-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zur Dosismessung
hochenergetischer Teilchenstrahlung mit mehreren, einen Messfühler
bildenden Lichtwellenleitern, die eng benachbart und parallel zueinander
verlaufen, zur Führung des durch auftreffende Teilchenstrahlung in ihnen
erzeugten Cerenkov-Lichtes als Messgröße, und mit einer mit den
Lichtwellenleitern verbundenen Photostrom-Detektionseinheit mit zumindest
einem Photodetektor zur Messung und Aufbereitung eines
Photodetektorstroms als Maß für die Intensität des auftretenden Cerenkov-Lichts.
-
In Experimenten mit gepulster Teilchenbestrahlung auf dem Gebiet der
Pulsradiolyse, die sich mit allen Veränderungen in einem chemischen System
durch ionisierende Strahlung beschäftigt, ist die Kenntnis der Strahlungsdosis
von grundlegender Bedeutung für die Berechnung der optischen und
konduktometrischen Messkurven sowie für die präzise Normierung bei der
Signalwertermittlung. Für die Strahlungsdosis wird als Vergleichswert ein
elektrisches Signal, in der Regel ein Spannungssignal, ermittelt. Eine
grundlegende Methode zur Erzeugung eines Signals, das proportional zur
Strahlungsintensität ist, bezieht sich auf die Messung von Sekundärelektronen,
die beim Durchgang eines Elektronenstrahls durch eine
Sekundäremissionsfolie erzeugt werden (vgl. Aufsatz [I] "Transmission Current Monitor for High
Energy Electron Beams" von S. I. Taimuty et al., Rev. of. Scientific Instruments,
Vol. 32 (1961), No. 12, pp. 1098-1100). Bei dieser Methode wird im Vakuum in
einer Metallfolie ein Stromfluss durch den hindurch tretenden Elektronenstrahl
hervor gerufen. Dieser stellt ein Abbild der auftretenden Dosisleistung dar, aus
der durch Integration über die Zeit die Dosis ermittelt werden kann. Nachteilig
bei dieser bekannten Methode sind die große Dämpfung durch die Folie,
sodass ein verändernder Eingriff in die zu messende Teilchenstrahlung erfolgt,
und die fehlende Ortsauflösung. Aus der US-PS 5.220.165 ist eine
Messvorrichtung mit einer Metallfolie bekannt, die unter ausreichend hoher
Bestrahlung anfängt zu glühen. Das hierbei erzeugte Licht wird dann als Maß
für die Stärke der zu messenden Strahlung über eine Glasfaser einer
Auswertungseinheit zugeführt, die in einem vor der Strahlung geschützten
Sicherheitsabstand angeordnet ist. Die bekannte nicht ortsauflösende
Messvorrichtung kann nur für relativ starke Strahlung eingesetzt werden und
hat eine relativ hohe Zeitkonstante.
-
Eine andere Methode basiert auf der Messung des induzierten Stroms in der
Spule eines Pulstransformators beim Durchgang der zu messenden
Teilchenstrahlung (vgl. Aufsatz [II] "A Single-Pulse Toroidal Coil Beam-Charge
Monitor" von Z. Zimek, Radiat. Phys. Chem., Vol. 11 (1978), pp. 179-181). Bei
dieser Methode muss die auftretende Oszillatorspannung jedoch interpretiert
werden, sodass sich insbesondere bei sehr kurzen Pulsen Messunsicherheiten
ergeben können. Außerdem treten Sättigungserscheinungen auf. Bei der
Verwendung eines Faradaycups als Strahlungsfänger hinter der Messzelle
(vgl. Aufsatz [III] High Precision Electron Current Monitoring System" von J. A.
Jansen et al., Nuclear Instr. and Methods 74 (1969), pp. 20-26) können
Änderungen in der Mediumsdichte während der Messungen die Kalibrierung
beeinflussen. Außerdem wird auch hier der zu messende Elektronenstrahl
sofort abgebremst und ohne Ortsauflösung gemessen.
