-
Vorrichtung zur Messung harter Röntgen- und Gammastrahlung Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung harter Röntgen- und Gammastrahlung,
bei welcher der in einem als Streukörper dienende Nichtleiter von den sogenannten
Compton-Sekundärelektronen erzeugte und getragene Strom direkt gemessen wird. Die
Vorrichtung besteht im wesentlichen nur aus diesem mit einer Außenelektrode versehenen
Streukörper, einer von ihm allseitig umschlossenen Meßelektrode, die gleichzeitig
Absorber für die Primärstrahlung ist, und einer Außenelektrode.
-
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen rein elektrisch arbeitenden,
mechanisch robusten Strahlenempfänger zu entwickeln, welcher ohne Verwendung einer
Hilfsspannung betriebsbereit und bis zu sehr großen Dosiswerten verwendbar ist.
Die primär gemessene Größe ist die in der Meßelektrode absorbierte Strahlungsenergie.
Die Vorrichtung kann in Röntgeneinheiten oder Radeinheiten geeicht werden.
-
Die Messung harter Röntgen- oder Gammastrahlen bei sehr hohen Dosen
ist ein heute noch nicht befriedigend gelöstes Problem. Die Verwendung bekannter
Ionisationskammern ergibt häufig Schwierigkeiten, weil die Umrechnung von Röntgeneinheiten
auf einen Gesamtbetrag der eingestrahlten Energie bei harter Strahlung nicht eindeutig
ist und derartige Kammern bei sehrgroßenDosismengenunbefriedigende Meßergebnisse
liefern. Zur Messung der integralen Dosis einer eingestrahlten Energie sind auch
bereits Glasdosimeter bekannt, bei denen die durch die Strahlung hervorgerufene
Färbung geeigneter Gläser photometrisch ausgewertet wird. Es sind auch chemische
Dosimeter bekannt, in denen Umwandlungsprodukte photochemischer Reaktionen gemessen
werden. Ferner sind kalorimetrische Methoden für absolute Dosismessungen bekannt.
Die chemischen und kalorimetrischen Methoden sind aber langwierig, während die Glasdosimetrierung
zwar raschere Ergebnisse liefert, jedoch auf dem Zurückgehen der Färbung der Gläser
beruht und daher mit Fehlern behaftet sein kann. Häufig wird es bei diesen Methoden
als nachteilig empfunden, daß die verwendeten Geräte nach einer ersten Messung nicht
sofort wieder verwendbar sind. Man hat auch Dosimeter gebaut, welche auf der Messung
der Ströme beruhen, die unter Bestrahlung in Halbleitern mit P - N-Sperrschichten
auf Grund der Diffusion zusätzlich erzeugter Elektronen-Lochpaare entstehen.
-
Bekannt sind auch Anordnungen zur Messung schneller primärer Elektronenstrahlen,
in welchen diese durch ein dünnes Fenster im Vakuum in einen becherförmig ausgestalteten
Faradaykäfig fallen und eine im Becher enthaltene Auffangfolie aufladen,
wobei die
spezielle Form des Faradaykäfigs und eine gegebenenfalls vorhandene zylinderförmige
Hilfselektrode die Aufgabe haben, rückgestreute Elektronen abzufangen und für die
Messung mit zu erfassen.
-
Demgegenüber ist die andersartige Vorrichtung zur Messung harter
Röntgen- und Gammastrahlung erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Streukörper,
in dem die zu messende primäre Photonenstrahlung eine Comptonstreustrahlung hervorruft,
welche hauptsächlich in die Richtung der Primärstrahlung fällt, einen Nichtleiter,
in dem die Comptonelektronen einen ebenfalls in die Richtung der Primärstrahlung
fallenden elektrischen Strom erzeugen, und einer gleichzeitig als Absorber für die
Photonenstrahlung dienenden, allseitig isolierten Meßelektrode, mittels welcher
der von den Comptonelektronen selbst getragene Strom meßbar ist.
