая характеристика применения физических методов дозиметрии в радиационной химии. В книге обобщен и систематизирован обширный экспериментальный и теоретичес­ кий материал, касающийся химических методов дозиметрии гам­ ма- и рентгеновского излучений, потоков электронов и тяжелых заряженных частиц, импульсного и реакторного излучений.

Книга рассчитана на широкий круг научных работников, ин­ женеров, студентов и аспирантов, специализирующихся в радиа­ ционной химии и смежных областях пауки (радиобиологии, радиационной физике и др.).

Таблиц 65. Иллюстраций 87. Библ. 1634 назв.

© Издательство «Наука», 1975 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Успешное проведение любого радиационно-химического ис­ следования зависит в первую очередь от правильного определения поглощенной дозы. В этой книге сделана попытка рассказать за­ интересованному читателю о методах дозиметрии ионизирующего излучения, используемых в радиационной химии. Она написана на основе обширного экспериментального и теоретического мате­ риала, опубликованного примерно до начала 1972 г. В ряде слу­ чаев были учтены и более поздние результаты.

Хотя книга в целом посвящена дозиметрии, в ней нашли отра­ жение и некоторые смежные вопросы. Это относится главным обра­ зом к видам и источникам ионизирующего излучения. Цель такого рассмотрения состоит в том, чтобы показать читателю, с какими излучениями и радиационными полями имеют дело в этой области химии.

В книге в главе I излагаются основные понятия и единицы измерения в дозиметрии ионизирующего излучения. В ней рас­ сматриваются различные виды излучения (фотонное, электронное, потоки тяжелых заряженных частиц, нейтронное и др.), а также особенности взаимодействия его с веществом. В главе II описыва­ ются источники ионизирующих излучений (изотопные источники, ускорители, рентгеновские трубки и т. п.), применяемые в ради­ ационной химии. В главе III дается сжатая характеристика ис­ пользования физических методов дозиметрии (калориметрических, ионизационных и т. д.) химиками-радиационниками.

В радиационной химии доза, как правило, измеряется химиче­ скими методами. Поэтому им посвящена большая часть книги. В главе IV приводятся основные положения химической дози­ метрии и методики различных дозиметрических расчетов. Глава V представляет собой обзор дозиметрических систем, являющихся водними растворами. Значительное место отводится здесь ферросульфатной дозиметрической системе (дозиметру Фрикке), широко применяемой в радиационной химии, радиобиологии и некоторых других областях науки. Подробно обсуждаются цериевый и глюкозный дозиметры, дозиметры на основе водных растворов бихро­ мата калия, щавелевой кислоты, бензола и многие другие.

В главах VI, VII и VIII обобщаются сведения о применении соответственно органических жидкостей, газов и твердых тел в ка­ честве дозиметрических систем. В них детально описываются дози­

3

ВВЕДЕНИЕ

Радиационная химия изучает химические превращения ве­ ществ под действием излучений высокой энергии. Зародилась она в конце XIX в. в результате открытия рентгеновских лучей и яв­ ления радиоактивности. Развитие ее сначала шло медленными тем­ пами. Однако во время второй мировой войны (в 1942 г. радиа­ ционная химия получила свое название) и после нее развитие этой области физической химии достигло существенного прогресса в связи с возникшими потребностями атомной энергетики и техно­ логии. В данный период радиационная химия выполняла преиму­ щественно вспомогательные функции. Ей необходимо было дать от­ вет на многочисленные вопросы, которые ставились перед ней атомной промышленностью. В число этих вопросов входили ра­ диационная стойкость различных материалов, используемых в реакторостроении, радиолитические превращения в системах, при­ меняемых в технологии выделения ядерного горючего, и т. п. Ра­ диационная химия успешно отвечала на эти вопросы.

К настоящему времени радиационная химия стала самостоя­ тельной областью науки. Здесь сделаны многие крупные откры­ тия, имеющие общехимическое значение. Существенным достиже­ нием явились также разработка и внедрение в промышленность ряда радиационно-химических процессов. Тем самым мы стали сви­ детелями зарождения радиационно-химической технологии.