-
Aus der EP-0703469 ist eine Messvorrichtung bekannt, bei der der
Szintillationseffekt in einer Kunststofffaser ausgenutzt wird. Bei der Szintillation als
chemischem Vorgang entsteht detektierbares Licht bei der Rekombination von
Elektronen-Loch-Paaren, die zuvor unter dem Einfluss der hochenergetischen
Strahlung getrennt wurden. Bei diesem Messprinzip ergibt sich jedoch kein
echtes Abbild der aufgetretenen Strahlung, sodass die Dosis auch nicht über
eine einfache Integration ermittelt werden kann. Außerdem ist die
Zeitverzögerung bis zum Auftreten des Szintillationseffektes sehr groß, der wiederum
nur sehr langsam abklingt, sodass keine Messungen in Echtzeit durchgeführt
werden können.
-
Eine grundsätzlich andere Messmethode basiert auf der Entstehung von
detektierbarem Cerenkov-Licht in einem Lichtwellenleiter, wenn auf diesen die
zu messende Teilchenstrahlung auftrifft. Diese Prinzip wird in dem Aufsatz [IV]
"Radiation Detection by Cerenkov Emission in Optical Fibers at TTF" von E.
Janata und M. Körfer erstmalig vorgestellt (TESLA-Report 2000-27 vom 28.
Dezember 2000, im Internet abrufbar unter http:/ / tesla.desy.de/new-
pages/TESLA/TTFnot00.html, Stand 08. 07. 2001). Prinzipiell können durch
einen Teilchenstrahl oder durch die von ihm hervorgerufene Streustrahlung in
Glas zwei unterschiedliche Arten von Licht produziert werden. Bei der ersten
handelt es sich um Fluoreszenz, die jedoch materialabhängig ist und stark
zeitverzögert zum Strahlungseinfall hervorgerufen wird. Die zweite Art ist das
Cerenkov-Licht. Hierbei handelt es sich um eine detektierbare sichtbare bis
ultraviolette Strahlung, die in einem optischen Medium von energiereichen
geladenen Teilchen erzeugt wird, wenn deren Geschwindigkeit größer ist als
die Phasengeschwindigkeit des Lichts. Das Cerenkov-Licht ist als
elektromagnetisches Analogon vergleichbar mit dem Auftreten einer Kopfwelle in
Form eines Machkegels in Überschallströmungen. Es tritt materialunabhängig
und verzögerungsfrei auf, außerdem zeigt es keine Sättigungserscheinungen.
In hochreinem Silizium beispielsweise tritt nur das Cerenkov-Licht auf, nicht
jedoch Fluoreszenz. Das Cerenkov-Licht folgt in seiner Amplitudenform mit
wellenlängenabhängiger Intensität unmittelbar der Form und Intensität des
auftreffenden Teilchenstrahlungspulses und stellt damit ein direktes Maß für
die Dosisrate (Intensität pro Zeiteinheit) und nach einer Integration über die
Zeit auch für die Dosis (Intensität) der zu detektierenden Teilchenstrahlung
dar. Die Empfindlichkeit, mit der das Cerenkov-Licht detektiert werden kann,
hängt in der Hauptsache von der Dämpfung im verwendeten optischen
Lichtwellenleiter ab. Weitere Informationen zu deren Auslegung und
Dimensionierung können ebenfalls dem oben genannten Aufsatz [IV]
entnommen werden.
-
In diesem Aufsatz [IV], von dem die vorliegende Erfindung als
nächstliegendem Stand der Technik ausgeht, wird ein kontinuierlicher
Strahlungsdetektor in Form eines optischen Wellenleiters beschrieben, der neben dem
Beschleuniger in einer Länge von bis zu 10 km verlaufen kann. Aus dem
Beschleuniger austretende Teilchenstrahlung erzeugt in dem Wellenleiter das
Cerenkov-Licht. Dabei kann die Messempfindlichkeit zwar erhöht werden,
wenn mehrere Lichtwellenleiter in einem dichten Bündel parallel
zusammengefasst sind. Der Querschnitt des Bündels ist aber immer noch so gering, dass
nicht der gesamte Querschnitt der auftreffenden Teilchenstrahlung detektiert
wird. Nur im Falle von Streustrahlung ist ein Kontakt mit dem Bündel überhaupt
sichergestellt. Durch Integration der Amplitude des Cerenkov-Lichts in einer
Photostrom-Detektionseinheit, die direkt mit einem Ende des Lichtwellenleiters
verbunden ist und einen Photodetektor bestehend aus einem Monochromator
sowie einem fünfstufigen Photomultiplier aufweist, kann die Dosis der
aufgetroffenen Streustrahlung in Echtzeit ermittelt werden. Eine Ortsauflösung ist
nur indirekt über eine Messung der Laufzeit möglich. Mit der bekannten
Messvorrichtung ist mit einer hohen Empfindlichkeit sowohl eine kontinuierliche
Betriebsüberwachung des Beschleunigers mit einer Mittelwertbildung über
mehrere erzeugte Strahlungspulse als auch eine Einzelpulsüberwachung mit
einer Notfallabschaltung möglich, wenn ein Grenzwert überschritten wird.