-
Dabei kann auch eine elektrische Meßeinrichtung verwendet werden,
mit welcher die während einer bestimmten Bestrahlungsdauer zwischen Außenelektrode
und Meßelektrode erzeugte Leerlaufspannung gemessen wird. Die Meßelektrode hat die
zusätzliche Funktion, als Absorber für die Photonenstrahlung zu wirken. Sie besteht
daher zweckmäßigerweise aus Blei oder einem anderen Werkstoff mit hohemAbsorptionskoeffizienten.
Gemäß einemweiteren Vorschlag der Erfindung besteht die Meßelektrode aus zwei Teilen,
nämlich dem schon erwähnten Körper aus Blei und einem über diesem in Strahlungsrichtung
gelegten Isolierstoff niedriger Ordnungszahl, vorzugsweise
aus
demselben Material wie der Streukörper bestehend, welcher mit einer metallisch leitenden
Oberflächenschicht versehen ist und mit dem Bleikörper in gutem elektrischem Kontakt
steht. Diese aus zwei Teilen bestehende Meßelektrode wird dann allseitig von dem
Nichtleiter umschlossen, der gleichzeitig als Streukörper dient.
-
Die Erfindung ist nachstehend an Hand von drei in der Zeichnung dargestellten
Vorrichtungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigt Fig. 1 als erstes Ausführungsbeispiel
einen Strahlungsempfänger für eine stationäre Anordnung in seinem Längsschnitt,
Fig. 2 eine Meßeinrichtung in ihrem elektrischen Schaltbild, die zur Verwendung
mit einem Strahlungsempfänger nach Fig. 1 bestimmt ist, Fig. 3 als weiteres Ausführungsbeispiel
einen zur Verwendung als tragbares Meßgerät bestimmten Strahlungsempfänger, ebenfalls
in seinem Längsschnitt.
-
Der zur Verwendung in einem Meßbereich von etwa 0,3 bis 3 MeV geeignete
Strahlungsempfänger nach Fig. 1 hat eine zweiteilige Meßelektrode, die aus einem
allseitig mit einer leitenden Oberflächenschicht versehenen Nichtleiter 10 und einem
darunterliegenden metallischen Absorber 12 besteht. Der Absorber 12 besteht hier
aus Blei und hat bei einer Höhe ii 6,8 cm einen quadratischen Querschnitt mit einer
Kantenlänge a 10 cm. Der mit einer metallisch leitenden Oberflächenschicht 11 versehene
Körper 10 hat gleichfalls einen Querschnitt von 10 X 10 cm und eine Höhe von 2 cm.
Er ist aus einem isolierenden Kunststoff niedriger Ordnungszahl und niedrigerDichte
hergestellt, vorzugsweise aus demselben Stoff wie der weiter unten erwähnte Isolator
13. Die in der Zeichnung stark vergrößert dargestellte elektrisch leitende Oberflächenschicht
11 kann aus kolloidalem Graphit, aus Aluminiumfarbe oder einem anderen Stoff hergestellt
sein, der metallische Leitung ergibt, und soll nur gerade so dick sein, vorzugsweise
nicht mehr als etwa 0,1 mm, daß gute elektrische Leitung noch gewährleistet ist.
Diese Schicht 11 liegt unmittelbar auf der Stirnfläche des metallischen Körpers
12 auf und steht daher mit diesem in leitender Verbindung. Diese zweiteilige Meßelektrode
sitzt im Innenhohlraum eines aus einem Nichtleiter niedriger Ordnungszahl und niedriger
Dichte hergestellten Isolators 13, dessen Dicke 2,5 cm beträgt. Besonders geeignet
sind aus Polymetacrylsäureester hergestellte Kunststoffe, Polystyrene, Quarz und
Hartglas. Dieser Isolator 13 trägt an seinem gesamten Außenumfang eine elektrisch
leitende Schicht 14 aus kolloidalem Graphit, Aluminiumfarbe oder einem anderen metallische
Leitung ergebenden Stoff, die über eine Leitung 15 mit Masse verbunden ist. Eine
zweite Leitung 16 ist an die Meßelektrode 12 angelötet und durch eine enge Bohrungl7
im Isolator 13 an der der Strahlung P abgekehrten Rückseite aus dem Isolator 13
herausgeführt und mit Hilfe einer koaxialen Metallabschirmung 18 abgeschirmt. Die
Leitung 16 dient zum Anschluß des oben beschriebenen Strahlungsempfängers an ein
weiter unten näher dargestelltes elektrisches Meßgerät, mit dem der unter dem Einfluß
der Primärstrahlung P entstehende elektrische Strom, welcher zwischen Außenelektrode
und Meßelektrode auftritt, gemessen wird.
