DE4112086A1 - Sekundaerstandard-ionisationskammer zur messung von photonenstrahlung - Google Patents
Sekundaerstandard-ionisationskammer zur messung von photonenstrahlungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Sekundärstandard-Ionisationskammer zur
präzisen Messung von Photonenstrahlung mit einer im wesentlichen allseits
geschlossenen, insbesondere kugelförmigen, Kammerwand, die gegebenenfalls
mit einer Lufteintrittsöffnung versehen ist, einer Außenelektrode
im Bereich der Kammerwand und einer Innenelektrode.
Durch die Einführung des internationalen Einheitensystems SI wurden
für die Dosimeter ionisierender Strahlung neue Meßgrößen erforderlich.
Die ICRU hat im Bericht ICRU-39 diese Meßgrößen festgelegt, welche
nunmehr international in das gesetzliche Meßwesen und die
Strahlenschutzgesetzgebung eingeführt werden.
Ziel der Erfindung ist es, spezielle Sekundärstandard-Ionisationskammern,
die nur zur Messung von Photonenstrahlung vorgesehen sind, zu
erstellen, deren Energieabhängigkeit für die Meßgrößen "Umgebungs-Äquivalentdosis
H*(10)" und "Richtungsäquivalentdosis H′(10) und H′(0,07)"
optimiert ist. Dadurch soll eine direkte Kalibrierung von Orts- und Personendosimetern
in den neuen Meßgrößen ermöglicht und die praktische
Einführung der neuen ICRU-Meßgrößen erleichtert werden.
Insbesondere sollen Sekundärstandard-Ionisationskammern für den
Dosis-Leistungsbereich von 0,1 µSv/h-1 Sv/h erstellt werden, deren
Energieabhängigkeit für Photonenstrahlung im Bereich zwischen 40 keV und
1,3 MeV für die direkte Messung von H*(10) bzw. H′(10) und H′(0,07)
optimiert ist.
Diese Ziele werden bei einem Dosimeter bzw. einer Ionisationskammer
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur
Ausbildung eines möglichst genauen Zusammenhanges zwischen der gemessenen
Ionendosis und den gewünschten ICRU-Meßgrößen
Umgebungsäquivalentdosis H*(10) bzw. Richtungsäquivalentdosis H′(10)
und H′(0,07), insbesondere unabhängig von der Energieverteilung der jeweiligen
Strahlung, auf der Innenseite der Wand der Kammer, insbesondere
diese zur Gänze bedeckend, zumindest drei, gegebenenfalls mehrschichtig
aufgebaute Energiekompensationsschichten aufgebracht sind,
wobei die erste, gegenüber der Strahlung im Vergleich zur Luft hinsichtlich
der Sekundärelektronenemission überempfindliche Kompensationsschicht
auf der Kammerwand zumindest ein Element mit im
Vergleich zur Luft höherer effektiver Ordnungszahl, vorzugsweise mit
einer Ordnungszahl gleich oder höher als Barium, insbesondere Blei
und/oder Wismut, mit einer Gesamtflächendichte von 0,1 bis 5 mg/cm²,
vorzugsweise 0,3 bis 3 mg/m², des(r) Elemente(s), enthält, wobei auf
diese außenliegende erste Kompensationsschicht eine zweite, mittlere
Kompensationsschicht aufgebracht ist, die zur Erzielung der gewünschten
Absorptions- bzw. Filterwirkung zumindest ein Element mit einer Ordnungszahl
kleiner als Luft, vorzugsweise Kohlenstoff, insbesondere in
Form von Graphit und/oder Kunstharzen und/oder Bor und/oder Beryllium,
mit einer Gesamtflächendichte von 5 bis 15 mg/cm², vorzugsweise 9 bis 11 mg/cm²,
des(r) Elemente(s) enthält, und wobei auf diese mittlere Kompensationsschicht
eine dritte innere Kompensationsschicht aufgebracht ist,
die zur Ausbildung einer im Vergleich zu Luft leicht überempfindlichen
Schicht zumindest ein Element mit einer Ordnungszahl größer als Luft und
kleiner als Barium, vorzugsweise zumindest eines der Elemente Al, Mg,
Fe, Cu, Ni, Zn, mit einer Gesamtflächendichte von 0,2 bis 2 mg/cm²,
vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mg/cm², des(r) Elemente(s) enthält.