-
Die bekannte Messvorrichtung zur Dosismessung hochenergetischer
Teilchenstrahlung in Form eines kontinuierlichen Strahlungsdetektors wurde speziell für
die Detektion von diffuser Streustrahlung entlang eines
Teilchenbeschleunigers für Forschungszwecke entwickelt. Radioaktive Strahlung wird aber auch
in vielen anderen Bereichen, insbesondere auch im täglichen Leben,
eingesetzt. Je nach Anwendungsfall müssen auch hier Messungen und
Überwachungen durchgeführt werden. Eine Detektion soll jedoch zumeist am
gebündelten Teilchenstrahl und zwar über dessen gesamten Querschnitt
erfolgen, um sicherzugehen, dass die vollständige Dosis erfasst wird. Die der
vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, die
bekannte Messvorrichtung so weiterzubilden, dass eine kompakte, gut im
täglichen Betrieb handhabbare Ausführungsform mit einer sicheren Erfassung
und Auswertung des gesamten Querschnitts eines gebündelten
Teilchenstrahls gewährleistet ist. Weiterhin soll durch eine einfache Weiterbildung
neben der Ermittlung der auftretenden Intensität insbesondere auch eine
hochgenaue und schnelle Ortsauflösung direkt bei der Messung erzielbar sein.
-
Als Lösung hierfür ist bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung der
eingangs genannten gattungsgemäßen Art zur Dosismessung hochenergetischer
Teilchenstrahlung deshalb vorgesehen, dass die Lichtwellenleiter in einer
Ebene nebeneinander liegend unter Bildung einer einlagigen
Lichtwellenleiterfolie als Messfühler fest miteinander verbunden sind. In Ausführungsformen
der Erfindung ist des Weiteren vorgesehen, dass zur Dosismessung ohne
Ortsauflösung alle Lichtwellenleiter in der Lichtwellenleiterfolie über einen
großen Querschnittswandler mit einem gemeinsamen Photodetektor in der
Photostrom-Detektionseinheit verbunden sind oder dass zur Dosismessung mit
Ortsauflösung jeweils ein einzelner oder einige nebeneinander liegende
Lichtwellenleiter über zugeordnete kleine Querschnittswandler mit jeweils einem
separaten Photodetektor in der Photostrom-Detektionseinheit verbunden sind.
-
Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung handelt es sich um ein
handliches Messgerät, mit dem die Intensität des zu detektierenden
Teilchenstrahls über dessen gesamten Querschnitt in Echtzeit ermittelt werden
kann. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung benötigt dazu lediglich eine
dünne Lichtwellenleiterfolie. Diese ist so dünn, dass sie nur einen
vernachlässigbaren Einfluss auf den zu messenden Teilchenstrahl ausübt, was
insbesondere für in-situ-Messungen in der Pulsradiolyse von Bedeutung ist.
Die Lichtwellenleiterfolie stellt einen flächigen Messfühler dar. Durch dessen
genaue und einfache Positionierbarkeit im Auftrittsbereich des zu
detektierenden Teilchenstrahls wird eine Erfassung des gesamten Teilchenstrahls
sicher gestellt. Durch eine Integration aller Messsignale über alle
Lichtwellenleiter in der Lichtwellenleiterfolie ist die aufgetretene Strahlungsdosis im
Bereich des Messfühlers zuverlässig ermittelbar.
