Strahlungsdosimeter
Die vorliegende Erfindung betrifft Strahlungsdosimeter, die auf dem Prinzip der Thermolumineszenz arbeiten.
Es ist bekannt, dass gewisse Substanzen, wie Quarz, beim Erwärmen Licht emittieren, wenn sie vorher einer ionisierenden Strahlung ausgesetzt waren. Dieser unter der Bezeichnung Thermolumineszenz bekannte Effekt beruht darauf, dass Elektronen aus metastabilen Zuständen durch Wärmeenergie freigesetzt werden können und dann unter Strahlungsemission in den Grundzustand übergehen. Ein thermolumineszentes Material besonders hoher Strahlungsempfindlichkeit ist Lithiumfluorid.
Dieses Material liefert schon bei einer Beaufschlagung mit Dosen von wenigen Milliröntgen (mr) eine wahr nehmbare Photonenstrahlung und eignet sich besonders gut zur Strahlungsdosimetrie.
Die üblichen bekannten Thermolumineszenz-Dosimeter enthalten einen thermolumineszenten Leuchtstoff oder Phosphor, der so verteilt ist, dass sich für verschiedene Arten ionisierender Strahlung eine gleichmässige Empfindlichkeit ergibt und aufeinanderfolgende Dosismessungen reproduzierbare Ergebnisse liefern. Repro duzierbare und d gleichförmige Ergebnisse lassen sich ins- besondere mit qualitativ hochwertigem Leuchtstoff verhältnismässig kleiner Teilchengrösse erreichen. Das Leuchtstoffmaterial ist gewöhnlich starr und exakt gelagert, um hinsichtlich der Bestrahlung und der Ablesung reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten. Man hat zu diesem Zwecke bisher den Leuchtstoff in einen gegebenenfalls hermetisch abgeschlossenen Behälter eingeschlossen oder mit einem Bindemittel an ein Widerstandsheizelement angeklebt.
Der Träger oder Behälter für den Leuchtstoff soll selbstverständlich die Strahlungsdosisempfindlichkeit des Leuchtstoffes nicht beeinträchtigen.
Nach der Beaufschlagung mit der ionisierenden Strahlung muss der Leuchtstoff zur Messung der Strahlungsdosis erhitzt werden. Wenn der Leuchtstoff hierfür aus dem Behälter entnommen werden muss, ergeben sich Probleme hinsichtlich der Handhabung und einer möglichen Verunreinigung. Soll der Leuchtstoff andererseits für die Abfrage nicht aus dem Behälter entnommen oder vom Träger entfernt werden, so müssen diese Anordnungen den für die Abfrage erforderlichen Temperaturen (gewöhnlich über 250 C) standhalten und die Lichtemission des Leuchtstoffes bei der Abfrage nicht stören, indem sie beispielsweise selbst Licht emittieren.
Aus den oben genannten Gründen sind die bisher bekannten Dosimeter dieser Art teuer, umständlich und in vieler Hinsicht nicht zufriedenstellend.
Durch die vorliegende Erfindung sollen diese Nachteile beseitigt werden. Insbesondere soll ein Thermolumineszenz-Dosimeter angegeben werden, das eine neuartige und besonders zweckmässige Trägerstruktur umfasst, von der der Leuchtstoff bei der Abfrage nicht entfernt zu werden braucht. Weiterhin sollen Störeffekte, wie Tribolumineszenz, Chemolumineszenz und Lumineszenz durch statische Elektrizität im Vergleich zu bekannten Dosimetern dieser Art wesentlich herabgesetzt werden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Dosimeter mit besonders guten thermischen und optischen Übertragungseigenschaften zu schaffen. Das Dosimeter gemäss der Erfindung soll ausserdem chemisch inert und mechanisch ausserordentlich robust sein und in festen sowie flexiblen Ausführungen der verschiedensten, auch ungewöhnlichsten Formen hergestellt werden können. Dosimeter gemäss der Erfindung sind besonders für Dosimetrie in vivo geeignet.
Das Dosimeter gemäss der Erfindung soll ausserdem billig in der Herstellung sein sowie genaue und bequeme Dosismessungen ermöglichen.
