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Strahlungsdosimeter
Die Erfindung betrifft ein Strahlungsdosimeter mit einer Ionisationskammer, über welcher bei Strah- lungseinfall ein Strom fliesst, dessen Zeitintegral als Mass für die Strahlungsdosis dient, sowie mit zwei Kapazitäten.
Die von Einzelpersonen empfangene radioaktive Strahlung wird mittels kleiner Ionisationsdosimeter gemessen, die zweckmässig in der Form von Füllfederhaltern oder als flache Plaketten ausgebildet sind und im wesentlichen aus einer Ionisationskammer sowie einer zu dieser parallelgeschalteten Kapazität bestehen, welch letztere entweder durch einen besonderen, hochisolierten Kondensator oder auch nur durch die Eigenkapazität der Kammer gebildet wird. Sämtliche bekannten lonisationsdosimeter beruhen auf dem gleichen Prinzip und unterscheiden sich nur durch konstruktive Einzelheiten-wie z. B. durch den Auflade-Schalter, den Aufbau des Kondensators, durch die Elektroden-Anordnung in der Ionisationskammer oder auch durch die Ausbildung der Messeinrichtung.
Bei Messungen mit dem Ionisationsdosimeter wird zuerst die Kapazität auf eine bestimmte Spannung Uo geladen und dann das Gerät ionisierenden Strahlen ausgesetzt, so dass durch die Ionisationskammer ein elektrischer Strom fliesst, welcher die in der Kapazität gespeicherte Ladung um einen jeweils der empfangenen Gesamt-Strahlungsdosis proportionalen Betrag vermindert ; wird nach Aufladung der Kapazität in einer bestimmten Zeit t die an derselben verbliebene Restspannung Um gemessen, so ergibt sich aus der Differenz Ut - hum ohne weiteres die in dieser Zeitspanne empfangene Strahlungsdosis. Die Ablesung des Dosimeterstandes in einem gewünschten Zeitpunkt kann entweder mittels eines extern angeschlossenen Messinstrumentes erfolgen oder auch mittels eines in das Dosimeter eingebauten Quarzfadenelektrometers-im letzteren Falle ohne Hilfseinrichtungen.
Diese Messinstrumente werden zweckmässig auf der Basis Uo = 0 unmittelbar in Dosis-Einheiten (Röntgen, Milliröntgen) geeicht.
Bei diesen Ionisationsdosimetern müssen beide Kammer-Elektroden sowie die Belegungen der Kapazität in mechanisch definierter Lage gegeneinander isoliert gehalten werden ; hiebei ist nun der parasitäre Leckwiderstand R der Isolation unvermeidbar, dessen Produkt mit der Kapazität C eine ausschliesslich nur von den Materialeigenschaften des Isolators abhängige Zeitkonstante RC ergibt, die somit durch die Kon- struktion praktisch nicht beeinflussbar ist ; obwohl modernste Isolatoren aus polymeren Kunststoffen durchaus Zeitkonstante in der Grössenordnung von i00 Jahren haben können, kann in rationeller Serienproduktion doch nur eine Zeitkonstante von weniger als 10 Jahren eingehalten werden.
Dieser Leckwiderstand R bewirkt nun auch bei Abwesenheit jeglicher Strahlung die spontane Entladung der Kapazität, wobei die Dosimeterspannung mit der Zeit t nach einem Exponentialgesetz abnimmt, das für kleine Werte von t linear
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einem Messbereich von 500 r und einer Zeitkonstante RC = 10 Jahre ist demnach nach einem Jahr jede Ablesung mit einer Ungenauigkeit von etwa 50 r behaftet-das ist etwa lolo des Messbereiches. Weitere Fehlerquellen liegen in ungenauer Einstellung der Aufladespannung Uo sowie in Änderungen der Dosimeterspannung durch Polarisationseffekte - wie etwa bei hochisolierenden Kondensatorfolien.
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sich ohne Einfluss auf den Anzeigefehler beliebig ändern - soferne sie nur über der Sättigungsspannung bleibt.
In der Verbindung zwischen beiden Kapazitäten entsteht ein neutraler Punkt, der mit der Dosimeterhülse verbunden werden kann und eine "virtuelle" Erde darstellt; dieser neutrale Punkt kann vorteilhaft an eine Hilfselektrode angeschlossen werden, welche die Kammer-Isolation unterteilt und in ähnlicher Weise bedeutend verbessert wie der bereits erwähnte guard-ring.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Strahlungsdosimeters dargestellt.
Es zeigen Fig. 1 ein Schaltbild ; Fig. 2 das zugehörige Ersatzschaltbild ; und schliesslich Fig. 3 einen für das Strahlungsdosimeter geeigneten Doppelkondensator.