-
Die quadratische Stirnfläche der Vorrichtung ist der bei P angedeuteten
zu messenden Strahlung zugekehrt, die z. B. von einem nicht dargestellten Cobalt-
60-Strahler
mit einer mittleren Energie von 1,25 MeV oder einer anderen Strahlungsquelle ausgeht.
-
Die in die stirnseitige Wand des Nichtleiters 13 eindringende StrahlungP
erzeugt in diesem nach dem bekannten Comptoneffekt innerhalb des hier in Betracht
kommenden Energiebereiches von etwa 0,3 bis 3 MeV in überwiegendem Maße Comptonelektronen;
bei niedrigeren Energien würde Photoabsorption und bei höheren Paarbildung vorherrschen.
Die Comptonelektronen werden hauptsächlich in die Richtung der primären Photonenstrahlung
gestreut. Dieser im Nichtleiter 13 auftretende Fluß rasch bewegter Elektronen stellt
einen elektrischen Strom dar, welcher zwischen Außenelektrode und Meßelektrode fließt,
solange die Vorrichtung bestrahlt wird.
-
Bei diesem Vorgang hat die als Absorber ausgebildete Meßelektrode
die zusätzliche Aufgabe, der an ihrer Stirnseite eindringenden Photonenstrahlung
den Aus-und Durchtritt durch den rückwärtigen der StrahlungP abgewandten Wandteil
des Isolators zu verwehren; etwaige in diesen Rückwandteil austretende Photonenstrahlung
würde nämlich wieder auf Grund des Comptoneffektes einen nunmehr in entgegengesetzter
Richtung, also von der Meßelektrode zur Außenelektrode fließenden Elektronenstrom
erzeugen. Der Meßstrom als Summe der beiden in bezug auf die Meßelektrode entgegengesetzt
fließenden Ströme würde also zu klein ausfallen. Zur quantitativen Messung muß man
also den Absorber so groß wählen, daß möglichst die gesamte, durch die Stirnwand
des Nichtleiters 13 hindurchtretende Strahlung vom Absorber verschluckt wird.
-
Andererseits hat der zwischen dem Isolator 13 und dem Körper 12 sitzende
Körper 10 als Teil der Meßelektrode die Aufgabe, Refiexionseffekte zu verhindern,
sowohl in bezug auf Elektronen wie Photonen. Ein von einer leitenden Schicht bedeckter
Nichtleiter ist ein Faradaykäfig. Alle im Innern absorbierte oder festgehaltene
Ladung erscheint als Oberflächenladung wieder. Elektrisch verhält sich also der
Körper 10 wie ein Metall. Die Dicke des Körpers 10 ist größer als die maximale Reichweite
der Comptonelektronen. Von der Strahlung erzeugte Elektronen, welche aus dem Nichtleiter
13 in den Körper 10 eintreten, bleiben in dessen Innerem stecken, wobei aber ihre
Gesamtladung zur Oberfläche abgeführt und als Ladung der Meßelektrode wahrgenommen
wird. Da die leitende Oberflächenschicht 11 so dünn ist, daß sie keine merkliche
Elektronenreflexion oder Elektronenabsorption aufweist, und weiterhin der Nichtleiter
13 und der Körper 10 vorzugsweise aus demselben Material bestehen, stellt die Grenzfläche
zwischen dem Nichtleiter 10 und der Meßelektrode keine Inhomogenität für Elektronen-
und Photonenstrahlung dar und erzeugt also auch keine störenden Grenzflächeneffekte.
