Verfahren und Vorrichtung zur Strahlungs-Dosismessung mit Hilfe einer zur Thermolumineszenz befähigten Substanz
Es ist bekannt, dass bestimmte kristallische Substanzen, wie Quarz, wenn sie einer Röntgenstrahlung oder radioaktiven Strahlung ausgesetzt und erhitzt werden, Licht abgeben. Diese Abgabe von Licht oder Lumineszenz wird verursacht durch thermische Freisetzung von Elektronen aus metastabilen Zuständen unter Rückkehr in den Grundzustand. Als thermolumineszentes Material mit ausserordentlich guten Strahlungseigenschaften ist Lithiumfluorid bekannt.
Wird diese Substanz einer Röntgenstrahlung mit einer Intensität einiger Milliröntgen (mr) ausgesetzt, dann liefert sie im sichtbaren Spektrum eine messbare Strahlung. Es ist jedoch schwierig, mit kommerziellen Apparaturen solch kleine Lichtmengen zu messen, und zwar wegen des Vorhandenseins äusserer Signale, z. B. von Störsignalen.
Bisher ist die Messung so ausgeführt worden, dass das bestrahlte Material auf ein festes Heizelement gebracht und die erzeugte Lichtstrahlung beim Ansteigen der Temperatur des Materials gemessen wurde. Solche Wärmequellen erzeugen jedoch selbst eine Strahlung, welche auf die Abfühlvorrichtung in unerwünschtem Masse einwirkt.
Eine andere Quelle äusserer Signale tritt auf beim Erhitzen von nicht bestrahltem Lithiumfluorid bei Messtemperaturen in Gegenwart von Luft. Infolge der dadurch erzeugten Strahlung entstehen feststellbare Messanzeigen. Solche zusätzlichen Signale infolge äusserer Quellen tragen wesentlich zum Störpegel bei.
Sollen Messergebnisse von grösserem informatorischem Wert erzielt werden, dann muss die Lichtausbeute exakt bestimmt werden. Mit normalen Strahlungsmessungen soll eine Strahlungs-Dosismessung im Bereich mehrerer Grössenordnungen ausführbar sein. Übliche elektrische Signalmessgeräte, die für solche Zwecke verwendet werden, enthalten einen lichtelektrischen Wandler, der eine elektrische Grössenanzeige liefert. Als Wandler ist in einer üblichen Apparatur ein Photomultiplier vorgesehen, der ein elektrisches Signal erzeugt, welches durch Integration gespeichert wird, sowie ein Elektrometerkreis, der zur Messung des gespeicherten Signals dient. Dabei muss man jedoch üblicherweise auf komplizierte Elektrometerkreise zurückgreifen, wenn der lineare Messbereich des Elektrometerkreises auf die gewünschten Grössenordnungen der Strahlungsmessung ausgedehnt werden soll.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der angegebenen Nachteile mit einfachen und wirtschaftlichen Mitteln.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Strahlungs-Dosismessung mit Hilfe einer zur Thermolumineszenz befähigten Substanz, die vor der Messung bestrahlt worden ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die bestrahlte Substanz unter Überleiten eines Gases, das keinen Sauerstoff enthält, auf eine bestimmte Messtemperatur erhitzt wird und dass die durch die Erhitzung freigesetzte Strahlung gemessen wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, mit einer Kammer und einer lichtempfindlichen Abfühlvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass a) in der Kammer zwei getrennte elektrische Kontakte, b) Mittel zur Abdichtung der Kammer gegen den Einfall von Licht, c) ein Träger zum Einführen eines Widerstandselementes, das mit einer thermolumineszenten Substanz in enger Berührung steht, derart, dass durch das Widerstandselement die Kontakte überbrückt werden, und d) Mittel zum Durchleiten eines elektrischen Stromes durch die Kontakte und das Widerstandselement vorgesehen sind.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens anhand der beigefügten Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt in Draufsicht, teilweise geschnitten, eine Vorrichtung zur Strahlungs-Dosismessung mit Hilfe von Thermolumineszenz.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2 mit Darstellung des Trägers des thermolumineszenten Materials gegenüber dem elektrischen Kontakt der Messapparatur in der Stellung beim Messen.
Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung, teilweise geschnitten, den Träger des Materials.
Fig. 5 zeigt in grösserem Massstab im Schnitt längs einer der Linie 5-5 in Fig. 1 entsprechenden Linie eine modifizierte Ausführungsform, bei welcher eine Atmosphäre ohne Sauerstoff verwendet wird.
Fig. 6 zeigt im Schnitt längs der Linie 6-6 in Fig. 4 die Lage eines elektrischen Kontaktsatzes gegenüber der Kante des Trägers.
Fig. 7 zeigt in perspektivischer Ansicht die Vorrichtung zur Strahlungsmessung.
Fig. 8 zeigt in halb schematischer Darstellung die elektrische Einrichtung der Messvorrichtung aus den Figuren 1 bis 7.