Erfindungsgemäß ergibt sich somit als wesentlicher Vorteil die
Möglichkeit einer direkten Messung der vorgeschriebenen ICRU-Größen,
insbesondere der Umgebungsäquivalentdosis, unabhängig von der spektralen
Energieverteilung der Strahlung. Mit den bisher bekannten Photonenmeßgeräten
konnte zwar die Ionendosis gemessen werden, es muß jedoch zur Umrechnung
auf die neuen ICRU-Meßgrößen mittels energieabhängiger Konversionsfaktoren
die Strahlungsenergie bekannt sein, andernfalls eine Umrechnung
in die neuen Meßgrößen nicht möglich war. Mit der erfindungsgemäßen
Sekundärstandard-Ionisationskammer ist nunmehr eine direkte
Messung möglich, da die Meßgröße direkt H*(10) bzw. H′(10) angibt und
die erfindungsgemäße Sekundärstandard-Ionisationskammer aufgrund der
Kammerwandausbildung eine Energieabhängigkeit besitzt, die sehr genau
dem vorgegebenen Zusammenhang zwischen der Ionendosis bzw. Photonenäquivalentdosis
und den neuen ICRU-Meßgrößen folgt.
Vorteilhaft ist es, wenn die in den Kompensationsschichten
eingesetzten Elemente in elementarer Form oder in Form von Verbindungen,
insbesondere Oxiden, vorzugsweise pulverförmig, in den Schichten
enthalten sind oder wenn die Elemente und/oder deren Verbindungen in
Form eines dünnen Überzuges aufgedampft, aufgesputtert, aufgesprayt
od. dgl. sind.
Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, daß die Elemente
und/oder deren Verbindungen in aushärtenden Harzen, vorzugsweise
Epoxyharzen, als Pulver verteilt aufgebracht sind. Der in den Harzen
enthaltene Kohlenstoff ist dabei für die Gesamtflächendichte des
Kohlenstoffes in der mittleren Kompensationsschicht zu berücksichtigen
bzw. wird in den vorgegebenen Werten der Gesamtflächendichte miteingezogen.
Sofern die einzelnen Elemente pulverförmig vorliegen, ist es
zweckmäßig, wenn die angegebenen Mengen der Elemente in der äußeren und
mittleren Kompensationsschicht in 2 bis 30 mg/cm², vorzugsweise 5 bis 20 mg/cm²,
vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mg/cm², Epoxyharz verteilt aufgebracht sind.
Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann auch
vorgesehen sein, daß zumindest eine der Kompensationsschichten aus
Teilschichten aufgebaut ist, wobei diese Teilschichten gleiche Elemente
gegebenenfalls in unterschiedlicher Flächendichte oder unterschiedliche
der in der jeweiligen Kompensationsschicht möglichen Elemente enthalten,
wobei jedoch die Summe der Flächendichten der Elemente in den jeweiligen
Teilschichten der vorgegebenen Gesamtflächendichte der jeweiligen von
diesen Teilschichten aufgebauten Kompensationsschicht entspricht. Durch
Unterteilung der einzelnen Kompensationsschichten ist es unter Umständen
möglich, eine noch bessere Anpassung der Meßcharakteristik an die durch
die ICRU vorgegebene Meßcharakteristik zu erreichen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind der
folgenden Beschreibung der Zeichnung und den Patentansprüchen zu
entnehmen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße
Sekundärstandard-Ionisationskammer, Fig. 2 eine Detailschnitt, Fig. 3 eine
Ausführungsform der Kompensationsschichten im Schnitt und Fig. 4 ein
Diagramm.
Die in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Sekundärstandard-Ionisationskammer
7 umfaßt eine kugelförmige Kammerwand 1, an deren Innenseite
Kompensationsschichten 3, 4, 5 und eine Außenelektrode 6 aufgebracht sind.
