ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΙ ΟΡΟΙ ΤΗΣ ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑΣ

Transcript

1 ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΙ ΟΡΟΙ ΤΗΣ ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑΣ Χ Η ΕΚΘΕΣΗ ή ΔΟΣΗ ΕΚΘΕΣΗΣ σε ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Χ ή γ Χ dq dm όπου: dq = απόλυτη τιμή συνολικού φορτίου ιόντων ενός σημείου (+ ή -) που παράχθηκαν στον αέρα, όταν όλα τα ηλεκτρόνια (ποζιτρόνια και νεγκατρόνια) που ελευθερώθηκαν από τα φωτόνια σε ξηρό αέρα μάζας dm σταμάτησαν εντελώς μέσα σ αυτόν. Μονάδα στο SI: 1 C kg -1 ορισμένου στόχου αποτελεί μέτρο της ακτινοβολίας βασισμένο στον ιοντισμό αέρα που προκαλεί στον αέρα οριζόμενη από την εξίσωση: Παλαιά Μονάδα: 1 roentgen (R) που είναι η ποσότητα ακτινοβολίας-χ ή γ που δημιουργεί σε 1 kg ξηρού αέρα υπό Κ.Σ. αριθμό ιόντων με φορτίο 2,58x10 4 C

2 ΑΣΚΗΣΗ 7. Δείγματα : (α) ανιλίνης (C 6 H 5 NH 2 ) και (β) κυκλοεξανίου (C 6 H 12 ) εκτίθενται σε ακτίνες-χ εντάσεως 10 5 roentgens και μέσης ενέργειας 100 kev. Να υπολογίσετε τη δόση σε rads για το καθένα. (Οι μαζικοί συντελεστές απορρόφησης του υδρογόνου, του άνθρακα, του αζώτου και του αέρα για τις συγκεκριμένες ακτίνες-χ είναι αντίστοιχα 0,0406, 0,0216, 0,0224 και 0,0234 cm 2 g -1 )

3 ΛΥΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΛΥΣΗ (7): Η έκθεση του αέρα σε 1R ακτινοβολίας-γ ή Χ οδηγεί σε απορρόφηση ενέργειας: D=0,87 rad ή D=8,710-3 Gy Οπότε έκθεση σε 10 5 R 8,7x10 4 rad ή 870 Gy Όταν ένα δείγμα περιέχει περισσότερα από ένα στοιχεία ο ολικός μαζικός συντελεστής απορρόφησης δίνεται από το άθροισμα: μ ρ tot μ ρ 1 W 1 μ ρ 2 W 2... Άρα για την C 6 H 5 NH 2 (ΜΒ ανιλίνης = 93 g mol -1 ) ισχύουν: μ ρ 3 W 3 όπου W=το κλάσμα βάρους κάθε στοιχείου στο δείγμα W C =72/93=0,774, W H =7/93=0,0753 και W Ν =14/93=0,151οπότε: ρ μ 2 ανιλίνης 0,0216 0,774 0,0406 0,0753 0,0224 0,151 2,31 10 cm 2 g -1

4 ΛΥΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΛΥΣΗ (7 συνέχεια): Όμως ισχύει ότι η ενέργεια που απορροφάται από ένα μέσο είναι: D μέσου D αέρα μ/ρ μ/ρ μέσου αέρα οπότε στην προκειμένη περίπτωση: D ανιλίνης 0, ,3 10 0, rad ή 8, Gy (β) Για το κυκλοεξάνιο ισχύει: W C =72/84=0,857 & W H =12/84=0,143 Άρα: (μ/ρ) κυκλοεξανίου = 0,0216x0,857+0,143x 0,0406 =2,43x10 2 cm 2 g -1 οπότε: DC 6 H 12 0, , , rad ή 9, Gy

