Inżynieria Biomedyczna i Radiacyjna

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 2

TYTUŁ ĆWICZENIA: Dozymetria w bombie kobaltowej

Data wykonania ćwiczenia: 11.10.2010r.

Małgorzata Baran

Magdalena Ciekańska

Ewelina Kalinowska

Andrzej Miłek

Magdalena Olejniczak

Piotr Pesta

Anna Piecyk

Justyna Wojtkiewicz

Wstęp teoretyczny:

Dozymetria zajmuje się miarą dawki pochłoniętej, czyli dawki która została w napromienionej próbce.

Dozymetria Frickego jest przykładem dozymetrii pośredniej. Dozymetr Frickego jest to wodny roztwór jonów Fe²⁺ (10^-3 mol/dm³) i H₂SO₄ (0,4 mol/dm³), nasycony powietrzem. Zastosowanie jonów SO₄^2- w przypadku tego dozymetru ma bardzo duże znacznie:

• dzięki ich obecności w badanym roztworze nie ma silnie redukujących uwodnionych elektronów;

• ich obecność zwiększa czułość pomiaru, ponieważ tworzą one kompleksy z jonami Fe³⁺ (kompleks jonów SO₄^2- z Fe³⁺ ma większy molowy współczynnik ekstynkcji niż same jony Fe³⁺)

Podstawą działania dozymetru Frickego jest utlenienie jonów Fe²⁺ do jonów Fe³⁺ w wyniku pochłonięcia kwantów promieniowania. Przedstawiają to poniższe reakcje:

Fe²⁺ + HO₂^. + H⁺ → Fe³⁺ + H₂O₂

Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + •OH + OH⁻

Poniższe równanie przedstawia radiacyjną wydajność jonów Fe³⁺ (jest to równanie łączące wydajność radiacyjną Fe³⁺ z wydajnością radiacyjną produktów radiolizy wody):

$$G\left( \text{Fe}^{3 +} \right) = 3G\left( H^{.} \right) + G\left( \bullet \text{OH} \right) + 2G\left( H_{2}O_{2} \right) = 1,62\frac{\text{μmol}}{J}$$

Zazwyczaj w skład roztworu dozymetrycznego wchodzi także niewielka ilość jonów Cl^- - najczęściej w postaci NaCl. Jony Cl^- zabezpieczają przed działaniem zanieczyszczeń organicznych, co oznacza, że stosowane odczynniki i naczynie nie muszą być oczyszczane w jakiś specjalny sposób.

Wpływ zanieczyszczeń organicznych:

1. •OH + RH → H₂O + R •  (1÷7) * 10⁹M⁻¹s⁻¹

Gdzie:

RH – zanieczyszczenia organiczne

R •  - rodnik organiczny (będzie utleniał Fe²⁺ i będzie reagował z kolejnymi rodnikami organicznymi, co zmieni mechanizm reakcji)

1. •OH + 2Cl⁻ → Cl₂^−• + OH⁻                           4, 3 * 10⁹M⁻¹s⁻¹

Fe²⁺ + Cl₂^−• → Fe³⁺ + 2Cl⁻                            1, 4 * 10⁹M⁻¹s⁻¹

Stężenie 2Cl^- musi być na tyle duże, aby reakcja 2) zdominowała reakcję 1):

• Reakcje te mają podobne stałe szybkości, czyli szybkość będzie zależała od stężenia.

Musimy w układzie dozymetrycznym mieć zdecydowany nadmiar jonów chlorkowych w stosunku do zanieczyszczeń organicznych. Aby jony Cl^- pełniły funkcję ochronną ich stężenie musi być przynajmniej 100-krotnie większe niż spodziewane stężenie zanieczyszczeń organicznych. Chlorek ma w tym układzie efekt ochronny.

Stężenie jonów Fe³⁺ mierzy się spektrofotometrycznie, wykorzystując ich widmo absorpcyjne z maksimum przy 305 nm. . Dozymetr Frickego może służyć do wyznaczania dawek od kilku do ok. 500-600 Gy. Zakres dawek ograniczony jest następującymi czynnikami:

• Dolna dawka, która można mierzyć dozymetrem Frickego zależy od czułości przyrządu (spektrofotometru);

• Górną granicą jest dostępność substratu, czyli stężenie Fe²⁺ (10^-3 mol/dm³).