Fig. 9 zeigt ein Zeitdiagramm mit dem Arbeitszyklus der Zeitgeberkontakte der Einrichtung aus Fig. 8.
Gemäss den Figuren 1 bis 3 enthält die Messvorrichtung eine Basiskammer 10, auf welcher das Gehäuse 12 eines Photomultipliers montiert ist. Der Photomultiplier 14 ist in einer magnetischen Abschirmung 15 mit einem zylindrischen Durchbruch 16 an ihrer Unterseite montiert, durch den das Gesichtsfeld der lichtempfindlichen Elemente der Photomultiplierröhre bestimmt wird. Das Gehäuse 12 sitzt in einem eingelassenen zylindrischen Sitz 17 auf dem Deckelstück 18 der Kammer 10; es enthält eine zylindrische Öffnung 20, welche sich an die Öffnung 16 der Abschirmung 15 anschliesst. Das Bodenstück 2 der Kammer 10 ist mit einer Ausnehmung 24 versehen, in welcher zwei elektrische Kontakte 26 und 28 angeordnet sind.
Jeder dieser Kontakte weist zwei übereinanderliegende Kontaktplatten 30 und 31 aus Beryllkupfer auf, die vermittels zweier Schrauben 33 mit ihren Flachseiten aneinanderliegend an einem Stecker 32 befestigt sind. Das untere Ende jedes Steckers ist, wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, mit einer Ausnehmung zur Aufnahme einer Klemme 34 versehen, die einen Leiter 36 trägt und vermittels einer Schraube 38 an dem Stecker befestigt ist.
Ein Halter 40 mit einer Handhabe 42 an seinem äusseren Ende ist eine und auswärts verschiebbar in dem Bodenstück gelagert. Er ist an der Unterseite an seinem inneren Ende mit einem nach unten weisenden Stift 44 versehen, der normalerweise in eine Rinne 46 des Bodenstückes 22 eingreift und der die Längsbewegung des Halters 40 begrenzt. Der Halter weist ferner eine als Ausnehmung 48 ausgebildete Aufnahme mit eingedrücktem zylindrischem Sitz 50 auf.
In der Nähe des vorderen Teils der Basiskammer und dem Bodenstück 22 sind zwei Platten 52 montiert, und zwar zu beiden Seiten des Halters 40. Diese Platten 52 sind mit Ausnehmungen 53 versehen, in welchen Filzblöcke 54 befestigt sind, die an den Kanten des Halters anliegen und ebenso an den einander zugewandten Flächen der Teile 18 und 22 der Kammer. Diese Blöcke stellen einen lichtdichten Abschluss her. Zusätzliche Dichtungsglieder können in dem Bodenstück 22 und im Deckelstück 18 gegebenenfalls vorgesehen werden.
Der Träger 60 für das thermolumineszente Material ist gemäss Fig. 4 als flacher, polierter Blechteil mit zwei ebenen Endstücken 62 ausgebildet. Diese arbeiten mit den Kontakten 26 und 28 und einer zentralen zylindrischen Einsenkung 64 zusammen, die zur Aufnahme des Materials dient. Die Abmessungen der Einsenkung und die Grösse der Messvorrichtung sind vorzugsweise so abgestimmt, dass das gesamte der Strahlung ausgesetzte Material in der Einsenkung 64 in einer Schicht ausgebreitet werden kann, deren Dicke etwa der mittleren Grösse der in Fig. 5 angegebenen Partikel entspricht. Der Träger wird durch Stanzen aus rostfreiem Stahlblech von 0,25 mm Dicke und den ungefähren Kantenabmessungen 28 x 34 mm hergestellt. Die Einsenkung 64 hat einen Durchmesser von etwa 14 mm und eine Tiefe von etwa 1,6 mm.
Die beiden Kontakte 26 und 28 arbeiten in der Kammer mit den ebenen Endstücken 62 des Trägers 60 zusammen. Diese Kontakte sind im einzelnen in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Jede der Platten 30 und 31 ist mit einer quer verlaufenden Ausnehmung 66 versehen, welche am äusseren Ende eine Erhebung mit der Kante 68 aufweist. Jede der Platten hat 5 Zinken 70, die senkrecht zur Ausnehmung 66 verlaufen und die einzeln durch Bewegen des Trägers 60 so aufgebogen werden können, dass die Kante 68 einer jeden Zinke am Endstück 62 zur Anlage kommt, wenn der Träger zwischen den Zinken hindurchgeschoben wird, und in der Stellung zwischen den Zinken fest mit diesen in Eingriff bleibt.
Jede der Kanten 72 der Zinken, die näher an der Vorderseite der Kammer 10 liegen, ist mit einer Schräge versehen, welche den Eintritt des Trägers 60 zwischen einander gegenüberstehenden federnden Zinken 70 erleichtert. Der Eingriff der Finger 70 mit dem Träger 60 erfolgt so längs parallelen Linien, die in Fig. 4 mit gestrichelten Linien 74 angedeutet sind, zu beiden Seiten der Platte, so dass ein geringer Übergangswiderstand entsteht.
