DE4112086A1 - Sekundaerstandard-ionisationskammer zur messung von photonenstrahlung - Google Patents

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.