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

Г л а в а VIII

ДОЗИМЕТРЫ НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

При действии ионизирующего излучения на твердые тела в них в зависимости от природы происходят различные превраще­ ния: изменяется окраска, возникают парамагнитные частицы, появляется способность светиться при нагревании и т. д. Эти превращения находят широкое применение в дозиметрии.

Из числа дозиметров па основе твердых тел наибольшее рас­ пространение получили полимеры, галогениды щелочных и ще­ лочноземельных металлов, стекла. Чаще всего в целях дозиметрии используются следующие явления, происходящие с ними в ре­ зультате облучения: окрашивание, обесцвечивание, радиофото­ люминесценция (свечение при действии света), радпотермолюми-

Т а б л и ц а 51

Характеристики цаиболее распространенных твердых дозиметрических систем

219

несценцпя (свечеппе прп пагревапип), деградация люминесцен­ ции (уменьшение интенсивности свечения некоторых люмино­ форов). В табл. 51, составленной по данным Г1|, приведены общие характеристики некоторых распространенных дозиметров на ос­ нове твердых тел.

Отметим, что в настоящее время дозиметры на основе стекол

икристаллов относят к так называемым твердофазным дозиметрам,

иметод измерения дозы с пх помощью есть один из физических методов дозиметрии. Полимерные дозиметры рассматриваются

обычно как химические дозиметры.

1. Полимеры

Применению полимеров в целях дозиметрии ионизирующих излучений посвящена обширная литература [2—158J. Из нее следует, что практически все обычные полпмеры — полиметил­ метакрилат, поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол и т. п .— могут служить в качестве дозиметрических систем.

Известны полимерные дозиметры различных типов: твердые полимеры в виде пластинок, цилиндров п т. и. (как с добавками, так и без них), полимерные пленки, окрашенные полимерные пленки, жидкие полимеры и растворы полимеров. Особенно часто для дозиметрии используется свойство ряда полимеров изменять оптические спектры поглощения в ультрафиолетовой и видимой областях под действием ионизирующего излучения. При этом, как правило, имеет место линейная зависимость между измене нием оптической плотности и величиной дозы. Доза может быть найдена измерением и других превращений, происходящих в не­ которых полимерах при облучении: путем определения вязкости раствора облученного полимера (полиметилметакрилат, полиизо­ бутилен), увеличения поверхности полимерных пластинок (поли­ этилен), концентрации свободных радикалов, возникших при

В табл. 52 приведены характеристики некоторых дозиметри­ ческих систем рассматриваемого типа. Как видно из таблицы, эти системы могут служить для нахождения больших доз.

Дозиметры на основе полимеров, несмотря на многие достоин­ ства, имеют ряд недостатков. Во-первых, нх показания зависят от сорта пластмассы. Промышленные сорта многих полимеров содер­ жат пластификаторы, примеси мономеров и т. п. Естественно, это оказывает влияние на результаты определения дозы. Поэтому для точных измерений необходимо осуществлять калибровку каждой партии используемого промышленного полимера или же синтези­ ровать полимер в лаборатории. Во-вторых, для некоторых облу­ ченных полимеров характерны пост-эффекты. В частности, это на­ блюдается в случае полиметилметакрилата, полистирола и полиэтилентерефталата.

220

Т а б л и ц а 52

Характеристики полимерных дозиметрических систем

мера раствором NaOH

*1 В продажу этот полимер поступает под названиями: плексиглас (англ. — Plexiglass), лтоцит (англ.— Luctte), перспекс (англ. — Регзрех) и метаплекс (англ. — Metaplex).