5 ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΙ ΟΡΟΙ ΤΗΣ ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑΣ ΡΟΗ ΔΕΣΜΗΣ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ή ΦΩΤΟΝΙΩΝ Μέτρο αριθμού σωματιδίων ή φωτονίων εισερχόμενων σε υποθετική σφαίρα μετωπικής επιφάνειας 1 m 2 στο σημείο ενδιαφέροντος. Μονάδα στο SI: σωματίδια ή φωτόνια m -2 Φ ΡΥΘΜΟΣ ΡΟΗΣ ή ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΡΟΗΣ ΔΕΣΜΗΣ φ φ dφ dt Όπου: με Mονάδα στο SI: σωματίδια ή φωτόνια m -2 s -1

6 ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΙ ΟΡΟΙ ΤΗΣ ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑΣ ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ σ για την αλληλεπίδραση μεταξύ σωματιδίων (και φωτονίων) και Α.Μ. οριζόμενη από τον τύπο: Ρ σ Φ Μονάδα στο SI: 1 barn (b) = m 2 όπου: Ρ=πιθανότητα της αλληλεπίδρασης όταν άτομο ή μόριο στόχος υπόκειται σε ροή σωματιδίων Φ ΜΑΖΙΚΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Σχετίζεται με τη συνολική απώλεια ενέργειας ιοντιζουσών ακτινοβολιών μέσω όλων των σχετικών διαδικασιών Μονάδα στο SI: 1 m 2 kg -1 μ ρ

7 ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΙ ΟΡΟΙ ΤΗΣ ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑΣ ΑΚΤΙΝΟΧΗΜΙΚΕΣ ΑΠΟΔΟΣΕΙΣ Περιγράφονται σε τιμές-g: όπου: G(X) είναι αριθμός μορίων προϊόντος Χ που δημιουργήθηκαν και G( Ψ) τα μόρια αντιδρώντος υλικού που άλλαξαν ανά 100 ev απορροφούμενης ενέργειας Μονάδα στο SI: 1 mol J -1 ΠΡΟΣΟΧΗ!!! 1 mol J -1 Αριθμού μορίων που άλλαξαν ανά 100 ev 1 mol J -1 = 9,649x10 6 mol 10-2 ev -1

8 ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΙ ΟΡΟΙ ΤΗΣ ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑΣ Βασικές μονάδες Φυσικό μέγεθος Σύμβολο Μονάδα SI Παλαιές μονάδ. Ραδιενέργεια Α Becquerel (Bq) Curie Απορροφούμενη Δόση D Gray (Gy ή J kg -1 ) rad (100erg g -1 ) Ρυθμός απορ. δόσης D Gray s -1 rad s -1 Ισοδύναμο Δόσης DE (H) Sievert (Sv ή J kg -1 ) rem Ενεργός Διατομή σ Barn (10-28 m 2 ) Έκθεση σε ακτινοβολία X C kg -1 roentgen Ροή σωματιδίων Φ σωμ. m -2 Ακτινοχημική απόδοση G(X) mol J -1 αρ.-x 10-2 ev -1 Μαζικός συντ. απορ. μ/ρ m 2 kg -1

9 ΠΡΩΤΟΓΕΝΗ & ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗ ΔΟΣΙΜΕΤΡΑ Υπάρχουν: Πρωτογενείς (απόλυτες ή άμεσες) μέθοδοι μέτρησης ιοντιζουσών ακτινοβολιών, περιλαμβάνουσες άμεσο προσδιορισμό της δόσης έκθεσης και απορροφούμενης δόσης με φυσικές μετρήσεις (π.χ. θερμοκρασία, ηλεκτρικό ρεύμα, φορτίο κ.λπ.), που χρησιμοποιούν πρωτογενή δοσίμετρα Δευτερογενείς (έμμεσες) μέθοδοι μετρήσεις δόσεων που χρησιμοποιούν δευτερογενή δοσίμετρα, των οποίων η απόκριση στην ακτινοβολία γίνεται σε σύγκριση με ένα πρωτογενές δοσίμετρο

