Fricke-Dosimeter

Das Fricke-Dosimeter (veraltet auch Fricke-Ferrosulfatdetektor) gilt als das bekannteste chemische Dosimeter. Es wurde 1927 von Hugo Fricke und Sterne Morse entwickelt. Sein Funktionsprinzip beruht auf der Oxidation von Eisen(II)- zu Eisen(III)-Ionen durch die Wirkung ionisierender Strahlung.

Zusammensetzung

Fricke-Dosimeter bestehen aus Ampullen, die mit einer luftgesättigten Eisen(II)-sulfatlösung gefüllt sind. Eine typische Lösung hat die folgende Zusammensetzung:

• 0,001 mol/l Ammoniumeisen(II)-sulfat (Fe(NH₄)₂(SO₄)₂)
• 0,001 mol/l Natriumchlorid (NaCl)
• 0,4 mol/l Schwefelsäure (H₂SO₄)

Wirkungsweise

Radiolyse von Wasser

Bei Einwirkung von ionisierender Strahlung erfolgt wegen der Verdünnung der Lösung zunächst hauptsächlich eine Radiolyse von Wassermolekülen; erst bei Konzentrationen von über 0,1 mol/l könnte ein gelöster Stoff merklich einer direkten Radiolyse unterliegen. Die Radiolyse von Wasser läuft in mehreren Schritten ab, die im Folgenden aufgeführt werden.

$\mathrm {H_{2}O} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{\gamma }}\ \mathrm {H_{2}O} ^{*}$

$\mathrm {H_{2}O} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{\gamma }}\ \mathrm {H_{2}O} ^{+}\ {+}\ \mathrm {e} ^{-}$

$\mathrm {H_{2}O} ^{+}\ {+}\ \mathrm {H_{2}O} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ {\cdot }\mathrm {OH} \ {+}\ \mathrm {H_{3}O} ^{+}$

$\mathrm {H_{2}O} ^{*}\ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {H} {\cdot }\ {+}\ {\cdot }\mathrm {OH}$

$\mathrm {H_{2}O} ^{*}\ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {H_{2}} \ {+}\ \mathrm {O} {\cdot }$

$2\;\mathrm {e_{aq}^{-}} \ {+}\ 2\;\mathrm {H_{2}O} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {H_{2}} \ {+}\ 2\;\mathrm {OH} ^{-}$

$\mathrm {e_{aq}^{-}} \ {+}\ {\cdot }\mathrm {OH} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {OH} ^{-}$

$\mathrm {e_{aq}^{-}} \ {+}\ \mathrm {H_{3}O} ^{+}\ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {H} {\cdot }\ {+}\ \mathrm {H_{2}O}$

$\mathrm {e_{aq}^{-}} \ {+}\ \mathrm {H} {\cdot }\ {+}\ \mathrm {H_{2}O} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {H_{2}} \ {+}\ \mathrm {OH} ^{-}$

$2\;\mathrm {H} {\cdot }\ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {H_{2}}$

$2\;{\cdot }\mathrm {OH} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {H_{2}O_{2}}$

Durch die Anwesenheit von gelöstem Sauerstoff in der luftgesättigten Lösung wird außerdem das Hydroperoxyradikal (∙HO₂) gebildet:

$\mathrm {e_{aq}^{-}} \ {+}\ \mathrm {O_{2}} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ {\cdot }\mathrm {O_{2}^{-}}$

$\mathrm {H} {\cdot }\ {+}\ \mathrm {O_{2}} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ {\cdot }\mathrm {HO_{2}}$

${\cdot }\mathrm {O_{2}^{-}} \ {+}\ \mathrm {H^{+}} \ \rightleftharpoons \ {\cdot }\mathrm {HO_{2}}$

Oxidation von Eisen(II)- zu Eisen(III)-Ionen

Die in der Lösung enthaltenen Eisen(II)-Ionen können von Hydroxyl-Radikalen (∙HO), Hydroperoxyradikalen (∙HO₂) oder Wasserstoffperoxid (H₂O₂) zu Eisen(III)-Ionen oxidiert werden:

${\cdot }\mathrm {HO_{2}} \ {+}\ \mathrm {Fe^{2+}} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {Fe^{3+}} \ {+}\ \mathrm {HO_{2}^{-}}$

$\mathrm {HO_{2}^{-}} \ {+}\ \mathrm {H^{+}} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {H_{2}O_{2}}$

$\mathrm {H_{2}O_{2}} \ {+}\ \mathrm {Fe^{2+}} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {Fe^{3+}} \ {+}\ \mathrm {OH^{-}} \ {+}\ {\cdot }\mathrm {OH}$

${\cdot }\mathrm {OH} \ {+}\ \mathrm {Fe^{2+}} \ {\xrightarrow[{\qquad }]{}}\ \mathrm {Fe^{3+}} \ {+}\ \mathrm {OH^{-}}$

Die strahlenchemische Ausbeute G von Eisen(III)-Ionen ergibt sich aus der Gleichung

$G(\mathrm {Fe^{3+}} )=2\;G(\mathrm {H_{2}O_{2}} )+3\left[G(\mathrm {e_{aq}^{-}} )+G({\cdot }\mathrm {H} )+G({\cdot }\mathrm {HO_{2}} )\right]+G({\cdot }\mathrm {OH} )$.

Der Wert der strahlenchemische Ausbeute hängt vom LET-Wert der Strahlung ab. Für γ-Strahlung beträgt er etwa G(Fe³⁺) = 0,155(5)/eV; das entspricht etwa G(Fe³⁺) = 1,6 µmol/J. Somit ist die in einer Lösung mit der Masse m erzeugte Stoffmenge n der Eisen(III)-Ionen proportional zur absorbierten Dosis D:

$n(\mathrm {Fe^{3+}} )=m\cdot D\cdot G(\mathrm {Fe^{3+}} )$

Für die im Fricke-Dosimeter erzeugte Stoffmengenkonzentration c der Eisen(III)-Ionen gilt entsprechend

$c(\mathrm {Fe^{3+}} )=\rho \cdot D\cdot G(\mathrm {Fe^{3+}} )$.

Dabei ist ρ die Dichte der Lösung. Bedingt durch die zugesetzte Schwefelsäure beträgt sie etwa ρ = 1,024 g/cm³.

Das Fricke-Dosimeter für Dosisleistungen von bis zu 2 · 10⁶ Gy/s und eine Dosis im Bereich von 1 Gy bis 500 Gy verwendbar.

Auswertung

Die Auswertung des Fricke-Dosimeters erfolgt mithilfe eines Spektralphotometers. Die erzeugte Stoffmengenkonzentration c der Eisen(III)-Ionen wird durch die Messung der Extinktion E_λ bei einer Wellenlänge λ von 304 nm bestimmt. Die Differenz zur Extinktion einer unbestrahlten Vergleichslösung ergibt ΔE_λ, wobei gemäß dem lambert-beerschen Gesetz gilt:

${\operatorname {\Delta } }E_{\lambda }=\varepsilon \cdot d\cdot c(\mathrm {Fe^{3+}} )$

Dabei ist d die Schichtdicke der verwendeten Küvette, z. B. d = 10 mm. Der molare Extinktionskoeffizient ε beträgt 217,4 m²/mol.

Für die gesuchte Dosis D erhält man damit

$D={\frac {{\operatorname {\Delta } }E_{\lambda }}{\varepsilon \cdot d\cdot \rho \cdot G(\mathrm {Fe^{3+}} )}}$.