Laboratorium chemii i technologii radiacyjnej polimerów

Ćwiczenie 2

Dozymetria promieniowania przyspieszonych elektronów - dozymetr alaninowy i kalorymetryczny

Wstęp teoretyczny

Promieniowanie jonizujące wywołuje zmiany w ładunkach elektrycznych w obojętnych atomach i cząsteczkach materii, czyli powoduje ich jonizację. Może to prowadzić do rozrywania wiązań chemicznych.

Promieniowanie jonizujące może mieć postać nie tylko promieniowania elektromagnetycznego (promieniowanie X, gamma), ale także korpuskularnego (cząstki , , neutrony).

Promieniowanie korpuskularne oddziałuje z materią w ten sposób, że cząstki będące nośnikami energii, obdarzone ładunkiem elektrycznym, poprzez siłę kulombowską oddziałują w sposób ciągły z elektronami obecnymi w środowisku, przez które przechodzą.

Pomiarami dawek promieniowania jonizującego oraz aktywności preparatów promieniotwórczych zajmuje się dozymetria. Do pomiarów dozymetrycznych służą dozymetry, czyli urządzenia będące odpowiednio wyskalowanymi detektorami promieniowania jonizującego.

Dozymetr alaninowy

Częstym skutkiem napromieniania ciał stałych jest generacja centrów paramagnetycznych (często są to rodniki). W wielu substancjach centra te są bardzo trwałe, a ich stężenie jest liniową lub w przybliżeniu liniową funkcją dawki pochłoniętej. Selektywną i bardzo czułą metodą badania centrów paramagnetycznych jest metoda EPR (elektronowy rezonans paramagnetyczny). W dozymetrii najczęściej wykorzystuje się spektrometry pracujące w paśmie X.

Najczęściej stosowaną do zastosowań dozymetrycznych substancją czujnikową jest mikrokrystaliczna α-alanina. Przyjmuje się, że głównym centrum paramagnetycznym odpowiedzialnym za trwały sygnał EPR jest rodnik CH₃C^•HCOO^-.

Do pomiarów dozymetrycznych nadają się wszystkie izomery α-alaniny. Ze względów ekonomicznych w technologii wykorzystuje się racemat. W medycynie stosuje się optycznie czynny izomer L, mimo, iż jest on kilkakrotnie droższy.

Choć wartości wydajności radiacyjnej powstawania trwałych centrów paramagnetycznych są identyczne dla wszystkich izomerów, L-α-alanina charakteryzuje się nieco większą czułością (odmienna sieć krystalograficzna wpływa na kształt widma EPR, dając w rezultacie trochę większą amplitudę linii centralnej).

Przy zadanych parametrach pomiarowych i dla konkretnego spektrometru amplituda sygnału jest proporcjonalna do dawki promieniowania jonizującego pochłoniętej w kształtce dozymetrycznej (dozymetrze).

Dozymetria alaninowa należy do względnych metod dozymetrycznych, tzn., że do obliczenia dawki konieczne jest zastosowanie krzywej kalibracyjnej, tj. zależności amplitudy sygnału EPR od dawki pochłoniętej zmierzonej dozymetrem o charakterze absolutnym lub dozymetrem referencyjnym. W dostępnych w sprzedaży dozymetrach alaninowych obliczeń na podstawie krzywej kalibracyjnej dokonuje oprogramowanie komputerowe.

Sygnał dozymetryczny generowany w α-alaninie jest bardzo trwały (lata) i może być wielokrotnie mierzony bez wpływu na wynik pomiaru. W przypadku promieniowania o zbliżonym LET (liniowe przekazywanie energii) wartość sygnału nie zależy od mocy dawki i typu promieniowania. Dozymetr alaninowy jest odporny na warunki środowiskowe oprócz bardzo intensywnego naświetlania i wysokiej wilgotności. Wrażliwość na te czynniki uzależniona jest od typu dozymetru.

Dozymetry alaninowe produkowane są w postaci saszetek, tabletek lub pasków. Saszetki stanowią rozwiązanie raczej prymitywne, powodują konieczność ważenia, są podatne na utratę sygnału w razie zawilgocenia, dlatego w technologii stosowane są rzadko.