Gemäss Fig. 5 wird der Gasinhalt der Messkammer so geregelt, dass eine Verbesserung der Messung durch Unterdrückung von unerwünschter Lumineszenz erfolgt. Für diesen Zweck ist eine Quelle 80 für sauerstofffreies Gas vorgesehen, dessen Druck mindestens ein wenig über dem Atmosphärendruck gehalten wird. In der bevorzugten Ausführungsform wird als Gas reiner Stickstoff verwendet. Als weitere Gase dieser Art haben sich Kohlendioxyd und Argon als geeignet erwiesen. Die Gasquelle 80 steht über das Ventil 82, die Leitung 84 und den Durchlass 86 mit der Kammer 10 in Verbindung. Das Ventil 82 kann von Hand einstellbar oder automatisch zur Steuerung des Gaszuflusses in Synchronismus mit den Messzyklen betätigbar sein. Die Kammer 10 ist lichtdicht, aber nicht gasdicht.
Die den Halter 40 umgebenden Filzblöche sorgen für einen lichtdichten Abschluss der Kammer, lassen jedoch Gas durch, so dass vor der Messung aller Sauerstoff aus der Kammer verdrängt werden kann.
Gemäss Fig. 7 ist die Messapparatur in einem Kasten 90 untergebracht. Die Handhabe 42 des Halters 40 befindet sich an der Vorderseite des Kastens.
Ebenso befinden sich an der Vorderseite des Kastens ein Einschalter 92, durch welchen die Stromzufuhr des Gerätes eingeschaltet wird, ein Einschalter 94 für den Messkreis, ein Multiplikationsschalter 96 und Indikatorlampen 98 und 100, die ein Vielfaches des Ausgangssignals des digitalen Voltmeters, das im Fenster 102 erscheint, anzeigen. Neben dem Fenster 102 ist die Nulleinstellung 104 des Voltmeters angebracht.
Fig. 8 zeigt die Schaltung. Die Stromquelle 106 ist durch den Schalter 92 mit dem im Kasten 90 befindlichen Gebläse 108, mit einem Hochspannungsgenerator 110 für den Photomultiplier 14 und mit dem digitalen Voltmeter 112 verbunden. Wechselstrom erhält auch durch den Zeitschalter 114 ein Autotransformator 116 mit einstellbarer Anzapfung 118 und dann durch den die Spannung reduzierenden Transformator 120 die Platte 60, die mit Hilfe der Kontakte 26 und 28 in den Stromkreis eingeschaltet ist. An die Klemmen der Sekundärspule des Transformators ist ein Messinstrument 122 geschaltet, der den durch die Platte 90 fliessenden Strom anzeigt.
Die Zeiteinstellung des Ablesecyclus des Dosimeters wird durch den Einstellmotor 124 reguliert, der durch den Schalter 94 mit der Stromquelle verbunden ist. Quer durch den Schalter 94 liegen der Kondensator 126 und der Widerstand 128 parallel mit den Zeitgebekontakten 130, die den Stromkreis geschlossen halten, wenn einmal durch einen Druck auf den Knopf 94 der Stromkreis geschlossen wurde.
Der Ausgangsstrom des Photomultipliers 14 gelangt durch die Zeitgebekontakte 132 zu dem integrierenden Kondensator 134. Mit diesem parallel liegende Zeitkontakte 136 liefern einen Entladungsweg für den Kondensator 134 zu Beginn jeder Ableseperiode. An den Kondensator 134 ist ein Multiplikatorkreis geschaltet, der einen zweiten Kondensator 138 enthält, dessen Kapazität ein genaues Vielfaches der Kapazität des Kondensators 132 beträgt, beispielsweise den neunfachen Wert. Der Kondensator 138 ist durch den Widerstand 140 mit zwei normalerweise geschlossenen Schaltkontakten 96-1 derart verbunden, dass er normalerweise kurzgeschlossen und vollständig entladen ist.
Ein zweiter Satz von normalerweise offenen Schaltkontakten 96-2 wird geschlos sen, wenn man die Kontakte 96-1 öffnet, so dass der Kondensator 138 mit dem Kondensator 132 parallel geschaltet wird, vorausgesetzt, dass die Kontakte 142 geschlossen sind.
Jede Parallelschaltung dieser Kondensatoren wird durch die Lampen 98 und 100 angezeigt, welche durch die mit Hilfe des Druckknopfes 98 in Tätigkeit gesetzte Relais-Logik reguliert werden. Die Logik erhält Gleichstrom durch die Zeitkontakte 144 und enthält drei Relais 146, 148 und 150. Diese erhalten Strom durch die Kontakte 96-3, 96-4 und 96-5 des mehrfachen Druckknopfes 96. Relais 146 besitzt zwei Sätze von normalerweise offenen Kontakten 146-1 und 146-2; Relais einen Satz normalerweise offener Kontakte 148-1 während Relais 150 zwei Sätze normalerweise offener Kontakte 150-1 und 150-2 und einen Satz normalerweise geschlossener Kontakte 150-3 aufweist. Der Gleichstrom stammt von einem Zweiweggleichrichter, die Lampen werden mit Wechselstrom von 6,3 Volt gespeist.