Die an der Stirnwand des Metallkörpers 12 auftretende, durch Reflexion entstehende
Rückstrahlung soll durch den Körper 10 gleichfalls möglichst abgefangen und vom
Rücktritt in den Isolator 13 abgehalten werden. Da die reflektierte Strahlung viel
weicher als die Primärstrahlung ist, wird diese Aufgabe bei den angegebenen Abmessungen
des Körpers 10 weitgehend erfüllt. Somit wird erreicht, daß der zwischen Außenelektrode
und Meßelektrode fließende Elektronenstrom der Dosisleitung der Strahlung unmittelbar
proportional ist.
-
Zur Messung des Stromes oder der Ladung stehen verschiedene Meßmethoden
bekannter Art zur Verfügung.
So kann man beispielsweise den zu messenden
Strom über einen Hochohmwiderstand, der in der Zeichnung nicht angedeutet ist, führen
und den an diesem Hochohmwiderstand erzeugten Spannungsabfall mit einem Gleichstromverstärker
messen. Für Messungen, bei denen erhöhte Genauigkeit erforderlich ist, empfiehlt
es sich,line Null-Methode zu verwenden, in welcher die durch den Comptonelektronenstrom
erzeugte Aufladung der Meßelektrode durch einen über einen Influenzkondensator zugeführten
Gegenstrom kompensiert wird. Hierbei wird die Spannungsdifferenz zwischen Meßelektrode
undAußenelektrode praktisch auf Null gehalten. Die Messung selbst erfolgt mit Geräten,
die außerhalb des Strahlungsfeldes aufgestellt sind, so daß meist Leitungen von
nicht unerheblicher Länge erforderlich sind.
-
Hierbei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die zwischen dem Leiter
16 und seinem Abschirmmantel 18 vorhandene Eigenkapazität der Zuleitung als Influenzkapazität
zu verwenden. Man findet, daß diese Leitungskapazität schon bei relativ geringer
Leitungslänge wesentlich größer ist als die zwischen Meßelektrode und geerdeter
Außenelektrode bestehende Kapazität der Meßvorrichtung, die dann meist gegenüber
der Leitungskapazität vernachläßigbar ist.
-
Fig. 2 zeigt das Schaltschema einer solchen Kompensations-Meßanordnung.
Der Kompensationsstrom 1 wird hier also der Meßelektrode über die zwischen der Leitung
16 und ihrem Abschirmmantel 18 bestehende Kapazität zugeführt und durch eine zeitlich
veränderliche Gegenspannung erzeugt. Diese Gegenspannung ist in Fig. 2 mit Ug bezeichnet
und wird an einem Spannungsteiler 20 mit Hilfe eines verstellbaren Abgriffs 21 abgegriffen.
Über dem Spannungsteiler 20 liegt eine Batterie 22, deren Minuspol über die Erdleitung
23 mit Masse verbunden ist. Zwischen der Erdleitung und dem Abgriff 21 ist ein Voltmeter
24 eingeschaltet, an dem die jeweilige Höhe der am Abgriff 21 eingestellten Kompensationsspannung
Ug abgelesen werden kann. Vom Abgriff 21 führt außerdem eine Leitung 25 zum Abschirmmantel
18 des Leiters 16, der seinerseits an einen bei 26 angedeuteten Nulldetektor bekannter
Bauart angeschlossen ist.
-
Durch die Vergrößerung der Kompensationsspannung Ug wird der Meßelektrode
über den Abschirmmantel 18 ein Kompensationsstrom I zugeführt, der bewirkt, daß
die Spannung zwischen dieser Elektrode und der Außenelektrode den Wert Null beibehält,
obwohl die von der zu messenden Strahlung P erzeugten Comptonelektronen dauernd
von der Meßelektrode aufgenommen werden. Die Änderungsgeschwindigkeit der Kompensationsspannung
Ug wird dabei so eingestellt, daß der Nulldetektor keine Anzeige liefert. Da der
der Meßelektrode zufließende Strom I = C Ug dt ist, kann man den Stromwert I, der
dem zu messenden, durch die Strahlung P erzeugten Comptonelektronenstrom umgekehrt
gleich ist, in einfacher Weise dadurch ermitteln, daß man den Wert Ugo bei Beginn
der Messung und den Wert Ugt am Ende der Messung feststellt. Aus der bekannten Kabelkapazität
C zwischen dem Leiter 16 und seinem Abschirmmantel 18 und aus der Differenz des
Anfangs- und des Endwertes der Kompensationsspannung Ug kann dann auf einfache Weise
der Stromwert ermittelt werden. Die Dosis der während des Zeitintervalls t aufgefallenen
Strahlungsenergie ergibt sich dann in einfacher Weise aus der Differenz der Spannungswerte
Ugo und Ugt.