Aby zwiększyć górną granicę dawki, którą możemy zmierzyć dozymetrem Frickego, można:

• Zwiększyć stężenie jonów Fe²⁺

• Zmniejszyć wydajność utleniania Fe²⁺ do Fe³⁺ (poprzez wprowadzenie do roztworu dozymetrycznego czynnika, który redukuje jony Fe³⁺ , czyli np. poprzez dodanie jonów miedziowych Cu⁺ ).

Cel ćwiczenia:

Wyznaczenie za pomocą dozymetru Frickego mocy dawki promieniowania emitowanego przez bombe kobaltową (⁶⁰Co) i zapoznanie się z jej oraz zapoznanie się działaniem dozymetru alaninowego.

Wykonanie ćwiczenia:

1. Przygotowanie roztworu A:

• Odważenie 292 mg NaCl

• Odważenie 1.39 g FeSO₄ ^. 7H₂O

• Odmierzenie ok. 0.1 ml stężonego H₂SO₄

Umieszczenie tych składników w kolbie miarowej o pojemności 50 ml i jej uzupełnienie oczyszczoną wodą do kreski.

1. Przygotowanie roztworu B: odmierzenie 5.33 ml stężonego kwasu siarkowego (VI) do kolby miarowej o pojemności 250 ml i dopełnienie kolby wodą oczyszczoną do kreski.

2. Przygotowanie roztworów C₁ i C₂ w kolbach miarowych o pojemnościach 100 ml, poprzez pobranie 2 ml wcześniej przygotowanego roztworu A i dopełnienie kolb roztworem B do kresek.

3. Przygotowanie 5 ampułek 10 ml wypełnionych wodą (W).

4. Nasycanie roztworu C₁ tlenem przez 15 min.

5. Pobranie roztworu C₁ do 6 odpowiednio podpisanych ampułek i zaklejenie tych ampułek parafilmem.

6. Ustawienie odpowiednich ampułek w koszyczku: A₁₂, A₂₄, A₃₆, A₄₈, A₆₀ i W (czas podany w opisach ampułek oznacza ich czas napromieniania w bombie kobaltowej). Odstawienie ampułki A₀, czyli ampułki nie napromienianej do dalszego zbadania.

7. Ustawienie koszyczka z ampułkami w bombie kobaltowej i przeprowadzenie napromieniania w taki sposób, by po każdych 12 minutach napromieniania wyjąć kolejną ampułkę z roztworem dozymetrycznym i jej zastąpienie ampułką wypełnioną wodą.

8. Wyzerowanie spektrofotometru i przygotowanie go do pomiaru.

9. Po wyjęciu wszystkich ampułek z roztworem dozymetrycznym zbadanie ich absorbancji.

10. Nasycanie roztworu C₂ tlenem przez 15 minut.

11. Dalsze postępowanie jest analogiczne jak dla roztworu C₁.

12. Otrzymane wyniki zebrane są w dalszej części sprawozdania.

13. Posprzątanie stanowiska pracy.

Otrzymane wyniki:

Dla roztworu C₁:

Badana próbka:	Czas napromieniania [s]	A
A0	0	0,080
A12	713	0,099
A24	1431	0,114
A36	2150	0,140
A48	2867	0,162
A60	3584	0,714

Dla roztworu C₂:

Badana próbka:	Czas napromieniania [s]	AI	AII
B0	0	0,089	0,144
B12	719	0,110	0,163
B24	1441	0,127	0,185
B36	2167	0,171	0,205
B48	2885		0,235
B60	3615		0,237

Obliczenia:

1. Obliczam przyrost absorbancji ΔA, dla każdego czasu napromieniania dla roztworu C₁ i C₂:

Badana próbka:	A	ΔA	Badana próbka:	A	ΔA
A0	0,080	0,080	B0	0,144	0,144
A12	0,099	0,019	B12	0,163	0,019
A24	0,114	0,034	B24	0,185	0,041
A36	0,140	0,060	B36	0,205	0,061
A48	0,162	0,082	B48	0,235	0,091
A60	0,714	0,094	B60	0,237	0,093