В настоящее время в дозиметрии ионизирующих излучений широкое применение находят пленки различных полимеров (так называемые пленочные дозиметры). Чаще всего они используются для определения доз излучений с малой проникающей способ­ ностью и для нахождения пространственного распределения пог­ лощенной энергии. Отметим, что показания некоторых дозимет­ ров на основе полимеров мало зависят от величины ЛПЭ. Другая область применения пленочных дозиметров состоит в использова­ нии их в радиационных процессах в качестве дозиметров-инди-

Рнс. 72. Зависимость разности оптической плотности ДS три­ ацетатной пленки от дозы D при различных длинах волн

каторов дозы. Для контроля таких процессов необходимы прос­ тые и надежные средства определения степени облучения изде­ лия. С этой целью полоски полимерных пленок, которые предва­ рительно прокалиброваны, помещаются в каждую упаковку или наклеиваются на каждое облучаемое изделие. Обычно здесь ис­ пользуются пленки, содержащие красители, и о величине дозы судят по изменению окраски.

Приведем два примера. За границей при радиационной сте­ рилизации лекарственных препаратов и медицинского оборудо­ вания используются индикаторы «Мегараи» (Венгрия). Эти ин­ дикаторы при определенной дозе меняют цвет с зеленого на крас­ ный. Г. Н. Пьянков и др. [143] для нахождения оптимальных ре­ жимов радиационного модифицирования полиэтиленовых изде­ лий на Броварском заводе пластмасс применяли в качестве дози­

ческие характеристики пленок триацетата целлюлозы. В своих опытах они использовали промышленную непластифицированную пленку, а также пленки, изготовленные в лаборатории. Было найдено, что показания не зависят от мощности дозы у-излуче- ния в изученном диапазоне (от 10 до 2,5■ 103 рад!сек). Пленки

пригодны для измерения доз электронов при мощностях дозы до 2 • 107 рад!сек. Для одной и той же дозы изменение оптической

плотности тем больше, чем короче длина волны, которая выбрана для оптических измерений (см. рис. 72). Варьирование интервала определяемых доз производится также применением пленок раз­ личной толщины.

223

Для нахождения пространственного распределения поглощен­ ной энергии 7 -излучения U0Co А. М. Кабакчи и сотр. 123] пред­

лагают помещать пленку триацетата целлюлозы между пластин­ ками пояиметилметакрнлата. Пластинки необходимы для соб­ людения условий электронного равновесия. Эта система затем ориентируется в любом выбранном направлении дозного поля. После облучения оптическая плотность измеряется по всей длине пленки. Пленки можно использовать и для определения простран­ ственного распределения поглощенной энергии в случае электро­ нов.

Согласно [8 , 18, 19], пленки из поливинилхлорида пригодны для определения доз в диапазоне 0,5— 6 Мрад. Метод измерения

пространственного распределения дозы с помощью пленок из этого полимера предложен в работе [19]. Как следует из работы [132], максимальное значение дозы, которое можно определить с помощью таких пленок, колеблется от 2,5 до 6 Мрад в зависи­

мости от сорта полимера.

Многие авторы [32, 39, 47, 48, 53, 54, 8 6 , 87, 102, 110—122,

131,133,135,137,143,144,146,149,153,153а] рекомендуют исполь­ зовать для дозиметрии полимеры с различными добавками. Чаще всего такими добавками являются красители или их лейкооснования. В этом случае о величине дозы судят по изменению окрас­ ки. Полимеры обычно применяют в виде пленок. В табл. 53 при­ ведены дозиметрические характеристики некоторых полимерных пленок с добавками.

Из числа подобных систем хорошо зарекомендовали себя цел­ лофановые пленки, содержащие красители [32, ИЗ]. Согласно [113], диметоксидифенил-диазо-бис-8-амино-1-пафтол-5,7-дисуль- фоновая кислота, введенная в целлофан, отличается высокой ста­ бильностью при хранении и почти не подвергается воздействию света, тепла и изменения pH. Пленки не изменяют своих оптичес­ ких свойств при хранении в темноте в течение двух лет. При об­ лучении краситель необратимо обесцвечивается. Степень обесцве­ чивания, которая пропорциональна дозе, измеряется на спектро­ фотометре при длине волны 655 нм.