Die Erfindung umfasst auch Verfahren zur Herstellung solcher Dosimeter.
Ein Strahlungsdosimeter gemäss der Erfindung enthält Teilchen aus einem thermolumineszenten Leuchtstoff, die gleichförmig in einem durchscheinenden Trägermaterial dispergiert sind. Die Trägeranordnung kann auf verschiedene Weise hergestellt werden, z. B. durch Formpressen, Strangpressen oder Spritzguss. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung hat die Dosi meterstruktur die Form einer Folie gleichförmiger Dicke, bei der das Gewicht des Trägermaterials ungefähr doppelt so gross ist als das des Leuchtstoffmaterials. Ein Dosimeter gemäss der Erfindung wird beispielsweise dadurch hergestellt, dass Leuchtstoffteilchen und Trägermaterialteilchen im gewünschten Verhältnis gründlich gemischt werden, die Mischung auf die Geliertemperatur des Trägermaterials unter Druck gesteuert erhitzt wird, z.
B. im Verlaufe eines Pressvorganges, und das resultierende Produkt kontrolliert zu einer festen Masse abgekühlt wird. Die resultierende Masse wird dann zu Dosimetereimichtungen gleichmässiger Dicke, gewöhnlich zwischen etwa 0,13 und 0,5 mm, weiter verarbeitet. Gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird durch Strangpressen eine flexible Faser gleichförmigen Querschnitts hergestellt. Aus der Faser werden dann durch Abschneiden von Stücken gewünschter Länge Dosimeterelemente gebildet. Das resultierende Dosimeter enthält eine gleichförmige Menge an Leuchtstoffpulver, das im Trägermaterial mechanisch sicher gelagert und gleichförmig verteilt ist.
Als Trägermaterial wird Polytetrafluoräthylen bevorzugt, das ein relativ niedriges mittleres Atomgewicht hat, so dass die Empfindlichkeit des Leuchtstoffes für die ionisierende Strahlung nicht nennenswert beeinträchtigt wird. Ausserdem ist dieses Material in Form dünner Folien für das vom Leuchtstoff emittierte Licht durchscheinend und es hat praktisch den gleichen Brechungsindex wie Lithiumfluorid, so dass praktisch alles Licht, das vom Leuchtstoff während des thermischen Abfragens erzeugt wird, nach aussen gelangt und in üblicher Weise gemessen werden kann.
Ein weiterer Vorteil dieses Materials besteht darin, dass es chemisch sehr inert ist, also weder mit der umgebenden Atmosphäre noch dem Leuchtstoff reagiert, nicht selber thermolumineszent ist und ausserdem sogar höheren Temperaturen standhält als sie für die thermische Anregung von Lithiumfluorid-Leuchtstoffen erforderlich sind. Das Dosimeter vereinigt die vorteilhaften Eigenschaften des Leuchtstoffes mit denen spezieller Konfigurationen und eignet sich für Dosismessungen im Bereich von Milliröntgen bis 10so, und schliesslich ist es sowohl bei der Bestrahlung als auch bei der Abfrage (Dosisbestimmung) aussergewöhnlich einfach zu handhaben.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beispielsweise erläutert, es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines gemäss der Erfindung hergestellten Streifens und eines aus diesem Streifen ausgestanzten scheibenförmigen Dosimeterelementes;
Fig. 2 eine stark vergrösserte Schnittansicht des Dosimeterelementes in einer Ebene 2-2 der Fig. 1;
Fig. 3 eine graphische Darstellung von Verfahrensschritten bei der Herstellung eines Dosimeterelementes gemäss der Erfindung;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 eine stark vergrösserte Schnittansicht in einer Ebene 5-5 der Fig. 4 und
Fig. 6 eine graphische Darstellung der von einem Dosimeterelement beim Abfragen abgegebenen Lichtmenge in Abhängigkeit von der Temperatur.
Fig. 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Dosimeterelementes gemäss der Erfindung. Das Dosimeterelement besteht aus einer Scheibe 10 mit einem Durchmesser von etwa 12,5 mm und einer Dicke von etwa 0,25 mm. Die Scheibe ist aus einem Streifen
12 ausgestanzt worden. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, enthält das Dosimeterelement eine Vielzahl von Leuchtstoffteilchen 14, die möglichst gleichförmig in einem Trägermaterial 16 dispergiert sind.