Die Kammer 7 kann auch eine andere Form als Kugelform besitzen, z. B. die
Form eines Zylinders usw. Eine derartige insbesondere luftgefüllte
Kammer kann z. B. einen Durchmesser von zirka 30 cm besitzen und eine zur
Messung der natürlichen Umgebungsstrahlung ausreichende Meßempfindlichkeit
besitzen. Die Innenelektrode besteht bei dieser Ausführungsform aus einer
Kugel 15, durch die von der Oberseite der Kammer 7 ein Aluminiumröhrchen 16
als Führungsrohr für einen Prüfstrahler 19 hineinragt. Da das Führungsrohr
16 keine elektrische Verbindung mit der Innenelektrode 15 bewirken darf,
ist es durch das Schirmrohr 17 elektrisch abgeschirmt und übt somit keinen
Einfluß auf die elektrischen Feldlinien im Inneren der Kammer 7 aus. Der
Prüfstrahler 19 wird durch das Ansatzstück 11 in das Führungsrohr
eingebracht und verbleibt nur während der Prüfmessung im Inneren der
Kammer.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß zur Ausbildung der
Außenelektrode die innerste Kompensationsschicht 5 elektrisch leitend
ausgebildet ist und/oder auf der innersten Kompensationsschicht 5 eine
dünne elektrisch leitende Schicht 6, z. B. aus Graphit oder Aluminium
od. dgl., ausgebildet, z. B. aufgedampft oder aufgesprayt ist, von der die
durchtretende zu messende Strahlung im Vergleich mit den Kompensationsschichten
nahezu unbeeinflußt bleibt bzw. in der von der durchtretenden
Strahlung nahezu keine Sekundärelektronen ausgelöst werden. Die die
Außenelektrode bildende leitende Schicht 6 kann z. B. in Form einer Aluminiumschicht
mit einer Flächen- bzw. Belegungsdichte von nicht größer als
0,05 mg/cm² Al ausgebildet werden. Die Sekundärstandard-Ionisationskammer
7 besitzt eine nicht mehr als 3 mm dicke luft-, gewebe- oder
wasseräquivalente Kammerwand 1, die zu wenigstens 85 Gew.-% aus einem, im
wesentlichen aus Polyacetal, insbesondere in einer Mischung bis zu 20 Gew.-%
Polytetrafluoräthylen, enthaltenen Grundstoff bestehen kann, dem
gegebenenfalls Zusatzstoffe, vorzugsweise Kalziumoxid, Aluminiumoxid,
Aluminium- und/oder Kohlenstoff zugemischt sind, wobei die Kammerwand 1
vorzugsweise höchstens 10 Gew.-% Aluminium als Zusatz enthält;
gegebenenfalls kann die Kammerwand 1 auch aus Polyäthylen bestehen.
In Fig. 2 ist ein Schnitt gemäß dem Detail A in Fig. 1 näher
dargestellt. Man erkennt die auf die Innenfläche der Kammerwand 1
aufgetragenen Kompensationsschichten 3, 4 und 5. Auf der innersten
Kompensationsschicht 5 ist die Außenelektrode 6 in Form einer elektrisch
leitenden Schicht aufgebracht, sofern nicht die innere
Kompensationsschicht 5 leitend ausgebildet und als Außenelektrode eingesetzt
wird.
Für die erste, äußerste Kompensationsschicht 3 werden
vorteilhafterweise die Elemente Barium und/oder Blei und/oder Wismut
eingesetzt. In der mittleren Kompensationsschicht 4 wird insbesondere
Kohlenstoff in Form von Graphit eingesetzt. Der in der Einbettungsmasse
(üblicherweise Kunstharz) für Graphit bzw. Bor bzw. Beryllium enthaltene
Kohlenstoff ist dabei in der gleichen Weise zu berücksichtigen, wie der
in dem Schichtmaterial der mittleren Kompensationsschicht eingesetzte
Kohlenstoff (Graphit). Die innere Kompensationsschicht 5 besteht vorteilhafterweise
aus zumindest einem der Elemente Aluminium, Magnesium,
Eisen, Kupfer, Nickel oder Zink, wobei auch andere Elemente mit einer
Ordnungszahl kleiner als Barium aber größer als Luft einsetzbar sind. Es
zeigte sich, daß bei entsprechender Wahl der Gesamtflächendichte der
einzelnen Elemente in den einzelnen Schichten ein Ansprechvermögen für
die Sekundärstandard-Ionisationskammer 7 erreicht wird, das den Vorschriften
der ICRU vollkommen genügt bzw. dem vorgegebenen Zusammenhang
zwischen Strahlungsenergie und Umgebungsäquivalentdosis sehr genau entspricht.