Die Ladung des Kondensators 134 wird durch den Elektrometerkreis gemessen, enthaltend den hochohmigen Widerstand 152 (1 016Ohm) der an den Gitterwiderstand 154 des Gitters 156 der Elektrometerröhre 158 geschaltet ist. Die Kathode 160 dieser Röhre erhält eine Vorspannung von 1,3 Volt durch die Batterie 162 und ist durch den Widerstand 164 geerdet. Schirmgitter 166 der Elektrometerröhre ist mit der Anode 168 verbunden und diese ist durch den Gleichstromkompensierkreis, bestehend aus einem variablen Widerstand 172 und zwei fixen Widerständen 174, 176, mit dem positiven Pol 170 einer Gleichstromquelle verbunden.
Das Ausgangssignal gelangt an das digitale Voltmeter 112 durch ein Netzwerk, enthaltend zwei fixe Widerstände 178 und 180 und der variable Widerstand 182 ermöglicht es, die Ausgangsspannung der Elektrometerröhre 158, die an das Voltmeter geliefert wird, zu teilen.
Das Signal wird in einen Zahlenwert umgewandelt, der am Zeiger 102 abgelesen werden kann.
Die thermolumineszenten Kristalle 88 (vorzugsweise Lithiumfluorid), die während der Ablesung geheizt werden, sind in der Vertiefung 64 in dünner Schicht angeordnet und die Platte ist auf dem Schlitten 40 angeordnet.
Der Schlitten mit der Platte wird in die Heizkammer in die Stellung gemäss Fig. 1-3 geschoben, wobei die Kanten 62 der Platte mit den Kontakten 26 und 28 in Berührung kommen und der Stromkreis geschlossen wird. Vorzugsweise wird dabei die Kam mer 10 mit reinem Stickstoff gefüllt um Sauerstoffreste wegzuspülen.
Wenn sich die Platte 60 auf diesem Platz befindet, wird der Druckknopf 94 abgedrückt und das Heizen in sauerstofffreier Atmosphäre beginnt. Der durch die Platte 60 aus rostfreiem Stahl fliessende starke Strom erwärmt das thermolumineszente Material so, dass dieses bei Bestrahlung Licht aussendet.
Da die Kristallschicht dünn ist, gelangt die Strahlung praktisch sämtlicher Kristalle zum Photomultiplier 14. Auch die spiegelnde Fläche der Platte wirkt mit, um sämtliches von den Kristallen stammende Licht auf die empfindliche Fläche des Photomultipliers zu richten. Vorzugsweise wird der Motor 124 derart betrieben, dass der Heizstrom jeweils zehn Sekunden fliesst, so dass die Platte auf etwa 3000 C und die Kristalle auf 210 C erwärmt werden. Die Photomultiplierröhre ist in den Stromkreis des Ableseinstrumentes mit dem Fluss des Heizstromes synchronisiert geschaltet und für fünfzehn Sekunden in dieser Schaltung gehalten zwecks Ablesens.
Der Zeiteinstellmotor 124 liefert einen Operationscyclus wie in Fig. 9 angegeben. (Der Einfachheit halber sind Kontakte gezeichnet, aber es ist besser Relais hoher Impedanz in Verbindung mit den Kondensatoren 134 und 138 zu verwenden.)
Bei Beginn jedes Cyclus sind nur die Kontakte 142 und 144 geschlossen. Bei Drücken auf den Druckknopf 94 wird der Motor 124 in Gang gesetzt und die Kontakte 142 und 144 öffnen sich, während sich die Kontakte 114, 130, 132 und 136 schliessen.
Das Öffnen von Kontakt 142 löst die Relais 146, 148 und 150 aus. Das Schliessen von Kontakt 114 liefert Heizstrom für die auf der Platte 60 befindlichen Kri stille; Kontakt 130 schliesst den Kreis für den Motor 124; Kontakt 132 verbindet den Photomultiplier mit dem integrierenden Kreis, während Kontakt 136 die Entladung des Kondensators 134 bewirkt. Nach kurzem (im allgemeinen weniger als zwei Sekunden) wird Kontakt 136 geöffnet. Dies erfolgt, bevor das thermolumineszente Material soweit erwärmt ist, dass es wahrnehmbares Licht aussendet. Nach zehn Sekunden wird der Kontakt 114 geöffnet, wodurch der Heizstrom unterbrochen wird, und bei Ablauf der fünfzehn Sekunden öffnen die Kontakte 130 und 132, stellen den Motor 124 ab und unterbrechen die Verbindung des Photomultipliers 14 mit dem Kondensator 113 und Kontakte 142 sowie 144 schliessen.