Lepszym rozwiązaniem są tabletki zawierające alaninę i lepiszcze, jednakże ich wadą jest rozrzut mas (tym większy, im tańszy dozymetr). Dla uzyskania poprawnego wyniku pomiaru konieczne jest więc ważenie każdego dozymetru i wprowadzanie poprawek. Zwiększa to praco- i czasochłonność oraz podwyższa koszty metody. Ponadto tabletki alaninowe są mało odporne na wilgoć. Osiągnięcie wysokiej dokładności pomiaru wymaga długotrwałego kondycjonowania i/lub stosowania indywidualnych, szczelnych osłon.

Znacznie wygodniejsze w użyciu są dozymetry z mikrokrystaliczną α-alaniną unieruchomioną w polimerze, najczęściej w postaci pasków. Ich podstawową zaletą jest duża odporność mechaniczna oraz mniejsza wrażliwość na czynniki atmosferyczne.

Zastosowanie właściwego dozymetru i staranne wyregulowanie spektrometru ERP pozwala na pomiar dawek od 2 Gy do 200 kGy.

Dozymetr kalorymetryczny

Wygodną metodą pomiaru dawki promieniowania elektronowego jest metoda kalorymetryczna, która wyróżnia się swoim absolutnym charakterem, opartym na termodynamice degradacji energii pochłoniętego promieniowania jonizującego w ciepło.

Jeśli w materiale stosowanym w kalorymetrze nie zachodzi wtórne wypromieniowanie znaczącej części energii pierwotnego promieniowania ani jej akumulacja w przemianach fizykochemicznych (np. straty promieniowania hamowania, odwrotne rozpraszanie elektronów, przemiany fazowe, radiofotoluminescencja, przemiany struktury krystalicznej czy radioliza), to zgodnie z drugim prawem termodynamiki pochłonięta energia ulegnie nieodwracalnej degradacji do ciepła, wywołując tym samym określony wzrost temperatury układu kalorymetrycznego.

,

gdzie k jest sumą iloczynów masy i ciepła właściwego dla każdego elementu układu.

Wzrost temperatury można zmierzyć termoparą lub termistorem.

Jeśli znamy charakterystykę temperaturowo-opornościową stosowanego układu kalorymetrycznego, pomiar temperatury układu można zastąpić pomiarem oporności.

Układ kalorymetryczny nie wymaga kalibracji, jeżeli ciepło właściwe stosowanych w kalorymetrze materiałów jest dobrze znane, łącznie z jego poprawką temperaturową, a parametry wymiany ciepła z otoczeniem są określone wystarczająco dokładnie.

Zasięg elektronów w napromienianym materiale zależy od ich energii i w praktyce przemysłowej decyduje o maksymalnej grubości warstwy sterylizowanych wyrobów, która, obok mocy wiązki, jest podstawowym parametrem technologicznym w obróbce radiacyjnej. Do celów przemysłowych stosuje się promieniowanie elektronowe o energii ≤ 10 MeV, aby całkowicie wyeliminować możliwość wzbudzania radionuklidów promieniotwórczych w wyniku reakcji fotojądrowych.

Intensywność pierwotnych zjawisk fizycznych takich jak jonizacja czy wzbudzenie opisywana jest funkcją liniowego przenoszenia energii LET (Linear Energy Transfer):

LET wyraża ilość energii ΔE, jaką cząstka traci na jednostce drogi Δl.

Energia pochłaniana przez napromieniane ciało zależy więc od grubości warstwy, przez którą przenika promieniowanie. Równocześnie zasięg promieniowania w materiale zależy od energii tego promieniowania.

Dla elektronów o energii 5 MeV wartość LET wynosi 0,21 keV/μm (źródło: http://www.mif.pg.gda.pl/homepages/paw/radio_wyklad4.pdf) , zatem:

Dawka pochłaniana na powierzchni wody jest dawką maksymalną jedynie w przypadku promieniowania rentgenowskiego. Dla innych rodzajów promieniowania największa ilość energii jest pochłaniana w pewnej odległości od powierzchni. Odległość ta zależy od rodzaju promieniowania i jego energii.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było poznanie metod dozymetrycznych poprzez zmierzenie dawki promieniowania elektronowego za pomocą dozymetru alaninowego i kalorymetrycznego.