In Fig. 4 ist das relative Anspruchsvermögen a(E)a(CS), d. h. das
Ansprechvermögen in Abhängigkeit von der Energie[a(E)] bezogen auf das
Ansprechvermögen bei der Energie von ¹³⁷Cs-Gammastrahlung (0,661 MeV)
[a(Cs)], einer erfindungsgemäßen Sekundärstandard-Ionisationskammer
aufgetragen über der Strahlungsenergie E. Mit durchgezogener Linie ist
die von der ICRU vorgegebene Sollkurve angegeben, welche den Zusammenhang
zwischen der Umgebungsäquivalentdosis und der Photonenäquivalentdosis
bzw. der Ionendosis wiedergibt. Mit Kreisen bzw. Quadraten sind
Kurven für das relative Ansprechvermögen von zwei erfindungsgemäßen
Sekundärstandard-Ionisationskammern wiedergegeben; es zeigte sich, daß
Abweichungen von der vorgegebenen Sollkurve von nicht größer als ±2%
erzielbar sind, womit eine Meßeinrichtung geschaffen wurde, welche die
Messung von Absolutwerten der Umgebungsäquivalentdosis unabhängig von
dem Spektrum der zu untersuchenden Energiestrahlung in den vorgegebenen
SI-Einheiten mißt.
Es ist selbstverständlich auch möglich, die gesamte Meßanordnung
richtungsabhängig auszuführen und damit die (richtungsabhängige)
Richtungsäquivalentdosis zu messen.
Claims (13)
1. Sekundärstandard-Ionisationskammer zur präzisen Messung von
Photonenstrahlung mit einer im wesentlichen allseits geschlossenen,
insbesondere kugelförmigen, Kammerwand, die gegebenenfalls mit einer
Lufteintrittsöffnung versehen ist, einer Außenelektrode im Bereich der
Kammerwand und einer Innenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung
eines möglichst genauen Zusammenhanges zwischen der gemessenen
Ionendosis und den gewünschten ICRU-Meßgrößen der Umgebungsäquivalentdosis
H*(10) bzw. der Richtungsäquivalentdosis H′(10) und H′(0,07), insbesondere
unabhängig von der Energieverteilung der jeweiligen Strahlung, auf der
Innenseite der Wand (1) der Kammer (7), insbesondere diese zur Gänze
bedeckend, zumindest drei, gegebenenfalls mehrschichtig aufgebaute
Energiekompensationsschichten (3, 4, 5) aufgebracht sind, wobei die erste,
gegenüber der Strahlung im Vergleich zur Luft hinsichtlich der
Sekundärelektronenemission überempfindliche Kompensationsschicht (3) auf
der Kammerwand (1) zumindest ein Element mit im Vergleich zur Luft höherer
effektiver Ordnungszahl, vorzugsweise mit einer Ordnungszahl gleich oder
höher als Barium, insbesondere Blei und/oder Wismut, mit einer
Gesamtflächendichte von 0,1 bis 5 mg/cm², vorzugsweise 0,3 bis
3 mg/cm², des(r) Elemente(s), enthält, wobei auf diese außenliegende
Kompensationsschicht (3) eine zweite, mittlere Kompensationsschicht (4)
aufgebracht ist, die zur Erzielung der gewünschten Absorptions- bzw.