10 ΠΡΩΤΟΓΕΝΗ & ΔΕΥΤΕΡΟΓΕΝΗ ΔΟΣΙΜΕΤΡΑ Συνηθέστερα δοσίμετρα είναι: Θάλαμοι ιοντισμού Geiger-Müller και αναλογικοί απαριθμητές Απαριθμητές σπινθηρισμών Χημικά δοσίμετρα Δοσίμετρα στερεάς κατάστασης Δοσίμετρα καταστροφής Δοσίμετρα με φωτογραφικά γαλακτώματα Δοσίμετρα με θερμιδόμετρα Ποιο δοσίμετρο θα χρησιμοποιήσουμε εξαρτάται από: Είδος ακτινοβολίας, φύση πηγής, φύση Α.Μ., μέγεθος και ρυθμός δόσης, απαιτούμενη ακρίβεια

11 ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ (Θάλαμοι ιοντισμού) Βασίζεται στην ικανότητα της ακτινοβολίας να προκαλεί ιοντισμό Χρησιμοποιεί ως δοσίμετρα τους Θαλάμους Ιοντισμού Το ρεύμα κόρου είναι μέτρο συνολικού αριθμού σχηματισθέντων ζευγών ιόντων/χρόνο μέτρο του ρυθμού δόσης που εκτίθεται ο θάλαμος Αρχή λειτουργίας ενός θαλάμου ιοντισμού Ρεύμα συναρτήσει εφαρμοζόμενης τάσης σε θάλαμο ιοντισμού

12 Αρχή λειτουργίας θαλάμου ιοντισμού

13 ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ (Θάλαμοι απόλυτων μετρήσεων ιοντισμού) Θάλαμοι ιοντισμού που ακολουθούν ακριβώς τον ορισμό μονάδας έκθεσης δίνοντας απόλυτες μετρήσεις ιοντισμού και χρησιμοποιούνται σαν πρωτογενή δοσίμετρα (10<Ε<300 kev) Σχηματική παράσταση Θαλάμου απολύτων μετρήσεων

14 ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ (Θάλαμοι ιοντισμού τύπου δακτυλήθρας) Θάλαμος «ισοδύναμος του αέρα» με τοιχώματα κατασκευασμένα από βακελίτη, λουσίτη, νάιλον κ.λπ., επιχρισμένος με άνθρακα καταλλήλου πάχους και ηλεκτρόδιο αλουμινίου καταλλήλου μεγέθους, χρησιμοποιούμενος για μετρήσεις ρουτίνας Σχηματική παράσταση θαλάμου ιοντισμού τύπου δακτυλήθρας

15 ΧΗΜΙΚΗ ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Η απορροφούμενη δόση προσδιορίζεται από κάποια χημική αλλαγή προκαλούμενη από την ακτινοβολία και χρησιμοποιούνται τα χημικά δοσίμετρα (δευτερογενή) Πρέπει να είναι γνωστή η τιμή G του μετρούμενου προϊόντος ή να μπορεί να προσδιορίζεται με πρωτογενές δοσίμετρο Κυριώτερα είναι τα: Δοσίμετρα αέριας φάσης Υγρά δοσίμετρα Δοσίμετρα στερεάς κατάστασης

16 ΧΗΜΙΚΗ ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Δοσίμετρα αέριας φάσης: Δοσίμετρα που περιέχουν Ν 2 Ο ή Η 2 S ή αιθυλένιο Η D υπολογίζεται με αεριο-χρωματογραφικό προσδιορισμό προϊόντων ή με μέτρηση πίεσης υπό Κ.Σ. Υγρά δοσίμετρα 1) Δοσίμετρο Fricke (θειικού σιδήρου) 2) Δοσίμετρο του Θειικού Δημητρίου Έχουν προσδιοριστεί τιμές G για πολλά είδη ακτινοβολιών και διαφορετικές συνθήκες