1. Obliczam błąd procentowy pomiaru ΔA, korzystając z poniższego wzoru:

$$Blad\ A = \frac{|A_{C_{1}} - A_{C_{2}}|}{A_{sr}}*100\%$$

	C1	C2
L.p.	t [s]	t [min]	ΔA
1	0	0	0,080
2	713	11,88	0,019
3	1431	23,85	0,034
4	2150	35,83	0,060
5	2867	47,78	0,082
6	3584	59,73	0,094

1. Obliczam stężenie wytworzonych jonów F^e3+ korzystając z prawa Lamberta-Beera:

$$A = C*\varepsilon*l\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \rightarrow \ \ \ \ C_{\text{Fe}^{3 +}} = \frac{A}{\varepsilon*l}$$

Gdzie:

ε - molowy współczynnik ekstynkcji (ε=2130dm³*mol^-1*cm^-1)

l – droga optyczna (l=1cm)

Przykład obliczeń dla próbki A₁₂:

$$C_{\text{Fe}^{3 +}} = \frac{0,019}{2130\frac{\text{dm}^{3}}{mol*cm}*1cm} = 8,92*10^{- 6}\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}$$

1. Obliczam dawkę D, korzystając z poniższego wzoru:

$$D = \frac{A}{\varepsilon*l*G\left( \text{Fe}^{3 +} \right)*\rho}$$

Gdzie:

G(Fe³⁺⁾ – wydajność radiacyjna tworzenia jonów Fe³⁺ (G(Fe³⁺)=1.62*10^-6 mol*J^-1)

ρ - gęstość roztworu dozymetrycznego (ρ=1.024 kg*dm^-3)

Przykład obliczeń dla próbki A₁₂:

$$D_{A_{12}} = \frac{0,019}{2130\frac{\text{dm}^{3}}{mol*cm}*1cm*1.62*10^{- 6}\frac{\text{mol}}{J}*1.024\frac{\text{kg}}{\text{dm}^{3}}}$$

$$D_{A_{12}} = 5,38\frac{J}{\text{kg}} = 5,38Gy$$

1. Wykresy zależności D = f (t) dla roztworu C₁:

$$y = 0,0076x\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \rightarrow \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ P_{C_{1}} = 0,0076\frac{\text{Gy}}{s}$$

czyli

$$P_{C_{1}} = 0,456\frac{\text{Gy}}{\min}$$

Dla roztworu C₂:

$y = 0,0079x\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \rightarrow \ \ \ \ \ \ \ \ \ P_{C_{2}} = 0,0079\frac{\text{Gy}}{s}$

czyli

$$P_{C_{2}} = 0,474\frac{\text{Gy}}{\min}$$

Zestawienie otrzymanych wyników:

	C1	C2
L.p.	t [s]	ΔA [-]
1	0	0,080
2	713	0,019
3	1431	0,034
4	2150	0,06
5	2867	0,082
6	3584	0,094

Średnia moc dawki:

$$P_{sr} = \frac{P_{C_{1}} + P_{C_{2}}}{2} = \frac{0,456 + 0,474}{2} = 0,465\frac{\text{Gy}}{\min}$$

Wnioski:

Obliczona moc dawki promieniowania emitowanego przez bombe kobaltową (⁶⁰Co) wynosi 0,465 Gy/min. Czyli stosowana przez nas bomba kobaltowa ma bardzo małą aktywność. Co oznacza, że nie może być ona stosowana do sterylizacji (dawka sterylizacyjna wynosi 25kGy) i zastosowań przemysłowych a jedynie tam, gdzie wymagana jest niska dawka/moc dawki, czyli do niektórych zastosowań badawczych.

Uzyskane przez nas wyniki mogą być obarczone błędem związanym z przygotowywaniem próbek, na przykład podczas odważania lub nalewania przygotowanych już próbek do ampułek. Przyczyną błędu może też być zbyt późne lub niewystarczająco dokładne zaklejenie ampułek parafilmem po nasycaniu tlenem.

Obliczone przez nas dawki mieszczą się w granicach stosowalności dozymetru Frickego. Jednak znajdują się one blisko dolnej granicy stosowalności a największe dokładności pomiaru uzyskuje się w dla większych dawek – w pobliżu górnej granicy stosowalności tego dozymetru. To także może mieć wpływ na nasze wyniki.

Bomby kobaltowe są stosowana w medycynie do zwalczania chorób nowotworowych, w defektoskopii, do sterylizacji żywności oraz w chemii radiacyjnej do badania procesów fizykochemicznych.