Dozymetria promieniowania

Dokładna znajomość dawek energii dostarczanych do napromienianych układów ma podstawowe znaczenie dla obliczania wydajności i planowania procesów radiacyjnych. Określenie dawki pochłoniętej energii lub mocy dawki charakteryzującej pewien obszar pola radiacyjnego może być dokonane na podstawie obliczeń lub bezpośrednich pomiarów.

Z praktycznego punktu widzenia: większe znaczenie dla kontroli procesów radiacyjnych mają metody dozymetrii fizycznej i chemicznej. Szczególnie ważne są metody fizyczne oparte na jonizacji gazu w komorach pomiarowych, na zjawisku fotoelektrycznym lub wykorzystujące zmiany własności elektrycznych, np. oporności napromienianych półprzewodników. Przyrządy wyposażone w tego rodzaju detektory promieniowania pozwalają na ciągłą kontrolę mocy dawki podczas eksperymentów radiacyjnych i są wyjątkowo przydatne dla automatycznej kontroli pracy urządzeń radiacyjnych.

Istotne znaczenie w dozymetrii odgrywają metody chemiczne, które są powszechnie stosowane, również jako wzorce "wtórne" do skalowania dozymetrów elektrycznych. Metody chemiczne polegają na badaniu reakcji zachodzących pod wpływem promieniowania. Zwykle wybiera się też takie procesy radiacyjne, których produkty mogą być łatwo oznaczane analitycznie z dużą dokładnością. Roztwory dozymetryczne powinny być ponadto dość trwałe tak, żeby można było je przygotowywać odpowiednio wcześniej i używać przez dłuższy okres czasu, a także reakcje radiacyjne powinny kończyć się z chwilą przerwania napromieniania. Wydajność radiacyjna procesu dozymetrycznego nie powinna zależeć w większym stopniu od takich czynników jak: energia i typ promieniowania jonizującego, moc dawki, temperatura oraz obecność niewielkich domieszek substancji obcych.

Promieniowanie korpuskularne

Oprócz promieniowania elektromagnetycznego w chemii i technice radiacyjnej wykorzystywane jest również promieniowanie korpuskularne. W tej grupie promieniowań zdecydowanie największe znaczenie mają przyspieszone elektrony uzyskiwane w różnego typu akceleratorach. To szczególne miejsce promieniowania elektronowego wynika zarówno z korzystnych warunków jego wytwarzania jak i prostego mechanizmu przekazywania energii ośrodkowi. Znacznie mniejszą rolę odgrywa promieniowanie korpuskularne emitowane przez naturalne i sztuczne izotopy promieniotwórcze oraz cięższe cząstki naładowane przyspieszane w akceleratorach jonów, a także promieniowanie korpuskularne towarzyszące reakcjom jądrowym zachodzącym w reaktorach jądrowych.

Promieniowanie elektronowe uzyskiwane z akceleratorów jest zwykle monoenergetyczne, o energiach w zakresie od 0,5 MeV (80 fJ) do 13 MeV (2 pJ).

W ramach ćwiczeń laboratoryjnych student zapozna się z różnymi typami promieniowania stosowanymi w technologiach radiacyjnych i ich charakterystyką oraz z ogólnymi zasadami pracy z promieniowaniem jonizującym, różnymi metodami dozymetrii promieniowania jonizującego. Student nauczy się napromieniowywać próbki w bombie kobaltowej oraz za pomocą akceleratora elektronów, obliczać moc dawki.

Dozymetria promieniowania elektronowego - instrukcja

Co student powinien wiedzieć przed przystąpieniem do ćwiczenia.

Rodzaje promieniowania jonizującego - podobieństwa i różnice, podstawowe pojęcia i jednostki, dozymetria, dozymetr kalorymetryczny, dozymetr alaninowy, przebieg ćwiczenia, cel ćwiczenia.

Cel ćwiczenia:

Nabycie przez studenta ogólnej wiedzy o promieniowaniu jonizującym i metodach dozymetrii stosowanych w technologiach radiacyjnych oraz umiejętności pomiaru mocy dawki promieniowania elektronowego za pomocą dozymetrów kalorymetrycznego i alaninowego.