17 ΧΗΜΙΚΗ ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Δοσίμετρο Fricke (δοσίμετρο αναφοράς) Περιέχει χημικές ενώσεις υψηλής καθαρότητας: Διάλυμα FeSO 4 (10-3 mol dm -3 ) σε H 2 SO 4 (0,4 mol dm -3 ) Κεκορεσμένο με αέρα ή Ο 2 ( Μ) Διάλυμα NaCl (10-3 mol dm -3 ) Με ακτινοβόληση: Fe 2+ Fe 3+ (απορροφά στα 304 nm) G(Fe 3+ ) 15,4 15,6 Mετρούνται: Σε συνήθη δοσίμετρα 0,2-2x10 6 Gy s -1 Στο υπερδοσίμετρο Fricke 10 8 Gy s -1

18 ΧΗΜΙΚΗ ΔΟΣΙΜΕΤΡΙΑ Δοσίμετρα στερεάς κατάστασης Μετράται κάποια αλλαγή «χημικού τύπου» (δημιουργία χρώματος, φωταύγεια, ελεύθερες ρίζες κ.λπ.) Π.χ. Σε δοσίμετρα με πολυμερή όπως Πολυμεθυλακρύλια (ΡΜΜΑ) (Λουσίτη, Perpex και Plexiglass) μετράται η απορρόφηση σε 310 nm, οφειλόμενη σε ελεύθερες ρίζες Εύχρηστα μεγάλων δόσεων (σε λεπτά φιλμ πολυμερών ενώσεων) Ευαίσθητα κατά την ακτινοβόληση και αποθήκευσή τους σε: θερμοκρασία, σχετική υγρασία και ρυθμό δόσης

19 ΔΟΣΙΜΕΤΡΑ Διάφορα δοσίμετρα: Δοσίμετρα με φιλμ Δοσίμετρα θερμοφωταύγειας (ΤLD) Ηλεκτρονικά δοσίμετρα αμέσου αναγνώσεως Δοσίμετρο με φιλμ Δοσίμετρο τύπου δακτυλήθρας

20 ΔΟΣΙΜΕΤΡΑ Δοσίμετρα θερμοφωταύγειας Το χαμηλότερο όριο ανίχνευσης είναι 0.01 msv για το LiF. Η απόσβεση του σήματος με το χρόνο είναι περίπου 10% σε 3 μήνες. Αρχή λειτουργίας ενός δοσιμέτρου θερμοφωταύγειας

21 ΑΣΚΗΣΕΙΣ 8. Ποιός είναι ο ρυθμός δόσης σε μονάδες rad.min -1 δείγματος τριτιωμένου νερού, που έχει ειδική ραδιενέργεια 1 mci.g -1 ; Η μεγίστη ενέργεια για τα σωματίδια-β που εκπέμπονται από το 3 Η είναι 0,018 ΜeV. 9. Όπως προσδιορίσθηκε με δοσίμετρο Fricke, o ρυθμός απορροφούμενης ενέργειας πηγής ηλεκτρονίων ενέργειας 1 ΜeV ήταν ev L -1 s -1. Nα υπολογίσετε τον αντίστοιχο ρυθμό δόσης στο κυκλοεξάνιο. Οι πυκνότητες του διαλύματος 0,4 Μ Η 2 SO 4 και του κυκλοεξανίου είναι αντίστοιχα 1,024 και 0,779 g cm -3 σε 293 Κ. 10. Η οπτική πυκνότητα διαλύματος δοσιμέτρου Fricke μετά από την ακτινοβόληση του επί 10 min με γ-ακτίνες από 137 Cs ήταν 0,440 σε 303 nm στους 293 Κ και σε κυψελίδες μήκους 1 cm. Να υπολογίσετε: (i) (ii) το ρυθμό δόσης που δόθηκε στο διάλυμα και το ρυθμό δόσης που θα δοθεί στην υγρή μεθανόλη αν τεθεί στη ίδια θέση. (Οι πυκνότητες του διαλύματος 0,4 Μ Η 2 SO 4 και της μεθανόλης είναι αντίστοιχα 1,024 και 0,791 g cm -3 σε 293 Κ. Η σταθερά απόσβεσης για το Fe 3+ είναι 2,210 3 Μ -1 cm -1 και G(Fe 3+ )=15,6 )