Der Photomultiplier nimmt das vom geheizten thermolumineszenten Material erzeugte Licht wahr und liefert einen Strom, der durch die Zeitschalter 132 zum Aufladen des Kondensators 134 dient. Die Ladung des Kondensators 134 wird durch den Elektrometerkreis gemessen, der eine so grosse Eingangsimpedanz hat, dass die angesammelte Ladung nicht beeinflusst wird. Der Zahlenwert kann am digitalen Voltmeter 112 abgelesen werden. Sollte der abzulesende Wert am Ende des Cyclus über die Skala hinausreichen, also der lineare Teil der Charakteristik des Elektrometerkreises überschritten sein, wird der Druckknopf 95 eingedrückt und dadurch der Kondensator 138 parallel zum integrierenden Kondensator 134 geschaltet, wodurch die Ladung des Kondensators 134 um einen Zehnerfaktor reduziert wird.
Diese Operation, mit welcher die Kondensatoren 138 und 134 durch die Kontakte 96-2 parallel geschaltet werden, schliesst auch die Kontakte 96-3 und setzt das Relais 146 unter Strom. Tritt dieses Relais in Funktion, wird durch die Kontakte 146-1 ein Kreis geschlossen, der dieses Relais in Funktion hält sowie durch die Kontakte 146-2, wobei die Indikatorlampe 98 aufleuchtet und anzeigt, dass der im Fenster 102 erscheinende Zahlenwert mit 10 multipliziert werden muss.
Wird der Druckknopf freigelassen, setzen die Kontakte 964 das Relais 148 in Funktion und die Kontakte 148-1 werden geschlossen, wodurch ein Stabilisierkreis für Relais 148 gebildet und die untere Klemme des Schalters 96-5 unter Strom gesetzt wird. Sollte die Ablesung am Voltmeter den linearen Teil der Charakteristik des Elektrometerkreises noch immer überschreiten, kann man den Knopf 96 wieder eindrücken, und die Ladung um einen weiteren Zehnerfaktor herabsetzen, also auf einen Hundertstel des Originalwertes, wobei die Kontakte 96-5 geschlossen werden, welche das Relais 150 in Funktion setzen. Dadurch schliesst der Kontakt 150-2 einen Stabilisierkreis, Kontakt 150-2 setzt den X-100 Indikator 100 in Betrieb und Kontakt 150-3 öffnet sich um den X-10 Indikator 98 ausser Betrieb zu setzen.
Es können auch weitere Multiplikationsstufen des Indikators oder andere Schaltungen für diesen Zweck eingebaut sein.
Sobald die Heizperiode beendet ist, wird der Stromkreis geöffnet und die Platte 60 kann aus der Kammer 10 entfernt werden. In dieser Weise wird der Einfluss der Wärmequelle auf die Empfindlichkeit des Photomultipliers auf ein Minimum herabgesetzt. Die Wärme liefernde Fläche ist praktisch gleich der Fläche des thermolumineszenten Materials und dieses steht in guter Wärmeübertragung mit der Heizfläche. Aus diesem Grunde ist die Temperatur auf welche die Unterlage gebracht werden muss, um gute Ablesung zu gewährleisten, verhältnismässig niedrig. Ausserdem dringt beim Herausnehmen oder Einschieben der Unterlage praktisch kein Licht in die Kammer und der Dunkelstrom des Photomultipliers wird nicht beeinflusst.
In sauerstofffreier Atmosphäre erzeugt das Erhitzen der Kristalle eine Lumineszenz, die eine direkte Funktion der Bestrahlung der Kristalle ist, wodurch eine genaue Anzeige der Dosierung der Strahlung möglich ist. Anderweitige Lumineszenz, die wahr scheinlich auf die Einwirkung von Sauerstoff auf die Gitterstruktur der Kristalle zurückzuführen ist, wird ausgeschlossen, so dass der Störpegel herabgesetzt und eine gleichmässige Empfindlichkeit gewährleistet ist.
Der Elektrometerkreis ist sehr einfach, die Ablesung genau und die ganze Anordnung ist leicht zu handhaben, so dass das Elektrometer im linearen Teil seiner Charakteristik arbeitet und trotzdem Ablesungen in einem Bereich von fünf Zehnerpotenzen ermöglicht also z. B. von 1 mR bis zu 100 R.
Method and device for radiation dose measurement with the aid of a substance capable of thermoluminescence
It is known that certain crystalline substances, such as quartz, emit light when exposed to X-rays or radioactive radiation and heated. This emission of light or luminescence is caused by the thermal release of electrons from metastable states with a return to the ground state. Lithium fluoride is known as a thermoluminescent material with extremely good radiation properties.
If this substance is exposed to X-rays with an intensity of a few milli-X-rays (mr), it produces a measurable radiation in the visible spectrum. However, it is difficult to measure such small amounts of light with commercial equipment because of the presence of external signals, e.g. B. of interference signals.
So far, the measurement has been carried out in such a way that the irradiated material is placed on a fixed heating element and the light radiation generated is measured when the temperature of the material rises. However, such heat sources themselves generate radiation which acts on the sensing device to an undesirable extent.