Die Leuchtstoffteilchen 14 bestehen aus thermolumineszentem Lithiumfluorid und haben einen maximalen Durchmesser von etwa 75, um, d. h. dass alle Phosphorteilchen durch ein 200-Maschen-Sieb (US-Norm) gehen. Die Leuchtstoffteilchen sind voneinander durch das Trägermaterial 16 getrennt, das vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen besteht und die Leuchtstoffteilchen mechanisch haltert, chemisch jedoch mit ihnen reagiert.
Fig. 3 zeigt schematisch die Verfahrensschritte zur Herstellung von Dosimetermaterial. Das Polytetrafluor äthylen wird zuerst gemahlen, bis eine genügend kleine Teilchengrösse erreicht ist. Bei Verwendung eines unter der Bezeichnung Teflon-7 erhältlichen Produktes beträgt die Teilchengrösse etwa 35 um. Die Leuchtstoffund Trägermaterialteilchen werden in einem Mengenverhältnis bis zu einem Gewichtsteile Leuchtstoffmaterial 14 auf zwei Gewichtsteile Trägermaterial 16 (was einer Beschwerung von 33 0/0 entspricht) gründlich gemischt, was durch den Block 20 angedeutet ist. Wird der oben angegebene Leuchtstoffanteil überschritten, so verschlechtern sich die mechanischen Eigenschaften des Endproduktes.
Die Mischung wird dann im Verhältnis 5/1 bis 8/1 durch Pressen verdichtet (Block 22) und dann in Luft auf die Gelier- oder Sinter-Temperatur des Trägermaterials 16 erhitzt (Block 24), bei Verwendung des oben angegebenen Trägermaterials auf etwa 3500 C.
Während der Erhitzung wird die Mischung unter einem Druck von beispielsweise 560 bis 700 Atmosphären gehalten. Der Temperaturanstieg wird während der Erhitzung sorgfältig gesteuert, - 500 C pro Stunde und 12,5 mm Wanddicke haben sich als zweckmässig erwie sen, - und die Endtemperatur (350 C) wird dann eine Stunde pro 12,5 mm Wanddicke aufrecht erhalten. Die resultierende gelierte Masse in der sich die Polytetrafluoräthylenmoleküle weitgehend um die Leuchtstoffteilchen ausgerichtet haben, wird dann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt (Block 26), die Abkühlgeschwindigkeit kann etwa gleich der Erwärmungsgeschwindigkeit sein.
Das resultierende Produkt ist ein amorphes Trägermaterial, das die einzelnen Leuchtstoffteilchen 14 umgibt, ohne dass eine chemische Bindung zwischen dem Trägermaterial und den Leuchtstoffteilchen besteht. Die erkaltete feste Masse wird dann zu Streifen 12 gleichförmiger Dicke, hier z. B.
0,25 mm, zerschnitten (Block 28). Man kann auch dünnere, z. B. 0,15 mm dicke Streifen herstellen. Um andere Formen zu bilden, kann die Masse zu einer Stange oder einer Folie verformt werden, aus denen dann die verschiedenen Dosimeterelemente herausgeschnitten werden. Die Verformung des Materials zu einer dünnen Folie, z. B. durch Walzen oder dgl. ist besonders zweckmässig, da dann an der Oberfläche keine Leuchtstoffteilchen freiliegen.
Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Dosimeterelement besteht hier aus einer flexiblen Faser 40, die einen typischen Durchmesser von 1 mm hat und in Stücken von 50 cm Länge durch Strangpressen hergestellt werden kann. Zum Strangpressen kann beispielsweise ein unter der Bezeichnung Teflon 6 erhältliches Material verwendet werden, dns eine Teilchengrösse von einigen Mikron hat, wobei man zur Schmierung ein Presshilfsmittel, wie ein Ö1 oder Naphtha verwendet. Das Schmiermittel und die LiF-Leuchtstoffteilchen werden dem Pulver beim Mischen langsam zugesetzt, der Leuchtstoffanteil beträgt dabei etwa 8 /o. Nach der Beendigung des Mischens wird aus der Mischung eine Charge gepresst, die in den Zylinder des verwendeten Extruders passt.