Wykonanie ćwiczenia

Od strony wiązki padającej i wychodzącej strumienia przyspieszonych elektronów z przodu i z tyłu dozymetru kalorymetrycznego umieszczono po jednej tabletce i jednym pasku alaninowym (dozymetr alaninowy). Zmierzono oporność kalorymetru za pomocą miernika, po czym kalorymetr z dozymetrami alaninowymi umieszczono przed oknem akceleratora w odpowiedniej pozycji w osi wiązki tzn. w odległości 206 cm i na wysokości 112 cm. Przeprowadzano napromienianie kalorymetru wiązką elektronów przez jedną minutę w sposób impulsowy (czas trwania impulsu 4 μs, częstotliwość impulsów 20 Hz), po zakończeniu którego urządzenie zabrano z pomieszczenia akceleratora i zmierzono jego oporność za pomocą miernika oraz dawkę na dozymetrach alaninowych za pomocą dedykowanego urządzenia EPR. Po pomiarze te same dozymetry alaninowe w postaci pasków umieszczono na pierwotnym miejscu na kalorymetrze i przeprowadzono w sposób analogiczny całą procedurę po kolejnych czasach napromieniania równych: 1 min, 1 min, 1 min, 1,5 min, 1,5 min. Po ostatnim napromieniowaniu dozymetrów zmierzono dawkę na dozymetrach tabletkowych również za pomocą urządzenia EPR.

Dodatkowo, ostatnim etapem doświadczenia było napromienianie taką samą wiązką elektronów kawałka marmuru.

Opracowanie wyników

Tabela 1. Wyniki pomiarów dawki pochłoniętej przez dozymetr alaninowy oraz oporności dozymetru kalorymetrycznego dla różnych czasów napromieniania

t [min]	D [kGy]		Ri [kΩ]	ΔRi = Ri - Ri-1 [kΩ]	ΔT [K]	T = T0 + ΔT [ºC]
		DA przód					DA tył
0	0	0	21,8	0	0	21
1	3,06	2,77	20,9	0,9	0,82	21,82
2	5,85	5,17	20,1	0,8	1,56	22,56
3	8,8	7,18	19,4	0,7	2,26	23,26
4	10,31	8,38	18,8	0,6	2,64	23,64
5,5	14,19	11,35	17,9	1,1	3,60	24,60
7	18,03	14,31	17,1	0,8	4,56	25,56

Do pomiaru dawki zastosowano również dozymetr alaninowy w postaci tabletek, jednakże ze względu na różnice względem wyników dla pasków alaninowych, tabletek nie brano pod uwagę w dalszych obliczeniach.

Dawki pochłonięte przez tabletki alaninowe umieszczone z przodu i z tyłu dozymetru kalorymetrycznego wyniosły odpowiednio 19,6 i 15,92 kGy.

Na podstawie parametrów dozymetru kalorymetrycznego obliczono przyrosty temperatury przy kolejnych dawkach wyznaczonych za pomocą dozymetru alaninowego (średnia z pomiaru dawki z przodu i z tyłu dozymetru kalorymetrycznego).

Przykładowe obliczenia

Na podstawie pomiarów dawek zmierzonych dozymetrem alaninowym sporządzono wykresy zależności dawki od czasu naświetlania.

Za pomocą metody najmniejszych kwadratów wyznaczono moc dawki (współczynnik kierunkowy w równaniu prostej).

M_przód = 2,624 kGy/min = 43,73 Gy/s

M_tył = 2,112 kGy/min = 35,20 Gy/s

Na podstawie pomiarów oporności dozymetru kalorymetrycznego i obliczonych wartości temperatury sporządzono wykresy zależności oporności oraz temperatury w funkcji dawki pochłoniętej.