-
Besteht das Hauptinteresse in der Ermittlung der aufgetretenen Gesamtdosis,
ist eine Ortsauflösung nicht erforderlich. Dadurch kann der Schaltungsaufbau
wesentlich vereinfacht werden. Dazu müssen lediglich alle Lichtwellenleiter in
der Lichtwellenleiterfolie über einen gemeinsamen Querschnittswandler mit
einem einzigen, gemeinsamen Photodetektor verbunden werden. Der
Photodetektorstrom ist dann proportional zur Gesamtintensität des in der
Lichtwellenleiterfolie erzeugten Cerenkov-Lichtes und das Maß für die
Dosisrate. Die Integration des Photodetektorstromes ergibt dann das Maß für
die Gesamtdosis. Gegenüber der bekannten Messvorrichtung mit gebündelten
Lichtwellenleitern zur Detektion von Streustrahlung kann mit der
erfindungsgemäß gestalteten Messvorrichtung mit einem flächigen Messfühler eine
ganze bestrahlte Fläche oder der gesamte Querschnitt eines Strahls detektiert
werden. Insbesondere bei gebündelter Teilchenstrahlung wird also die
Strahlerfassung wesentlich verbessert.
-
Liegt das Hauptinteresse jedoch in der Ermittlung der Ortsauflösung der
aufgetretenen Strahlung, kann eine ortsabhängige Messung mit der Messvorrichtung
nach der Erfindung ebenfalls einfach realisiert werden. Dazu werden die
Lichtwellenleiter über separate Phototedektoren entweder einzeln oder in
kleinen Gruppen benachbarter Lichtwellenleiter abgefragt. Das in dem einen
oder in einigen nebeneinander liegenden Lichtwellenleitern erzeugte
Cerenkov-Licht wird jeweils einem separaten Photodetektor zugeleitet, der ein
der ortsabhängig aufgetretenen Intensität entsprechendes elektrisches Signal
erzeugt und anzeigt. Dabei hängt die Anzahl der auf einen gemeinsamen
Photodetektor geleiteten Lichtwellenleiter von der gewünschten Ortsauflösung
ab. Diese ist bei einem Einzelanschluss jedes Lichtwellenleiters am größten.
Die Verbindung zwischen Lichtwellenleitern und separaten Photodetektoren
erfolgt wiederum über Querschnittswandler, nunmehr in einer entsprechend
verkleinerten Form. Durch die Einzelabfrage kann ein Intensitätsprofil über den
gesamten Strahlungsquerschnitt erstellt werden. Des Weiteren kann auch eine
Aussage über den Auftrittsort eines Teilchenstrahls im Messfühlerbereich
erfolgen. Eine Zuordnung beispielsweise von Dosisspitzen zu einem Ort wird
so sofort und ohne zusätzliche Berechnungen über die Laufzeit möglich.
-
Um die empfindliche Messelektronik vor der energiereichen Teilchenstrahlung
zu schützen, ist deren Anordnung in einiger Entfernung vom Messfühler
sinnvoll. Dafür kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Messvorrichtung
nach der Erfindung vorgesehen sein, dass zur Dosismessung ohne
Ortsauflösung die Verbindung zwischen dem großen Querschnittswandler und
dem gemeinsamen Photodetektor durch Zwischenfügen eines weiterführenden
Lichtwellenleiters, dessen Querschnitt größer ist als der resultierende
Querschnitt aus allen Lichtwellenleitern des Messfühlers, verlängert wird oder
dass zur Dosismessung mit Ortsauflösung die Verbindungen zwischen den
zugeordneten kleinen Querschnittswandlern und den separaten
Photodetektoren durch Zwischenfügen weiterführender Lichtwellenleiter verlängert
werden. Im ersten Fall ohne Ortsauflösung wird wiederum eine vereinfachte
Konstruktion ermöglicht. Alle von den Lichtwellenleitern kommenden Signale
werden über einen einzigen weiterführenden Lichtwellenleiter, beispielsweise
in Form einer optischen Faser, übertragen. Dadurch, dass dessen Querschnitt
gleich oder größer dimensioniert ist als der resultierende Querschnitt aller
einzelnen Lichtwellenleiter im Messfühler, ist gewährleistet, dass das gesamte
erzeugte Cerenkov-Licht dem einzelnen Photodetektor sicher zugeführt wird.
Im Falle der Ortsauflösung werden der Anzahl der separaten Photodetektoren
entsprechend viele weiterführende Lichtwellenleiter eingesetzt. Auch hierbei
kann es sich um optische Fasern handeln, die aufgrund ihrer Flexibilität
besonders einfach einsetzbar sind.