Filterwirkung zumindest ein Element mit einer Ordnungszahl kleiner als
Luft, vorzugsweise Kohlenstoff, insbesondere in Form von Graphit und/oder
Kunstharzen, und/oder Bor und/oder Beryllium, mit einer
Gesamtflächendichte von 5 bis 15 mg/cm², vorzugsweise 9 bis 11 mg/cm²,
des(r) Elemente(s) enthält, und wobei auf diese mittlere Kompensationsschicht
(4) eine dritte innere Kompensationsschicht (5) aufgebracht
ist, die zur Ausbildung einer im Vergleich zu Luft leicht überempfindlichen
Schicht zumindest ein Element mit einer Ordnungszahl größer
als Luft und kleiner als Barium, vorzugsweise eines der Elemente
Al, Mg, Fe, Cu, Ni, Zn, mit einer Gesamtflächendichte von 0,2 bis 2 mg/cm²,
vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mg/cm², des(r) Elemente(s) enthält.
2. Ionisationskammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in
den Kompensationsschichten (3, 4, 5) eingesetzten Elemente in elementarer
Form oder in Form von Verbindungen, insbesondere Oxiden, vorliegen.
3. Ionisationskammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elemente und/oder deren Verbindungen pulverförmig in den Kompensationsschichten
(3, 4, 5) enthalten sind.
4. Ionisationskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elemente und/oder deren Verbindungen in Form eines
dünnen Überzuges aufgedampft, aufgesputtert, aufgesprayt od. dgl. sind.
5. Ionisationskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elemente und/oder deren Verbindungen in aushärtenden
Harzen, vorzugsweise Epoxydharzen, als Pulver verteilt als
Kompensationsschichten (3, 4, 5) aufgebracht sind.
6. Ionisationskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die angegebenen Mengen der Elemente in der äußeren und
mittleren Kompensationsschicht (3, 4) in 2 bis 30 mg/cm², vorzugsweise 5
bis 20 mg/cm², und in der inneren Kompensationsschicht (5) in 0,2 bis 2 mg/cm²,
vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mg/cm², Epoxyharz verteilt aufgebracht
sind.
7. Ionisationskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Außenelektrode die innerste
Kompensationsschicht (5) elektrisch leitend ausgebildet ist oder auf der
innersten Kompensationsschicht (5) eine dünne elektrisch leitende Schicht
(6), z. B. aus Graphit oder Aluminium od. dgl., ausgebildet, z. B. aufgedampft
oder aufgesprayt ist, von der die durchtretende Strahlung im
Vergleich mit den Kompensationsschichten nahezu unbeeinflußt bleibt bzw.
in der von der durchtretenden Strahlung nahezu keine Sekundärelektronen
ausgelöst werden.
8. Ionisationskammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Außenelektrode bildende leitende Schicht (6) in Form einer Aluminiumschicht mit einer Flächen- bzw. Belegungsdichte von nicht größer als 0,05 mg/cm²
ausgebildet ist.
9. Ionisationskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß eine höchstens 3 mm dicke luft-, gewebe- oder wasseräquivalente
Kammerwand (1) vorgesehen ist, die zu wenigstens 85 Gew.-% aus
einem im wesentlichen Polyacetal, insbesondere in einer Mischung bis zu 20 Gew.-%
Polytetrafluoräthylen enthaltenen Grundstoff, besteht, dem gegebenenfalls
Zusatzstoffe, vorzugsweise Kalziumoxid, Aluminiumoxid, Aluminium
und/oder Kohlenstoff zugemischt sind.
10. Ionisationskammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kammerwand (1) höchstens 10 Gew.-% Aluminium als Zusatz enthält.
11. Ionisationskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kammerwand (1) aus Polyäthylen besteht.
12. Ionisationskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest eine der Kompensationsschichten (3, 4, 5)
aus Teilschichten (3′, 3′′; 5′, 5′′) aufgebaut ist, wobei diese
Teilschichten (3′, 3′′; 5′, 5′′) gleiche Elemente in vorzugsweise
unterschiedlicher Flächendichte oder unterschiedliche der in der
jeweiligen Kompensationsschicht möglichen Elemente in gleicher oder
unterschiedlicher Flächendichte enthalten, wobei jedoch die Summe der
Flächendichten der Elemente in den jeweiligen Teilschichten
(3′, 3′′; 5′, 5′′) der vorgegebenen Gesamtflächendichte der jeweiligen von
diesen Teilschichten aufgebauten Kompensationsschicht (3, 4, 5)
entspricht.
13. Ionisationskammer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kammer luftgefüllt ist.
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