METODY

Dozymetria alaninowa

Jest metodą służącą do pomiaru dawki w różnych polach promieniowania. W wyniku napromieniania promieniami jonizującymi powstają w alaninie wolne rodniki (elektrony niesparowane), których ilość w znacznym zakresie jest proporcjonalna do pochłoniętej dawki. Krystaliczna struktura materiału dozymetru zapobiega tworzeniu się rekombinacji rodników. Związany z upływem czasu ubytek sygnału wytwarzanego w alaninie obserwuje się dopiero dla wartości dawki powyżej 3 kGy i wynosi on kilka procent w skali roku.

Nieniszcząca ocena sygnału pomiarowego indukowanego promieniami odbywa się w oparciu o metodę elektronowego rezonansu spinowego (ERP). Przy starannym wyregulowaniu spektrometru ERP oraz zastosowaniu właściwego dozymetru można określić wartości dawek w przedziale od 2 Gy do 200 kGy z granicą całkowitej niepewności na poziomie 3,5% (przy przedziale ufności wynoszącym 95%).

Dedykowany dozymetr alaninowy jest niewielki i łatwy w obsłudze. Charakteryzuje go niewielki wpływ temperatury, wilgotności powietrza oraz mocy dawki, a także szeroki zakres pomiaru. Dzięki tym zaletom znajduje on zastosowanie w radioterapii, urządzeniach do naświetlania krwi oraz przemysłowych instalacjach do napromieniania. Ten system dozymetryczny dzięki jego wysokiej jakości oraz niewielkim kosztom może być stosowany do celów dozymetrii porównawczej i programowej.

Dozymetria kalorymetryczna

Jest bezpośrednią metodą pomiaru dawki pochłoniętej. Kalorymetr jest standardowo przeznaczony do dwóch celów: a/ ustalenia akceleratorowych parametrów wiązki elektronowej, potrzebnych do uzyskania odpowiedniej dawki stosowanej w obróbce radiacyjnej, a zwłaszcza sterylizacji sprzętu medycznego, b/ kalibracji innych dozymetrów, przeznaczonych do stałej kontroli procesów napromieniania, w szczególności dozymetrów foliowych. Proste dozymetry kalorymetryczne zawierają określoną objętość wody, inne komercyjnie dostępne są zbudowane z materiałów stabilnych w polu promieniowania jonizującego, np. z grafitu.

Prawie cała energia promieniowania zaabsorbowana w danym środowisku w końcu degraduje się do ciepła. Jeśli absorbujące środowisko jest odizolowane od otoczenia, to wzrost temperatury środowiska jest proporcjonalny do pochłoniętej energii. Do obliczania dawki pochłoniętej promieniowania jonizującego wykorzystuje się zależność: D = k · ΔT, gdzie k równa się sumie iloczynów mas i ciepeł właściwych poszczególnych elementów kalorymetru przez sumaryczną masę absorbująca promieniowanie, a ΔT jest róznicą temperatury przed
i po napromieniowaniu.

D = ΔE/m = (Σ(m_ic_i) · ΔT)/ Σm_i

gdzie:

ΔE - suma iloczynów mas i ciepeł właściwych poszczególnych elementów kalorymetru

ΔT - zmiana temperatury w wyniku absorpcji energii

m_i - masa elementu kalorymetru

c_i - ciepło właściwe

Znając charakterystykę temperaturowo-rezystancyjną danego układu kalorymetrycznego, możliwe jest zastąpienie pomiarów zmian temperatury pomiarami oporności układu. Zależność temperaturowo-rezystancyjna termistora w szerokim zakresie dawek jest nieliniowa i można ją zlinearyzować we współrzędnych półlogarytmicznych: log R = f (1/T).

Dozymetr kalorymetryczny (używany w MITR) składa się z: obudowy izolującej, szalki z wodą, termistora (układu do pomiaru oporności).