-
Eine ebenfalls besonders einfache Konstruktion der beanspruchten
Messvorrichtung ergibt sich, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen ist, dass die separaten Detektoren als gemeinsame
Photodiodenzeile ausgebildet sind. Photodiodenzeilen sind handelsübliche Bauelement, die
kostengünstig und leicht zu beziehen bzw. im Schadensfalle auszutauschen
sind.
-
Gemäß einer anderen Fortführung der Messvorrichtung nach der Erfindung
kann vorgesehen sein, dass eine weitere Lichtwellenleiterfolie um 90° in der
Ebene gedreht zur ersten Lichtwellenleiterfolie angeordnet ist, wobei das in der
weiteren Lichtwellenleiterfolie auftretende Cerenkov-Licht in der Photostrom-
Detektionseinheit getrennt von dem Cerenkov-Licht in der ersten
Lichtwellenleiterfolie ausgewertet wird. Sind alle Lichtwellenleiter in der einen oder auch in
beiden Lichtwellenleiterfolien mit einem gemeinsamen Photodetektor
verbunden, kann mit einer derartigen Ausführung nochmals die
Messempfindlichkeit erhöht werden. Im Falle einer ortsauflösenden Messvorrichtung kann
das zweidimensionale Intensitätsprofil detektiert werden. Jede
Lichtwellenleiterfolie verfügt dann über eigene Photodetektoren, die entsprechend der
gewünschten Auflösung mit den einzelnen oder einigen Lichtwellenleitern in
der Folie verbunden sind. Die Photodetektoren können jeweils zu einer
Photodiodenzeile zusammengefasst sein, sodass in jeder Zeile die
ortsabhängigen Intensitätswerte der auftretenden Teilchenstrahlung in der
jeweils zur Folienebene senkrechten Ebene ermittelt werden können. In der
Photostrom-Detektionseinheit können die getrennten Messwerte dann
gemeinsam aufbereitet werden.
-
Eine Möglichkeit der Herstellung einer Lichtwellenleiterfolie besteht in der
direkten mechanischen Verbindung einzelner Glasfasern, beispielsweise durch
einfaches Kleben. Nach einer anderen Erfindungsausgestaltung können die
einzelnen Lichtwellenleiter aber auch durch Einätzung oder durch Eindiffusion
in ein die Lichtwellenleiterfolie bildendes optisches Material ausgebildet sein.
Die Herstellung der Lichtwellenleiterfolie mit einem monolithisch integrierten
Aufwachsverfahren mit unterschiedlichen Halbleitermaterialien und
Maskenätztechnik ist einfach und kostengünstig durchführbar. Dabei kann gemäß
einer anderen Erfindungsfortführung darauf geachtet werden, dass die
Stegbreite der Abgrenzungen zwischen benachbarten Lichtwellenleitern unter
Einhaltung der Bedingung der Totalreflexion im Lichtwellenleiter minimiert ist.
Die Stege dienen der Definition der Lichtwellenleiter. Sie weisen einen solchen
Brechungsindex auf, dass das im Lichtwellenleiter geführte Licht an jeder
Stelle der Innenwand total reflektiert wird und den Lichtwellenleiter nicht
verlässt. Bei einer Verklebung von einzelnen optischen Fasern kann zur
Minimierung der Stegbreite jeweils ein Teil des Fasermantels so entfernt
werden, dass zwischen zwei Faserkernen immer nur eine Mantelstärke liegt.
Durch die Erreichung möglichst kleiner Stege, die nicht zur Strahlungsdetektion
beitragen, können die Totzonen zwischen den einzelnen Lichtwellenleitern
sehr klein gemacht werden, wodurch eine sehr fein gerasterte Ortsauflösung
erreichbar ist.
-
Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der
schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
-
Fig. 1 das von Teilchenstrahlpulsen erzeugte Cerenkov-Licht,
-
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Messvorrichtung nach der
Erfindung ohne Ortsauflösung in der Drauf- und Seitenansicht,
-
Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau einer Messvorrichtung nach der
Erfindung mit Ortsauflösung in der Draufsicht,
-
Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau einer Messvorrichtung nach der
Erfindung mit Ortsauflösung zur Erstellung eines
zweidimensionalen Intensitätsprofils in der Perspektive,
-
Fig. 5 den Schaltungsaufbau der Messvorrichtung nach der
Erfindung und
-
Fig. 6 ein typisches Messsignal des Photodetektors.
