Химический метод. 
Дозиметрический контроль

Применение химических методов дозиметрии, как правило, связано с измерением больших доз (от десятков до нескольких тысяч рад) г-, нейтронных, протонных и смешанных полей от мощных облучательных установок и источников ионизирующих излучений. В дозиметрической практике используются жидкие, твердые и газообразные химические вещества, на их основе и созданы жидкие, твердые и газообразные химические дозиметры.

Жидкие химические дозиметры представляют собой водные растворы специально подобранных веществ. Действие ионизирующего излучения на водный раствор можно условно разделить на три стадии: физическую, физико-химическую и химическую. На первой стадии происходит ионизация и возбуждение молекул воды. На второй стадии возбужденные молекулы претерпевают ряд превращений, в результате которых возникают химически активные свободные радикалы (H•, OH•, HO_•2) и весьма сильный окислитель — перекись водорода H₂O₂. На третьей стадии свободные радикалы, избежавшие рекомбинации, вступают в химические реакции с веществами, растворенными в воде. В итоге происходит изменение оптической плотности раствора, которая в определенных пределах пропорциональна поглощенной дозе ионизирующего излучения.

Радиолиз органических жидкостей существенно отличается от радиолиза воды. Как в том, так и в другом случае механизм воздействия ионизирующих излучений на неорганические и органические жидкости весьма сложен и до конца не изучен.

Выход продуктов радиолиза или изменение оптической плотности жидкостей после их облучения определяется экспериментально.

Для количественной характеристики действия ионизирующего излучения на химическую систему вводится понятие химического выхода реакции — число характерных превращений на 100 эВ поглощенной энергии. Зная химический выход реакции, нетрудно рассчитать и поглощенную дозу:

Д = 9,64•108 • M / (G•с где M — концентрация продукта, моль/л; G — химический выход реакции, молекул/100 эВ; с — плотность раствора, г/см ³.

Из жидких химических дозиметров наибольшее применение получили ферросульфатный и цериевый.

Ферросульфатный дозиметр представляет собой раствор сульфата двухвалентного железа (FeSO₄•7H₂O) или раствор железоаммонийных квасцов (NH4)2[Fe (SO₄)₂] в разбавленной серной кислоте. Под воздействием ионизирующего излучения двухвалентное железо Fe₂+ окисляется в трехвалентное Fe₃+, количество которого и служит мерой поглощенной энергии ионизирующего излучения. Концентрацию Fe3+ можно определить различными методами: спектрофотометрическим, методом эталонных растворов, потенциометрическим титрованием и др. Ферросульфатный метод отличается высокой точностью (погрешность измерения до 2%), быстротой определения дозы, широким диапазоном измеряемых доз (5−2•105 рад).

Если в ферросульфатный дозиметр добавить определенное количество лития или бора (в виде соли), то им можно измерять плотность потока тепловых нейтронов. В случае необходимости разделения химического действия нейтронов и гизлучений используют два ферросульфатных дозиметра: один с поглотителем тепловых нейтронов, а другой без него. Разность выхода в обоих дозиметрах определяет дозу от г — и нейтронной составляющих.

Другим примером жидких химических дозиметров является цериевый дозиметр. Он представляет собой водный раствор четырехвалентного сернокислого церия в разбавленной соляной кислоте. Продукты радиолиза воды в этой системе восстанавливают четырехвалентный церий Ce₄+ в трехвалентный Ce₃+. Наряду с реакцией восстановления идет реакция окисления трехвалентного церия в четырехвалентный. Результирующий выход реакции представляет собой разность выхода восстановительно-окислительного процесса. Концентрацию четырехвалентного церия определяют титрованием или спектрофотометрическим методом. Показания цериевого дозиметра не зависят от энергии ионизирующего излучения в пределах 0,1−25 МэВ и мощности поглощенной дозы до 108 рад/с. Диапазон измеряемых доз 9•103−108 рад.

Химические жидкие дозиметры представляют собой запаянные стеклянные ампулы, наполненные специально подобранными растворами. Рецептура водных растворов подбирается обычно таким образом, чтобы заметное изменение окраски происходило при воздействии определенных доз ионизирующего излучения. Набор таких ампул представляет собой химический дозиметр. Для оценки дозы ионизирующего излучения используют набор эталонов окрасок, соответствующий определенным дозам облучения, или прибор, фиксирующий изменение окраски водных растворов в зависимости от поглощенной дозы.

Твердые химические дозиметры изготовляют на основе полимерных пленок или стекол. В качестве полимерных дозиметров используют пленки из различных полимерных материалов, таких как поливинилхлорид, целлофан, полиэтилен, ацетат, триацетат и др. Под действием ионизирующего излучения полимерные пленки изменяют оптическую плотность в линейной зависимости от дозы излучения. При этом в зависимости от величины дозы излучения может происходить окрашивание некоторых полимерных пленок, например, пленки из поливинилхлорида с увеличением дозы окрашиваются в зеленый, желтый, янтарнои красно-коричневый цвета. В дозиметрии, кроме прозрачных пленок, употребляют и пленки с добавлением различных красителей, например, поливинилхлорид с метиленовым голубым.

Полимерные дозиметры пригодны для измерения лишь больших доз излучения (104−107 рад); они удобны в обращении, механически прочны, но имеют недостаток — зависимость показаний дозиметра от энергии излучения.

У стеклянных дозиметров определение дозы основано на изменении оптической плотности стекла. Стеклянные дозиметры используются в широком диапазоне доз (от нескольких миллирад до 1010 рад); в области низких энергий фотонов дозиметры имеют значительный ход с жесткостью. Для полного или частичного устранения его стеклянные диски или пластинки помещают в компенсирующие фильтры.

В газовых дозиметрах под действием ионизирующего излучения образуются газообразные продукты или происходит полимеризация веществ, находящихся в дозиметре. Изменение состояния газовой среды дозиметров пропорционально поглощенной дозе. Примером газового дозиметра может служить дозиметр, представляющий собой тонкостенный кварцевый сосуд, заполненный закисью азота N₂O. Под действием в-, г-излучения в диапазоне доз 106−109 рад образуются газообразные продукты: азот N₂, кислород O₂ и двуокись азота NO₂, содержание которых нетрудно определить обычными химическими методами. Для измерения доз от тепловых нейтронов в закись азота добавляют нейтронозахватывающие добавки (окись бора или лития), вызывающие реакцию (n, г). Для определения поглощенной дозы от смешанных потоков г — излучения, быстрых и тепловых нейтронов используют дозиметры с водным раствором йодистого калия KI. Под действием излучения из раствора выделяются водород и кислород, по содержанию которых судят о поглощенных дозах.