Another source of external signals occurs when non-irradiated lithium fluoride is heated at measurement temperatures in the presence of air. As a result of the radiation generated in this way, measurable displays are created. Such additional signals as a result of external sources contribute significantly to the interference level.
If measurement results of greater informative value are to be achieved, the light yield must be determined exactly. With normal radiation measurements it should be possible to carry out a radiation dose measurement in the range of several orders of magnitude. Common electrical signal measuring devices that are used for such purposes contain a photoelectric converter that supplies an electrical size display. A photomultiplier is provided as a converter in conventional apparatus, which generates an electrical signal which is stored by integration, as well as an electrometer circuit which is used to measure the stored signal. In this case, however, one usually has to resort to complicated electrometer circles if the linear measuring range of the electrometer circle is to be extended to the desired orders of magnitude of the radiation measurement.
The invention aims to avoid the specified disadvantages by simple and economical means.
The method according to the invention for radiation dose measurement with the aid of a substance capable of thermoluminescence which has been irradiated before the measurement is characterized in that the irradiated substance is heated to a specific measurement temperature while passing a gas that does not contain oxygen and that the radiation released by heating is measured.
The inventive device for carrying out this method, with a chamber and a light-sensitive sensing device, is characterized in that a) two separate electrical contacts in the chamber, b) means for sealing the chamber against the incidence of light, c) a carrier for inserting one Resistance element which is in close contact with a thermoluminescent substance, in such a way that the contacts are bridged by the resistance element, and d) means are provided for conducting an electrical current through the contacts and the resistance element.
A preferred embodiment of the device for carrying out the method according to the invention is explained below with reference to the accompanying drawing.
Fig. 1 shows a plan view, partially in section, a device for radiation dose measurement with the aid of thermoluminescence.
FIG. 2 shows a section along the line 2-2 in FIG. 1.
FIG. 3 shows a section along the line 3-3 in FIG. 2 showing the carrier of the thermoluminescent material opposite the electrical contact of the measuring apparatus in the position during measurement.
Fig. 4 shows a perspective view, partially in section, the carrier of the material.
FIG. 5 shows, on a larger scale, in section along a line corresponding to line 5-5 in FIG. 1, a modified embodiment in which an atmosphere without oxygen is used.
FIG. 6 shows, in section along the line 6-6 in FIG. 4, the position of an electrical contact set opposite the edge of the carrier.
7 shows the device for measuring radiation in a perspective view.
FIG. 8 shows in a semi-schematic representation the electrical device of the measuring device from FIGS. 1 to 7.
FIG. 9 shows a time diagram with the duty cycle of the timer contacts of the device from FIG. 8.
According to FIGS. 1 to 3, the measuring device contains a base chamber 10 on which the housing 12 of a photomultiplier is mounted. The photomultiplier 14 is mounted in a magnetic shield 15 with a cylindrical opening 16 on its underside, through which the field of view of the light-sensitive elements of the photomultiplier tube is determined. The housing 12 sits in a recessed cylindrical seat 17 on the cover piece 18 of the chamber 10; it contains a cylindrical opening 20 which adjoins the opening 16 of the shield 15. The bottom piece 2 of the chamber 10 is provided with a recess 24 in which two electrical contacts 26 and 28 are arranged.
Each of these contacts has two superposed contact plates 30 and 31 made of beryl copper, which are fastened to a plug 32 with their flat sides lying against one another by means of two screws 33. The lower end of each connector, as best seen in FIG. 3, is provided with a recess for receiving a terminal 34 which carries a conductor 36 and is attached to the connector by means of a screw 38.
A holder 40 with a handle 42 at its outer end is mounted in the base piece and can be displaced outward. It is provided on the underside at its inner end with a downwardly pointing pin 44 which normally engages in a groove 46 of the base piece 22 and which limits the longitudinal movement of the holder 40. The holder also has a receptacle formed as a recess 48 with a pressed-in cylindrical seat 50.
In the vicinity of the front part of the base chamber and the bottom piece 22 two plates 52 are mounted, on both sides of the holder 40. These plates 52 are provided with recesses 53 in which felt blocks 54 are attached, which rest against the edges of the holder and also on the facing surfaces of parts 18 and 22 of the chamber. These blocks create a light-tight seal. Additional sealing members can optionally be provided in the base piece 22 and in the cover piece 18.
The carrier 60 for the thermoluminescent material is designed according to FIG. 4 as a flat, polished sheet metal part with two flat end pieces 62. These work together with the contacts 26 and 28 and a central cylindrical recess 64, which is used to receive the material. The dimensions of the depression and the size of the measuring device are preferably coordinated so that all of the material exposed to the radiation can be spread out in the depression 64 in a layer whose thickness corresponds approximately to the mean size of the particles indicated in FIG. The carrier is produced by punching from stainless steel sheet 0.25 mm thick and with the approximate edge dimensions 28 x 34 mm. The depression 64 has a diameter of approximately 14 mm and a depth of approximately 1.6 mm.