Сейчас радиационно-химические исследования проводятся во многих странах. При этом используются разнообразнейшие источ­ ники излучений высокой энергии, способные создавать самые раз­ личные диапазоны доз и мощностей доз. Естественно, успех лю­ бого исследования в области радиационной химии зависит в пер­ вую очередь от того, насколько правильно и точно определены доза и мощность дозы. Дозиметрия — это количественный аспект радиационной химии, и каждый радиационно-химический экспе­ римент начинается с измерения дозы.

Втабл. 1 приведены диапазоны доз, с которыми сталкиваются

внекоторых областях науки и техники [1J. Эти диапазоны мо­ гут быть измерены различными современными методами (табл. 2). Однако в радиационной химии и радиационно-химической техно­ логии, для которых характерно использование доз до 10®—1012рад, чаще всего применяются химические методы дозиметрии. Обус­ ловлено это главным образом тем, что они позволяют определять дозу непосредственно в реакционном сосуде, не прибегая к слож-

5 •

Т а б л и ц а 1

Диапазоны доз, используемые в различных областях науки и техники

ным расчетам. Кроме того, в данном случае величину дозы воз­ можно найти с помощью обычных химических операций.

Историю развития дозиметрии (в первую очередь химической дозиметрии) можно разделить на три периода [4]: ранний период (1900—1927 гг.), второй период (1927—1945 гг.) и современный период (начиная с 1945 г.).

Т а б л и ц а 2

Диапазоны доз, измеряемые различными методами [1—3]

Конец X IX в., как уже говорилось, ознаменовался открытием рентгеновских лучей и явления радиоактивности. Очень быстро эти открытия нашли широкое применение в медицинской практике (в диагностике и рентгено- и радиотерапии). Было установлено, что рентгеновское и радиоактивные излучения оказывают воздействие на процессы в человеческом организме. Поэтому возникла проблема измерения доз. поглощаемых живыми тканями. С этой целью стали предлагаться разнообразные химические дозиметры.

В 1902 г. Г. Хольцкнехт[5] описал «хроморадиометр», который представлял собой небольшие диски сплавленной смеси хлористого калия и соды. Эта смесь при действии рентгеновских лучей изме­ няла свой цвет. Несколько позже в качестве дозиметра потоков

6

этих лучей было рекомендовано использовать таблетки и пасты из платиносинеродистого бария [6, 7]. При облучении они изме­ няли свой цвет от светло-зеленого до темно-оранжевого. Степень изменения окраски зависела от количества поглощенной энергии излучения. Дозиметры на основе этого соединения находили при­ менение до второй мировой войны [8]. Однако описанные дози­ метрические системы обладали рядом существенных недостатков. В их состав входили элементы с высоким атомным номером. По­ этому их эффективный атомный номер существенно отличался от эффективного атомного номера мягких тканей человеческого тела, что при изменении длины волны излучения приводило к значи­ тельному различию в величинах энергий, поглощенных этими тка­ нями и дозиметрами. Кроме того, облученные таблетки или дис­ ки на свету довольно быстро цринимали свою первоначальную ок­ раску.

Некоторое применение находили в то время также фотографи­ ческие методы дозиметрии [9]. Величина поглощенной энергии оп­ ределялась по почернению фотобумаги или фотопластинок.

В1907 г. Г. Шварц [10] предложил «каломельный радиометр», представлявший собой водный раствор оксалата аммония и дву­ хлористой ртути. При действии рентгеновских лучей на этот рас­ твор наблюдалось образование каломели. Количество осадка или степень помутнения служили мерой поглощенной энергии.

Л. Фройнд [11] рекомендовал растворы йодоформа в хлоро­ форме в качестве дозиметра. Однако эти растворы чувствительны

кдействию света и тепла. Использование их усложнялось само­ произвольным окислением, отсутствием линейной зависимости количества превращения от величины дозы и зависимостью пока­ заний от энергии излучения.