-
Wenn ein Elektronenstrahl einen optischen Lichtwellenleiter passiert, wird
Cerenkov-Licht in der Faser hervorgerufen. Die Detektion des Cerenkov-Lichts
durch einen idealen Photodetektor ergibt ein elektrisches Signal, dass
ummittelbar der Form und Intensität des Strahlungspulses folgt. Die Fig. 1
zeigt Cerenkov-Licht (Cerenkov Emission), das in einem
Silizium-Lichtwellenleiter erzeugt wird, wenn dieser mit Pulsen (Beam Current) mit einer Energie
von 15 MeV bei einem (integrierten) Strom von ungefähr 4 Ampere und einer
Pulsdauer von ungefähr 25 Pikosekunden (Time [ns]) bestrahlt wird. Durch die
verzögerungsfreie Erzeugung des Cerenkov-Lichts können auch sehr kurze
Pulse, z. B. im Bereich von Pikosekunden, detektiert werden. Durch die
flächenhafte Ausbildung der Lichtwellenleiterfolie bei der Messvorrichtung nach
der Erfindung kann der gesamte Querschnitt des einfallenden
Strahlungspulses detektiert werden.
-
In der Fig. 2 ist eine Messvorrichtung 1 nach der Erfindung ohne
Ortsauflösung prinzipiell dargestellt. Eine Lichtwellenleiterfolie 2, die für die
nachfolgend erläuterte Detektion geeignet ist, besteht im gewählten
Ausführungsbeispiel aus 160 einzelnen Quarzfasern mit einem
Kern-/Manteldurchmesser von 100 µm/150 µm und einer Länge von ungefähr 2 m. Eine
solche Länge ist vorteilhaft, um eine einfache Montage der Lichtwellenleiter 3
einerseits in einem Messfühler 4 und andererseits mit einem großen
Querschnittswandler 5 zu erreichen. Die Lichtwellenleiter 3 liegen dicht und
parallel nebeneinander und sind fest miteinander verbunden, beispielsweise
durch einen monolithisch integrierten Aufbau. Sie bilden eine relativ große
Messfühlerfläche 6. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die
Lichtwellenleiter 3 an ihrem offenen Ende in ein metallisches Messfühlergehäuse 7
eingegossen und mit Glasflächen 8 geschützt. Die Einstrahlung wird dadurch
nicht behindert. Bei einer Kantenlänge von 2 cm ergibt sich für die aktive
Messfühlerfläche 6 eine Größe von 4 cm2. Der große Querschnittswandler 5 ist
mit einem weiterführenden Lichtwellenleiter 9 verbunden. Dessen Querschnitt
ist größer als die Summe aller Querschnitte der Lichtwellenleiter 3, sodass das
gesamte auftretende Cerenkov-Licht sicher einem gemeinsamen
Photodetektor 10 zugeführt werden kann. Der hier gemessene Photostrom als Maß
für die Strahlungsintensität und -rate wird dann in einer
Photostrom-Detektionseinheit 11 den Anwendungsanforderungen entsprechend aufbereitet.
-
In der Fig. 3 ist eine Messvorrichtung 20 nach der Erfindung mit
Ortsauflösung mit einem Messfühler 21 dargestellt. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel sind jeweils einige benachbart liegende, eine
Lichtwellenleiterfolie 22 bildende Lichtwellenleiter 23 über kleine Querschnittswandler 24
mit weiterführenden Lichtwellenleitern 25 verbunden. Diese führen zu
separaten Photodetektoren 26. Die feinste Ortsauflösung erhält man, wenn
jeder Lichtwellenleiter 23 mit einem separaten Photodetektor 26 verbunden ist.
Die von den separaten Photodetektoren 26, die in einer Photodiodenzeile 27
zusammengefasst sind, jeweils gemessenen Photoströme als Maß für das in
Abhängigkeit von der Strahlungsstärke erzeugte Cerenkov-Licht werden dann
einer Photostrom-Detektionseinheit 28 zugeführt. Hier kann ein ortsaufgelöstes
eindimensionales Intensitätsprofil der aufgetretenen Teilchenstrahlung erstellt
werden.