The two contacts 26 and 28 cooperate in the chamber with the flat end pieces 62 of the carrier 60. These contacts are shown in detail in FIGS. 5 and 6. Each of the plates 30 and 31 is provided with a transverse recess 66 which has an elevation with the edge 68 at the outer end. Each of the plates has 5 prongs 70 which run perpendicular to the recess 66 and which can be bent open individually by moving the carrier 60 so that the edge 68 of each prong comes to rest on the end piece 62 when the carrier is pushed through between the prongs, and remains firmly in engagement with the prongs in the position between the prongs.
Each of the edges 72 of the prongs that are closer to the front of the chamber 10 is chamfered to facilitate entry of the carrier 60 between opposing resilient prongs 70. The engagement of the fingers 70 with the carrier 60 takes place along parallel lines, which are indicated in FIG. 4 with dashed lines 74, on both sides of the plate, so that a low contact resistance arises.
According to FIG. 5, the gas content of the measuring chamber is regulated in such a way that the measurement is improved by suppressing undesired luminescence. For this purpose a source 80 of oxygen-free gas is provided, the pressure of which is kept at least a little above atmospheric pressure. In the preferred embodiment, pure nitrogen is used as the gas. Carbon dioxide and argon have proven suitable as other gases of this type. The gas source 80 is in communication with the chamber 10 via the valve 82, the line 84 and the passage 86. The valve 82 can be set manually or can be actuated automatically to control the gas flow in synchronism with the measuring cycles. The chamber 10 is light-tight, but not gas-tight.
The felt blocks surrounding the holder 40 ensure a light-tight closure of the chamber, but allow gas to pass through so that all oxygen can be displaced from the chamber before the measurement.
According to FIG. 7, the measuring apparatus is housed in a box 90. The handle 42 of the holder 40 is on the front of the box.
There is also a power switch 92 on the front of the box, by which the power supply of the device is switched on, a power switch 94 for the measuring circuit, a multiplication switch 96 and indicator lamps 98 and 100, which are a multiple of the output signal of the digital voltmeter displayed in window 102 appears, display. Next to window 102 is voltmeter zero setting 104.
Fig. 8 shows the circuit. The power source 106 is connected through the switch 92 to the fan 108 located in the box 90, to a high-voltage generator 110 for the photomultiplier 14 and to the digital voltmeter 112. Alternating current also receives an autotransformer 116 with adjustable tap 118 through the timer 114 and then through the voltage reducing transformer 120 the plate 60, which is switched into the circuit by means of the contacts 26 and 28. A measuring instrument 122, which displays the current flowing through the plate 90, is connected to the terminals of the secondary coil of the transformer.
The timing of the dosimeter reading cycle is regulated by the adjustment motor 124 which is connected through switch 94 to the power source. Across switch 94, capacitor 126 and resistor 128 are in parallel with timing contacts 130, which keep the circuit closed once the circuit has been closed by pressing button 94.
The output current of the photomultiplier 14 passes through the timing contacts 132 to the integrating capacitor 134. Time contacts 136 lying in parallel with this provide a discharge path for the capacitor 134 at the beginning of each reading period. A multiplier circuit is connected to the capacitor 134 and contains a second capacitor 138 whose capacitance is an exact multiple of the capacitance of the capacitor 132, for example nine times the value. The capacitor 138 is connected through the resistor 140 to two normally closed switch contacts 96-1 in such a way that it is normally short-circuited and completely discharged.
A second set of normally open switch contacts 96-2 is closed when contacts 96-1 are opened so that capacitor 138 is connected in parallel with capacitor 132, provided that contacts 142 are closed.
Any parallel connection of these capacitors is indicated by the lamps 98 and 100, which are regulated by the relay logic activated with the aid of the push button 98. The logic receives DC power through timing contacts 144 and includes three relays 146, 148, and 150. These receive power through contacts 96-3, 96-4, and 96-5 of multiple push button 96. Relay 146 has two sets of normally open contacts 146 -1 and 146-2; Relay one set of normally open contacts 148-1 while relay 150 has two sets of normally open contacts 150-1 and 150-2 and one set of normally closed contacts 150-3. The direct current comes from a full-wave rectifier, the lamps are fed with alternating current of 6.3 volts.
The charge on the capacitor 134 is measured by the electrometer circuit containing the high-value resistor 152 (1016 ohms) connected to the grid resistor 154 of the grid 156 of the electrometer tube 158. The cathode 160 of this tube is biased at 1.3 volts from battery 162 and is grounded through resistor 164. The screen grid 166 of the electrometer tube is connected to the anode 168 and this is connected to the positive pole 170 of a direct current source through the direct current compensation circuit consisting of a variable resistor 172 and two fixed resistors 174, 176.
The output signal arrives at the digital voltmeter 112 through a network comprising two fixed resistors 178 and 180 and the variable resistor 182 allows the output voltage of the electrometer tube 158 to be divided which is supplied to the voltmeter.
The signal is converted into a numerical value that can be read from the pointer 102.