Wie Fig. 1 zeigt, besteht das erfindungsgemässe Dosimeter aus einer Ionisationskammer IK mit den
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tend miteinander verbunden. Ihre Verbindung ist an dem Knotenpunkt 5 mit der Dosimeterhülse verbunden. Die beiden andern Belegungen 1 und 2 der Kapazitäten Cl und C sind mit je einer der beiden Kammerelektroden 3 und 4 verbunden. Die Schalter S und S können in bekannter Weise, z. B. durch ein Magnetfeld von aussen her betätigt werden. Die mit 6 bezeichnete Kammerisolation kann gegebenenfalls durch eine als guard-ring wirkende Hilfselektrode G unterteilt sein, wobei G ebenfalls an den auf Hülsenbzw. Erdpotential befindlichen Knotenpunkt 5 angeschlossen ist.
Die Anordnung arbeitet wie folgt : Vor Beginn der Mess-bzw. Überwachungszeit wird durch Schliessen des Schalters S1 die Kapazität C1 mit einer äusseren Spannungsquelle in Verbindung gebracht und von dieser auf eine bestimmte Spannung Uo aufgeladen. Durch Schliessen des Schalters 5z wird zugleich ein Entladestromkreis für die Kapazität C geschlossen und diese entladen.
Trifft nun eine ionisierende Strahlung das Dosimeter, so wird unter dem Einfluss der Ladespannung von
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Wie das Ersatzschaltbild nach Fig. 2 zeigt, liegen zwar parallel zu den Kapazitäten Cl und C2 Isola- tionswiderstände R bzw. R, dagegen liegt dank der Wirkung der Hilfselektrode G kein Isolationswiderstand parallel zur Ionisationskammer IK. Es ergibt sich also durch Anbringung der Hilfselektrode G eine ganz bedeutende Verbesserung der Isolation. Parallel zur Ionisationskammer liegt lediglich eine parasitäre Kapazität C, die aber sehr klein gehalten werden kann.
Durch den Isolationswiderstand R fällt die Speisespannung der Ionisationskammer mit einer Zeitkonstante R C. dieses Absinken der Spannung ist jedoch unschädlich, sofern es nur der Bedingung genügt, dass die Kammerspannung während der Messzeit die Sättigungsspannung nicht unterschreitet.
Die in C gesammelte Ladung wird im Laufe der Zeit durch den Isolationswiderstand R vermindert.
Die Bildung des hiedurch bedingten Messfehlers setzt aber erst mit Beginn der Bestrahlung ein ; der Fehler ist der empfangenen Dosis proportional. Deshalb wird jede empfangene Dosis unabhängig von ihrer Grösse mit dem selben relativen Fehler behaftet, so dass auch die Messung von sehr kleinen Dosen mit hinreichender Genauigkeit möglich ist.
Die Möglichkeit, dass überhaupt eine gefährliche Strahlung auftritt, wird meistens die Folge von Ereignissen, z. B. die Folge einer Panne, eines Präparatebruches oder einer Atombombenexplosion sein, die als solche feststellbar sind, und man wird nach einem solchen Ereignis unverzüglich eine Ablesung der möglicherweise in den Strahlungsbereich gelangten Dosimeter vornehmen. Die Zeit, die zwischen Bestrahlung und Ablesung vergeht, wird deshalb im allgemeinen viel kürzer sein als die Zeit während deren das Dosimeter vorher schon in Bereitschaft gestanden hat, und der relative Messfehler ist somit dementsprechend klein.
Die Spannungsänderungen an der als Spannungsquelle dienenden Kapazität Cl werden durch die parasitäre Kammerkapazität C3 auf die Kapazität C übertragen, wodurch auch ohne Bestrahlung eine Spannung an C entsteht. Dieser zusätzliche Fehler legt die untere Empfindlichkeitsgrenze des Dosimeters fest.
Macht man Cl = C2 = C und nimmt man an, dass R-R-R ist, so liegt das Verhältnis der oberen zur
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tIm folgenden sollen noch einmal die Verhältnisse hei dem Dosimeter gemäss der Erfindung mit denen bei den bekannten Dosimetern verglichen werden : . Bei einem Dosimeter, bei dem ein und dieselbe Kapazität sowohl als Spannungsquelle als auch zum Integrieren des Kammerstromes dient, beträgt der Ablesefehler annähernd
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wenn t. die Zeit zwischen Aufladung und Ablesung des Dosimeters, Dmax seine obere Bereichsgrenze und RC die Zeitkonstante seiner Kapazität ist.
Der auf'den Messwert D bezogene relative Messfehler
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) ist von dem Messwert abhängig und wird bei kleinen Dosisanzeigen sehr gross. Wenn Dmin der kleinste
Wert ist, dessen Anzeige noch verlangt wird, und p max der maximale Messfehler sein soll, muss die Zeit- konstante die Beziehung
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erfüllen.
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Durch eine geeignete Behandlung der Isolierfolien kann man an sich für den spezifischen Widerstand noch den Wert 1021 Ohm cm erreichen. Infolge Verminderung dieses Wertes durch radioaktive Bestrahlung und durch undefinierbar geringe Verschmutzung kann jedoch nur mit dem oben angegebenen Wert von 10 Ohm cm sicher gerechnet werden. Dadurch werden gemäss der obigen Beziehung (1) die durch tril, pmax und Dmax/Dmin bestimmten Dosimetereigenschaften beschränkt.