Kalorymetr nr 5	mi - masa	ci - ciepło właściwe
		[g]	[cal/g · K]
Woda	69	0,998
Szalka	18,7	0.335
Termistor (elementy metalowe)	1,25	0.12

PRZEBIEG ĆWICZENIA

Po zapoznaniu się z procedurą wykonania ćwiczenia należy skompletować sprzęt, sprawdzić lokalizację aparatury, wyjaśnić z prowadzącym ewentualne wątpliwości i przystąpić do wykonania ćwiczenia.

Sprzęt i aparatura

Dozymetr alaninowy: tabletki, paski

Dozymetr kalorymetryczny

Miernik oporności

EPR dedykowany do pomiaru dozymetrów alaninowych (Brooker), przystawka do pasków, przystawka do tabletek

Źródło promieniowania - akcelerator elektronów (MITR)

Rys. Schemat akceleratora elektronów w MITR PŁ.

Wykonanie ćwiczenia

Procedura wykonania ćwiczenia: pomiar dawki za pomocą dozymetru kalorymetrycznego i alaninowego.

1. Umieścić paski i tabletki dozymetru na dozymetrze kalorymetrycznym - od strony wiązki padającej i wychodzącej Zmierzyć oporność kalorymetru za pomocą miernika.

2. Umieścić kalorymetr przed oknem akceleratora w odpowiedniej pozycji w osi wiązki: odległość od okna 160 cm, wysokość 112 cm.

3. Zachowując szczególną ostrożność napromienić kalorymetr wiązką elektronów przez jedna minutę - ustawienia akceleratora zaprogramowane przez obsługę.

4. Wyjąć kalorymetr z pomieszczenia akceleratora i zmierzyć jego oporność za pomocą miernika.

5. Zmierzyć dawkę na dozymetrach alaninowych za pomocą dedykowanego urządzenia EPR.

6. Powtarzać procedurę z punktów 1 - 5.

OPRACOWANIE WYNIKÓW

1. Wyniki pomiarów zestawić w tabeli

Czas napromieniowania T	Dawka zmierzona dozymetrem alaninowym		Oporność Ri	Różnica oporności Ri - Ri-1
		DA przód			DA tyl

2. Opisać i przedstawić na wykresie (schematycznie) zależność pochłaniania energii od głębokości materiału, oszacować zasięg elektronów przyspieszonych o energii 6 MeV w wodzie, odnosząc się do terminu „LET” określić w jakiej odległości od powierzchni wody (ΔL) zostaje zdeponowana największa ilość energii (ΔE), rozważyć dawkę `powierzchniową'.

3. Znając ciepła właściwe oraz masy poszczególnych elementów dozymetru kalorymetrycznego obliczyć i zestawić w tabeli przyrosty temperatury przy kolejnych dawkach wyznaczonych za pomocą dozymetru alaninowego (D_A); przyjąć temperaturę początkową kalorymetru 21^oC.

4. Zastawić wyniki na wykresie D_A - f(t) i na podstawie wyników pomiaru dawek dozymetrem alaninowym obliczyć moc dawki.

5. Zastawić wyniki na wykresie (jednym) R - f(D_A) oraz T - f(D_A), spróbować powiązać ΔT z ΔR.

6. Na podstawie wartości dawek zmierzonych za pomocą dozymetru alaninowego, jeżeli się da, wyznaczyć stałą kalorymetru D = k · ΔT oraz D = k · ΔR.

LITERATURA

[1] Technika radiacyjna, pod redakcją J. Kroh, WNT, Warszawa, 1971.

[2] Wybrane zagadnienia z chemii radiacyjnej, pod redakcją J. Kroh, PWN, Warszawa, 1986.

[3] Broszkiewicz R., Chemiczne metody dozymetrii promieniowania jonizującego, WNT, Warszawa, 1971.

[4] Człowiek i promieniowanie jonizujące, pod redakcją A. Hrynkiewicz , PWN, Warszawa, 2001.

[5] Karolczak S., Hodyr K., Łubis R. and Kroh J., Pulse radiolysis system based on ELU-6e linac. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Articles, 101(2), 177-188, 1986

[6] Karolczak S., Hodyr K. and Połowiński M., Pulse radiolysis system based on ELU-6e linac - II. Development and upgrading the system. Radiation Physics and Chemistry, 39(1), 1-5, 1992

4

---