The thermoluminescent crystals 88 (preferably lithium fluoride), which are heated during the reading, are arranged in a thin layer in the recess 64 and the plate is arranged on the carriage 40.
The slide with the plate is pushed into the heating chamber in the position shown in FIGS. 1-3, the edges 62 of the plate come into contact with the contacts 26 and 28 and the circuit is closed. Preferably, the chamber 10 is filled with pure nitrogen in order to flush away residual oxygen.
When the plate 60 is in this place, the push button 94 is pressed and heating begins in an oxygen-free atmosphere. The strong current flowing through the stainless steel plate 60 heats the thermoluminescent material so that it emits light when irradiated.
Since the crystal layer is thin, the radiation from practically all crystals reaches the photomultiplier 14. The reflective surface of the plate also helps to direct all the light originating from the crystals onto the sensitive surface of the photomultiplier. The motor 124 is preferably operated in such a way that the heating current flows for ten seconds each time, so that the plate is heated to approximately 3000.degree. C. and the crystals are heated to 210.degree. The photomultiplier tube is connected in the circuit of the reading instrument, synchronized with the flow of the heating current, and kept in this circuit for fifteen seconds for the purpose of reading.
The timing motor 124 provides an operation cycle as indicated in FIG. 9. (Contacts are drawn for simplicity, but it is better to use high impedance relays in conjunction with capacitors 134 and 138.)
At the beginning of each cycle, only contacts 142 and 144 are closed. When the push button 94 is pressed, the motor 124 is started and the contacts 142 and 144 open, while the contacts 114, 130, 132 and 136 close.
Opening contact 142 triggers relays 146, 148 and 150. The closing of contact 114 provides heating current for the Kri located on the plate 60; Contact 130 completes the circuit for motor 124; Contact 132 connects the photomultiplier to the integrating circuit, while contact 136 causes the capacitor 134 to discharge. After a short time (generally less than two seconds) contact 136 opens. This takes place before the thermoluminescent material is heated to the point where it emits perceptible light. After ten seconds the contact 114 is opened, whereby the heating current is interrupted, and when the fifteen seconds have elapsed, the contacts 130 and 132 open, switch off the motor 124 and interrupt the connection of the photomultiplier 14 to the capacitor 113 and contacts 142 and 144 close .
The photomultiplier senses the light generated by the heated thermoluminescent material and supplies a current which is used by the time switches 132 to charge the capacitor 134. The charge on capacitor 134 is measured by the electrometer circuit, which has such a large input impedance that the accumulated charge is not affected. The numerical value can be read on the digital voltmeter 112. Should the value to be read off the scale at the end of the cycle, i.e. the linear part of the characteristic of the electrometer circuit is exceeded, the push button 95 is pressed and the capacitor 138 is connected in parallel to the integrating capacitor 134, whereby the charge of the capacitor 134 by a factor of ten is reduced.
This operation, with which the capacitors 138 and 134 are connected in parallel through the contacts 96-2, also closes the contacts 96-3 and sets the relay 146 under current. If this relay comes into operation, a circuit is closed by the contacts 146-1, which keeps this relay in function, as well as by the contacts 146-2, whereby the indicator lamp 98 lights up and shows that the numerical value appearing in the window 102 is multiplied by 10 got to.
When the push button is released, contacts 964 operate relay 148 and contacts 148-1 are closed, forming a stabilizing circuit for relay 148 and energizing the lower terminal of switch 96-5. If the reading on the voltmeter still exceeds the linear part of the characteristics of the electrometer circuit, you can press button 96 again and reduce the charge by a further decimal factor, i.e. to one hundredth of the original value, whereby contacts 96-5 are closed, which activate relay 150. As a result, contact 150-2 closes a stabilizing circuit, contact 150-2 puts X-100 indicator 100 into operation and contact 150-3 opens to put X-10 indicator 98 out of operation.
Further multiplication stages of the indicator or other circuits can also be built in for this purpose.
As soon as the heating season has ended, the circuit is opened and the plate 60 can be removed from the chamber 10. In this way, the influence of the heat source on the sensitivity of the photomultiplier is reduced to a minimum. The area that provides heat is practically the same as the area of the thermoluminescent material and this has good heat transfer with the heating surface. For this reason, the temperature to which the surface must be brought to ensure good readings is relatively low. In addition, when the support is removed or inserted, practically no light penetrates into the chamber and the dark current of the photomultiplier is not affected.
In an oxygen-free atmosphere, the heating of the crystals produces a luminescence which is a direct function of the irradiation of the crystals, whereby an accurate indication of the dosage of the radiation is possible. Other luminescence, which is probably due to the action of oxygen on the lattice structure of the crystals, is excluded, so that the interference level is reduced and a uniform sensitivity is guaranteed.
The electrometer circuit is very simple, the reading is accurate and the whole arrangement is easy to handle, so that the electrometer works in the linear part of its characteristic and still enables readings in a range of five powers of ten. B. from 1 mR to 100 R.