22 ΛΥΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΛΥΣΗ (8): Συνολική ενέργεια εκπεμπόμενη από 3 Η είναι: Ε tot = 3,7x10 7 x(1/3x0,018) x 10 6 = 0,022 ev s 1 g 1 Αλλά, 1rad αντιστοιχεί σε 6,24x10 13 ev 1 g 1 Χ; 0,022 ev s 1 g 1 Χ = 3,56x10 3 rad s 1 ή 0,2 rad min 1

23 ΛΥΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΛΥΣΗ (9): H απορρόφηση ενέργειας από ηλεκτρόνια ενέργειας 1MeV γίνεται με εκπομπή ακτινοβολίας πεδήσεως ή με μη ελαστικές κρούσεις με τα ηλεκτρόνια του μέσου. Άρα είναι ανάλογη της πυκνότητας ηλεκτρονίων του απορροφητικού μέσου. 1 μόριο κυκλοεξανίου περιέχει = 48 e ενώ ο γραμμομοριακός όγκος του κυκλοεξανίου είναι: 84/0,779 cm 3 Άρα η ηλεκτρονική πυκνότητα του C 6 H 12 είναι: ,0445 el cm Για τον υπολογισμό της ηλεκτρονικής 84/0,779 πυκνότητας του δοσιμέτρου Fricke έχουμε: 1L διαλύματος H 2 SO 4 0,4M περιέχει: ,498 = 985 g H 2 O 1μόριο H 2 SO 4 περιέχει: = 50e και 1μόριο H 2 O περιέχει: = 10e Άρα η ηλεκτρονική πυκνότητα του δοσιμέτρου Fricke είναι:

24 ΛΥΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΛΥΣΗ (9 συνέχεια): Άρα η ηλεκτρονικής πυκνότητας του δοσιμέτρου Fricke είναι: 0, / Με απλή μέθοδο των τριών διαπιστώνουμε ότι ισχύει: D medium D Fricke Z/A Z/A medium Fricke όπου 3 0,567electrons/cm Ζ/Α D κ υκ λ οεξαου ν ί ανάλογο της μέσης ηλεκτρονικής πυκνότητας Οπότε έχουμε: ,445 0,567 7, ev/l.s

25 ΛΥΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΛΥΣΗ (10): (α ) Ισχύει ότι: OD ε.c.l Οπότε βρίσκουμε τη συγκέντρωση των Fe 3+ που δημιουργήθηκαν: OD ε. l -1 0,440 M cm ,2 10 cm 3-4 Fe 2 M Άρα συνολικά δημιουργήθηκαν: , (mol L -1 Fe 3+ mol -1 ) = 1, (Fe 3+ L -1 ) Γνωρίζουμε ότι στο δοσίμετρο Fricke το G(Fe 3+ )=15,6, δηλαδή ανά 100 ev απορροφούμενης ενέργειας δημιουργούνται 15,6 ιόντα Fe 3+, οπότε: D F 1,210 15, Fe L Fe 3 ev min s min 18 1,2810 ev L s

26 ΛΥΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΛΥΣΗ (10 συνέχεια): (β) Σύμφωνα με την προηγούμενη άσκηση (12) ο ρυθμός δόσης που θα δοθεί στην υγρή CH 3 OH είναι ανάλογος της ηλεκτρονικής της πυκνότητας και επειδή: 1 μόριο CH 3 OH περιέχει = 18 ηλεκτρόνια, η ηλεκτρ/κή πυκνότητα του CH 3 OH είναι: 18 32/0,791 0,445el cm -3 οπότε: D μεθανόλης 0,445 0, , , ev L s