Anschliessend wird die Charge durch ein Strangpresswerkzeug gepresst, um die gewünschte flexible Faser zu bilden.
Hierbei kann man sich beispielsweise einer Bleipresse oder dgl. bedienen. Die ungesinterte gepresste Faser wird dann durch einen Vertikalofen geführt, dessen obere Hälfte unterhalb der Sintertemperatur (2600 C) gehalten wird, um das Schmiermittel auszutreiben. Das Sintern erfolgt in der unteren Hälfte des Ofens, die auf etwa 370" C gehalten wird.
In der gesinterten, biegsamen Faser sind die Leuchtstoffteilchen gleichmässig verteilt und jedes einzelne Teilchen ist zumindest mit einer dünnen, den Zutritt von Luft verhindernden Schicht aus Polytetrafluoräthylen überzogen. Die Faser kann vor oder nach der Bestrahlung in Stücke von z. B. nur 2 mm Länge verschnitten werden. Das Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form der flexiblen Faser ist besonders nützlich, wenn es auf kleine Detektorabmessungen ankommt, z. B. bei Messungen in vivo.
Bei Gebrauch wird das in Fig. 1 und 2 dargestellte scheibenförmige Dosimeterelement der Strahlung ausgesetzt, deren Dosis zu messen ist. Nach der Bestrahlung wird das Dosimeterelement abgefragt, d. h. die Dosis bestimmt, wobei man sich bekannter Geräte bedienen kann (vgl. z. B. USA-Patentschrift 3 176 133). Beim Abfragen wird das scheibenförmige Dosimeterelement beispielsweise in eine kreisförmige Ausnehmung eines Probenhalters gebracht, der gleichzeitig als Widerstandsheizelement arbeitet, und mit dem Probenhalter in eine Abfragekammer eingeführt, wobei der Probenhalter an einen elektrischen Kreis angeschlossen wird, der einen Strom genügender Grösse zu liefern vermag.
Die Stromzufuhr zum Probenhalter kann dabei so gesteuert werden, dass die Temperatur des Probenhalters während des Heizzyklus nicht dauernd ansteigt, sondern nach Erreichen einer bestimmten Temperatur auf dieser gehalten wird. Bei dem beschriebenen Dosimeterelement dauert ein typischer Heizzyklus 11 Sekunden.
In Fig. 6 ist die von einem Dosimeterelement gemäss der Erfindung in Abhängigkeit von der Temperatur emittierte Lichtmenge graphisch dargestellt. Das Dosimeterelement enthielt 23 /0 thermolumineszentes Lithi umfiorid. Die Kurve 32 zeigt den Dunkelstrom des im Auswertungsgerät enthaltenen Photovervielfachers: Kurve 34 die von einem Dosimeterelement abgegebene Lichtmenge, nachdem dieses einer Strahlungsdosis von
100 Milliröntgen ausgesetzt worden war und die Kurve 36 zeigt die vom gleichen Dosimeterelement in einem zweiten Auswertezyklus abgegebene Lichtmenge, also bei einem Auswertezyklus, der ohne Zwischenbestrahlung nach der Messung der Kurve 34 durchgeführt wurde.
Die Kurven n zeigen, dass die Lichtemissionskurve zu 60 O/o aus Untergrundsignal besteht, von dem 90 O/o aus dem Photovervielfacher-Dunkelstrom und etwa
10 O/o vom Leuchtstoff stammen.
Die beschriebenen Ergebnisse lassen sich noch verbessern, wenn man Dosimeterelement mit höherem Leuchtstoffanteil und Leuchtstoffe höherer Qualität verwendet.
Die Dosimetrelemente gemäss der Erfindung eignen sich besonders für radiologische Dosismessungen, insbesondere bei der Therapie mit harten Röntgenstrahlen, Gammastrahlen oder Elektronenstrahlen.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Man kann selbstverständlich auch andere thermolumineszente Leuchtstoffe, wie aktiviertes Calciumfluorid oder Lithiumborat, und andere Trägermaterialien, wie Silicongummi u. a. m. verwenden.