В1910 г. У. Брэгг [12] высказал предположение о возможно­ сти измерения дозы и мощности дозы по ионизирующей способ­ ности излучений высокой энергии. Полная теория этого вопроса была дана в работах Л. Грея [13, 14] в 1929—1936 гг. Тем самым был сформулирован общеизвестный принцип Брэгга—Грея (см. стр. 87), ставший основой ионизационных методов дозиметрии излучений высокой энергии.

Выделение второго периода в самостоятельный этан развития дозиметрии вызвано главным образом тем, что в 1927—1929 гг.

H2SOj, насыщенный воздухом, для дозиметрии рентгеновских лу­ чей, а также прогрессом в области ионизационных методов. При действии излучения на указанный раствор Fe2+ окисляется в Fe3+. G(Fe3+), как можно рассчитать на основании эксперимен­ тальных результатов работ [15, 16], составляет примерно 18 ио­ нов /100 эв. Данные, приведенные в более поздней работе Г. Фрик­ ке и Э. Браунскомбе [20], показывают, что £?(Fe3+) = 16,4 иона/ /100 эв. Указанная концентрация была выбрана по той причине,

7

что массовый коэффициент поглощения рентгеновских лучей для этого раствора такой же, как и для воздуха [21]. Было найдено [16, 22], что начальный выход Fe3+ не зависит от концентрации ферросульфата в пределах от 10-6 до 10“2 М и что в процессе окис­ ления Fe2+ существенную роль играет кислород, присутствующий в растворе, а также величина pH. В 1932 г. Н. А. Шишаков [23] подтвердил возможность применения сернокислых растворов фер­ росульфата для дозиметрии рентгеновского излучения. Величина G(Fe3+), вычисленная из его экспериментальных данных, состав­ ляет около 16 ионов/100 эв. Позднее ферросульфатная дозиметри­ ческая система, часто называемая «дозиметром Фринке», исследо­ валась многими авторами. Сейчас она находит широкое приме­ нение в радиационной химии, радиобиологии и некоторых других смежных областях науки.

В 1928 г. П. Гюнтнер и др. [24] нашли, что при действии рент­ геновских лучей и у-лучей радия на хлороформ пли его насыщен­ ный водный раствор происходит образование соляной кислоты. Концентрация кислоты пропорциональна энергии, поглощенной системой.

В. Степстрём и А. Ломан [25—27] наблюдали обесцвечиван метиленового голубого в водном растворе под действием рентге­ новского излучения и рекомендовали использовать это явление для дозиметрии. Позже этот процесс исследовался В. Зейтцем [28] и К. Циммером [29]. Возможность применения смеси дву­ хлористой ртути и щавелевокислого калия для целей дозиметрии ионизирующих излучений изучалась в 1932 г. Э. В. Шнольским

иС. В. Платоновым [30].

Врассматриваемый период, благодаря большим успехам, до­ стигнутым в области радиоэлектроники, широкое распространение получили ионизационные методы дозиметрии, основанные, как отмечалось, на определении ионизации различных газов (главным образом воздуха) под действием излучения. Впедрепшо этих ме­ тодов в практику способствовало то обстоятельство, что эффектив­ ней атомный номер воздуха близок к эффективному атомному номеру мягких человеческих тканей. Вследствие распростране­ ния ионизационных методов внимание ученых к разработке про­ стых и надежных химических дозиметров значительно ослабло.

Даже ферросульфатная система, которая, как известно сейчас, во многих отношениях удовлетворяет требованиям идеальной дозиметрической системы, почти не использовалась в то время для определения величины дозы. Другая причина этого состоит в медленном развитии самой радиационной химии в данный период.

Более подробно методы дозиметрии в первые два периода рас­ смотрены в книгах [31—34].

Современный период, начавшийся после второй мировой войны, характеризуется интенсивной разработкой химических методов дозиметрии. Появление мощных источников ионизирующего из­ лучения, потребности ядерной энергетики и технологии, а также

8