Die Berechnung der elektrischen Eigenschaften des Dosimeters gemäss der Erfindung ergibt dagegen für den relativen Messfehler p und das Bereichsgrenzen-Verhältnis Dmax/Dmin folgende zwei Bedingungen :
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worin tm wiederum die Zeit zwischen Aufladung und Ablesung, to die Zeit zwischen Aufladung und Strah-
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kapazität der Ionisationskammer bedeuten. Hier muss folglich die Zeitkonstante die Relationen
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befriedigen.
Die Zeitkonstante ist also nicht mehr, wie bei den bekannten Dosimetern der gesamten Messzeit tm, sondern nur noch der zwischen der Strahlungsexposition und der Ablesung liegenden Zeit tm - to proportional.
Für sehr grosse Bereiche zwischen den Grenzen Dmin und Dmax und nicht allzu kleine Werte des höchstens zugelassenen Fehlers pmax bestimmt allein die rechte der Beziehung (2) die Zeitkonstante.
Für dieselben Dosimeterqualitäten kann deshalb bei dem erfindungsgemässen Dosimeter die Zeitkonstante um den Faktor
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kleiner sein als bei einem Dosimeter der bekannten Art. Anders ausgedrückt, ist die Isolation des erfindungsgemässen Dosimeters um den Faktor F besser.
Wie schon oben erwähnt, können bei dem Dosimeter'gemäss der Erfindung die beiden Kapazitäten entweder durch zwei räumlich getrennte Kondensatoren oder durch die lediglich elektrisch voneinander getrennten Teilkapazitäten eines einzigen Kondensators gebildet werden. Dieser Doppelkondensator kann beispielsweise nach Fig. 3 aufgebaut werden.
Der Doppelkondensator nach Fig. 3 ist als Wickelkondensator ausgebildet und um die Ionisations- kammer IK herumgewickelt, welche einen flachen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. 12 ist die ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt aufweisende Dosimeterhülse, die den Kondensator umschliesst.
Die Leiterfolien 1 und 2 sind an die in den Fig. 1 und 2 mit denBezugszeichen 3 bzw. 4 versehenenKam- merelektroden angeschlossen, während die Leiterfälien 11 und 21 mit der Hülse 12 leitend verbunden sind.
Die die Belegungen bildenden Leiterfolien 1, 11,2 und 21 sind etwas breiter als die zwischen ihnen liegenden, gestricheltgezeichneten Isolierfolien 7 - 10, so dass sich die Isolierfolien an den Rändern gegenseitig nicht berühren können. Dadurch wird das Auftreten eines parasitären Widerstandes zwischen den beiden Kammerelektroden verhindert. An ihren an die Ionisationskammer IK grenzenden Enden sind die Isolierfolien zusammen mit den mit der Hülse 12 verbundenen Metallfolien 11 und 21 an die Metallleisten G bzw. G angeschlossen, die zusammen die in Fig. 1 dargestellte Hilfselektrode G bilden, welche die Isolation zwischen den Kammerelektroden in zwei Teile unterteilt.
Zusammengefasst weist das Dosimeter gemäss der Erfindung gegenüber den bekannten Dosimetern folgende Vorteile auf : Für dieselbe Messgenauigkeit werden viel geringere Anforderungen an die Kondensator-Zeitkonstante und damit an die Isolation gestellt.
Trotzdem findet noch eine Erweiterung des Messbereiches nach kleinen Messwerten hin statt. Im gesamten Messbereich ist der relative Messfehler konstant. Die Ladespannung, mit der das Dosimeter aufgeladen wird, braucht nicht genau auf einen ganz bestimmten Wert eingestellt zu werden. Das Anzeigegerät misst statt einer Spannungsdifferenz den Vollwert einer Spannung, wodurch die Anforderungen an seine Genauigkeit geringer sind. Es bietet sich aus diesem Grunde auch die Möglichkeit einer Ablesung über mehrere Dekaden auf einer logarithmischen Skala oder in mehreren linearen Bereichen. Ohne Empfang einer Strahlung erfolgt keine Anzeige. Alle diese Vorteile werden erreicht, ohne dass der Aufbau des ganzen Dosimeters wesentlich komplizierter wäre als der der bekannten Dosimeter.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Strahlungsdosimeter mit einer Ionisationskammer, über welche bei Strahlungseinfall ein Strom fliesst, dessen Zeitintegral als Mass für die Strahlungsdosis dient, sowie mit zwei Kapazitäten, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Kapazität (Cl) die Ionisationskammer-Spannung liefert und die andere (C) zur Integration des Ionisationskammer-Stromes dient, wobei beide Kapazitäten zwischen je einer der Ionisationskammer und einem Bezugspotential (5) angeordnet sind, welch letzteres vorzugsweise die Hülse (12) des Dosimeters trägt.
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