-
In der Fig. 4 ist zur Erstellung eines zweidimensionalen Intensitätsprofils eine
Messvorrichtung 30 mit einem ortsauflösenden Messfühler 31 dargestellt, der
eine erste Lichtwellenleiterfolie 32 aufweist, die oberhalb einer weiteren
Lichtwellenleiterfolie 33 (in der Fig. 4 gestrichelt angedeutet) liegt. Deren
Lichtwellenleiter 34, 35 sind um 90° gedreht zueinander. Dadurch kann das
zweidimensionale Intensitätsprofil entlang beider Achsen der vom Messfühler
31 aufgespannten Ebene detektiert werden. Beide Lichtwellenleiterfolien 32,
33 sind in der oben bei der Ortsauflösung beschriebenen Weise über kleine
Querschnittswandler 36, 37 und weiterführende Lichtwellenleiter 38, 39 mit
separaten Photodetektoren verbunden, die im dargestellten
Ausführungsbeispiel jeweils in einer gemeinsamen Photodiodenzeile 40, 41
zusammengefasst sind. Die gemeinsame Auswertung erfolgt wiederum in einer
Photostrom-Detektionseinheit 42.
-
In der Fig. 5 ist der Schaltungsaufbau der Messvorrichtung nach der
Erfindung näher dargestellt. Die Photodetektoren, die nicht weiter dargestellte
Monochromatoren und Photomultiplier umfassen, können mit einer
Hilfsspannung, die über einen Digital-Analog-Konverter (DAC) eingespeist
wird, beaufschlagt werden, um die Verstärkung der Photomultiplier
ferngesteuert anpassen zu können (gain). Die gemessenen Photoströme (PD
output) werden an einen Integrierer (Integrator) mit einem Triggereingang
(Trigger) weitergeleitet. An dessen Ausgang wird dann das jeweilige
Messergebnis in Form einer Dosisangabe (Dose output) für die Intensität der
detektierten Teilchenstrahlung zur Verfügung gestellt. Nachfolgend kann eine
numerische oder grafische Anzeige erfolgen. Die Verbindung zu einem
Steuerrechner erfolgt über eine Datenbusleitung (Data Bus IEEE-488).
-
In der Fig. 6 ist ein typisches Ausgangssignal (PMout [V]) des Photomultipliers
eines Photodetektors für einen 4 MeV-Puls mit einer Dauer von 3 ns (Time
[ns]) dargestellt. Der Messfühler mit der Lichtwellenleiterfolie wurde zur
Messung zwischen dem Ausgangsfenster des Teilchenbeschleunigers und
einer weiteren Messzelle positioniert. Der gesamte Querschnitt des
Teilchenstrahls, der durch den Messfühler nur unwesentlich verändert wird,
kann so zur Messung seiner Intensität detektiert werden. Durch die
ortsaufgelöste Messung auf dem Messfühler kann sowohl ein
eindimensionales Intensitätsprofil erstellt als auch die relative Lage des
auftreffenden Teilchenstrahls festgestellt werden.
Bezugszeichenliste
1 Messvorrichtung
2 Lichtwellenleiterfolie
3 Lichtwellenleiter
4 Messfühler
5 großer Querschnittswandler
6 Messfühlerfläche
7 Messfühlergehäuse
8 Glasfläche
9 weiterführender Lichtwellenleiter
10 gemeinsamer Photodetektor
11 Photostrom-Detektionseinheit
20 Messvorrichtung
21 Messfühler
22 Lichtwellenleiterfolie
23 Lichtwellenleiter
24 kleiner Querschnittswandler
25 weiterführender Lichtwellenleiter
26 separater Photodetektor
27 Photodiodenzeile
28 Photostrom-Detektionseinheit
30 Messvorrichtung
31 Messfühler
32 erste Lichtwellenleiterfolie
33 weitere Lichtwellenleiterfolie
34 Lichtwellenleiter
35 Lichtwellenleiter
36 kleiner Querschnittswandler
37 kleiner Querschnittswandler
38 weiterführender Lichtwellenleiter
39 weiterführender Lichtwellenleiter
40 Photodiodenzeile
41 Photodiodenzeile
42 Photostrom-Detektionseinheit