Рассматриваемый дозиметр можно использовать для определе­ ния доз в диапазоне 105 —101рад. К. Уиллис и др. [118] нашли,

что эти пленки пригодны и для дозиметрии импульсного электрон­ ного излучения (см. главу IX).

По данным работы [53], отечественный промышленный зеле­ ный целлофан характеризуется неравномерным распределением красящего вещества. Поэтому для проведения дозиметрии необ­ ходимо отбирать участки пленки с примерно одинаковой опти­ ческой плотностью.

Пленки из поливинилхлорида, содержащие метиловый фио­ летовый, были рекомендованы для дозиметрии Э. Хенлеем и А. Миллером [111]. Р. Вейл и Дж. Фаррелл [119] взяли патент на дозиметр-указатель дозы, представляющий собой пленку га-

224

,

Метиловый оранжевый Изменение интенсивности от­ До ~ (1,5—2). 10' [146] раженного света при 536 или

584 н м

* Дозиметрические характеристики окрашенных пленок полиэтилеитерефталата и регенерированной целлюлозы, выпускаемых отечествен­ ной промышленностью, приведены в работах [140, 152]. В частности, с помощью полиэтилентерефталатных пленок можно измерять дозы до 100—300 М рад ._____________________________________________ _____ _________________________________ _______ __

логенсодержащего полимера плп сополимера вппилхлорида и винилиденхлорида с добавкой чувствительного к кислотам красисителя (диметпловый желтый, тимоловый синий, коыго красный и т. п.). При облучении из полимера выделяется кислота, которая вызывает изменение цвета красителя. Сходны дозиметры, запа­ тентованные в Японии и Дании [121, 122].

С. Мацумото и Т. Цукада [121] разработали дозиметр на о нове сополимера винилхлорида и винилацетата пли полпвинилидеихлорида с добавкой 3,3,5,5-тетрабромкрезолсульфофталеина

и?г-диметиламиноазобензола. Он изготовляется в виде таблеток.

Взависимости от дозы эти таблетки имеют следующий цвет (дозы в радах указаны в скобках): голубовато-зелепый (0 ); жел­

то-зеленый (10й); темпо-зелепый (5- 10й); желто-красный (105);

оранжево-красный (5-105) и красный (1 0 °).

В дозиметре, предложенном Н. Хольмом и Дж. Маулем [122], красителем является метилоранж. Прп облучении его окраска переходит из желтой в краспую. Несколько отличается принцип действия полимерного дозиметра, запатентованного К. Пфёртиером [120]. Этот дозиметр представляет собой прозрачный полимер (например, виниловый полимер или полиэфирную смолу), содер­ жащий галогенироваппый углеводород (СИВг3, СН.Т3 и т. п.) или неорганическое вещество (JBr, ,ТС1, IIgCl2 и т. п.) и лейкооснова-

ние красителя. При облучении галогеисодержащее вещество раз­ лагается, лейкооспованпе окисляется, и дозиметр приобретает окраску.

Как было обнаружено Г. Тзплппым и К. Молином [117], с помощью твердого поливинилового спирта, окрапюппого тетразолом сипим, можно определять дозы в диапазоне от 1 0 5 до 1 0 °

рад. Дозиметрические характеристики пленок из поливинилового спирта, содержащих метиленовый голубой, были детально изу­ чены А. М. Кабакчп и сотр. [39, 54]. При облучении этих пленок краситель обесцвечивается, и доза измеряется по умепьтеншо оп­ тической плотности при 660 нм. При действии у-лучей 00Со ра­ диационно-химический выход обосцвечпвапия метиленового го­ лубого равеп 1,8 молек./100 эв. Пленки пригодны для определе­

(исследовался диапазон от —196 до 50° С). Цитированные авторы рекомендуют использовать эти пленки и для нахождения прост­

10_ 3 М водного раствора метиленового голубого выливается на

горизонтально установленную стеклянную пластинку размером 60 X 31 см2, защищенную от попадания пыли. Через 5—7 суток при комнатной температуре большая часть воды испаряется, и пленка легко отделяется от стекла. Пленка затем выдерживается

228