Stałą temperaturową i opornościową dozymetru kalorymetrycznego wyznaczono metodą najmniejszych kwadratów przy pomocy programu Excel (odwrotność współczynników kierunkowych odpowiednich prostych).

k_T = 3543,2 Gy/ºC

k_R = -3372,3 Gy/kΩ = - 3,37 Gy/Ω

Uzyskane zależności R = f(D) i T = f(D) są liniowe w badanym zakresie. Symetryczne położenie prostych pozwala wnioskować, że wartości oporu i temperatury są ze sobą powiązane. W celu zbadania charakteru tej zależności sporządzono wykres R = f(T).

Uzyskana zależność jest liniowa w badanym zakresie. Wartość oporu dozymetru kalorymetrycznego można powiązać z jego temperaturą równaniem:

R [kΩ] = -1,0468 · T [ºC] + 43,721.

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów można stwierdzić, że na wielkość dawki pochłoniętej przez materiał, przez który przechodzi promieniowanie jonizujące stanowiące strumień elektronów, wpływa rodzaj materiału oraz odległość od źródła promieniowania, czego można było się spodziewać. Dawka pochłonięta przez materiał napromieniany od strony, z której pada promieniowanie, jest większa niż od strony, gdzie wychodzi ono z materiału. Dzieje się tak na skutek pochłonięcia elektronów przez ten materiał.

Moc dawki promieniowania zmierzona dozymetrem alaninowym w postaci pasków wyniosła od strony padania wiązki promieniowania 43,73 kGy/s, a od strony jej wychodzenia z materiału 35,20 kGy/s. Zatem i moc dawki pochłoniętej przez materiał jest większa od strony padania promieniowania niż od strony jego wychodzenia z materiału. W związku z tym w przypadku sterylizacji żywności czy materiałów medycznych przy zastosowaniu promieniowania w postaci przyspieszonych elektronów należy pamiętać, by opakowania z tymi materiałami obracać w stosunku do źródła promieniowania tak, by materiał w całej swojej objętości otrzymał taką samą dawkę.

W badanym zakresie wraz ze wzrostem dawki pochłoniętej przez materiał, a zatem wraz z wydłużeniem czasu napromieniowywania lub mocy dawki następuje obniżenie oporności wody (znajdującej się w dozymetrze kalorymetrycznym) oraz wzrost jej temperatury w sposób liniowy. Wyznaczona stała temperaturowa dozymetru kalorymetrycznego wyniosła 3543,2 Gy/°C, a stała opornościowa -3,37 Gy/Ω. Opór i temperatura wody zawartej w dozymetrze kalorymetrycznym zmienia się pod wpływem promieniowania jonizującego w postaci wiązki przyspieszonych elektronów, w sposób powiązany ze sobą, a mianowicie obniżenie oporu wody następuje liniowo wraz ze wzrostem jej temperatury.

Wg informacji umieszczonej na dozymetrze kalorymetrycznym, dawka objętościowa pochłonięta przez urządzenie zależy od temperatury następująco: D_obj = 0,3542 · ΔT [Mrad]. Zatem wartość k_T wynosi:

k_T = 0,3542 Mrad/ºC = 0,3542 · 1 000 000 · 0,01 Gy/ºC = 3542 Gy/ºC

Widać zatem, że wartość k_T w niniejszym ćwiczeniu została wyznaczona prawidłowo.

Rozbieżność wartości dawki pochłoniętej zmierzonej za pomocą pasków i tabletek alaninowych mogła być spowodowana rozrzutem mas tabletek. Dokładność wyników mogłoby poprawić zważenie każdej i wprowadzenie poprawek. Ponadto tabletki alaninowe są mało odporne na wilgoć. W celu osiągnięcia wysokiej dokładności pomiaru tabletki powinny być kondycjonowane lub posiadać indywidualne, szczelne osłony.

Marmur naświetlany wiązką szybkich elektronów przez pewien czas emituje światło. Można więc wnioskować, że energia pochłonięta przez materiał nie jest zamieniana tylko na ciepło, jak w przypadku dozymetru kalorymetrycznego, ale częściowo oddawana jest do otoczenia w postaci światła.

2

---