-
Während die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung eine hohe
Meßgenauigkeit hat, sich jedoch wegen ihres beträchtlichen Volumens und Gewichtes
hauptsächlich für stationäre Verwendung zu Absolutmessungen, besonders in Verbindung
mit einer automatisch arbeitenden elektrischen Meßanordnung eignet, läßt das in
Fig. 3 dargestelllte Ausführungsbeispiel eine tragbare Verwendung zu. Es ist wesentlich
leichter und einfacher konstruiert. Der Strahlungsempfänger nach Fig. 3 hat wieder
eine zweiteilige Meßelektrode. Diese besteht aus einem allseitig mit einer leitenden
Schicht31 aus Aquadag oder Aluminiumfarbe bedeckten und aus einem nichtleitenden
Stoff, etwa einem aus Polymetacrylsäureester hergestellten Kunststoff bestehenden
Körper 30, welcher auf der Stirnseite eines scheibenförmig ausgebildeten Bleikörpers
32 aufsitzt. Diese zweiteilige Meßelektrode sitzt wie beim vorher beschriebenen
Ausführungsbeispiel im Innenraum eines Nichtleiters 33, der vorzugsweise aus demselben
Stoff besteht wie der Körper 30. Die Außenseite des als Streukörper und Isolator
wirkenden Nichtleiters 33 trägt die sie allseitig bedeckende, aus Aluminium bestehende
Außenelektrode 34. Sie trägt an einer möglichst außerhalb des Strahlungsfeldes liegenden
Seite einen Stutzen35, der eine Anschlußklemme36 und eine an dieser befestigte und
mit der Meßelektrode verbundene Leitung 37 aufnimmt und von einem abnehmbaren, aus
einem guten Isolator, vorzugsweise aus derselben Substanz wie der Streukörper bestehenden
Verschlußstück 38 abgedeckt ist.
-
Zur Messung wird der Strahlungsempfänger mit durch das Verschlußstück
38 abgedeckter Anschlußklemme 36 der Strahlung ausgesetzt. Unter dem Einfluß der
zu messenden Strahlung werden in dem als Streukörper wirkenden Nichtleiter 33 Comptonelektronen
erzeugt, welche, wie im vorherigen Ausführungsbeispiel erwähnt, wieder einen zwischen
Außenelektrode und Meßelektrode fließenden Elektronenstrom erzeugen. Hierdurch entsteht
eine elektrische Aufladung der isolierten Meßelektrode gegenüber der Außenelektrode.
Nach der Bestrahlung wird diese Ladung bzw. die schließlich zwischen den beiden
Elektroden erzeugte Potentialdifferenz gemessen, indem die Außenelektrode 34 geerdet
wird und die Anschlußklemme36 nach Abnahme des Verschlußstückes 38 mit einer geeigneten
elektrischen Meßvorrichtung bekannter Art verbunden wird.
-
Hierfür kann jedes bekannte elektrische Meßsystem verwendet werden,
welches die Ladung eines Kondensators zu bestimmen gestattet. Da die Kapazität zwischen
Außenelektrode und Meßelektrode verhältnismäßig klein ist, kann eine beträchtliche
Ladespannung entstehen. Bei einem praktisch ausgeführten Auffänger nach Fig. 3 betrug
diese Kapazität etwa 100pF. Ein Comptonelektronenstrom in der Stärke von 10-1°A
ergibt dann in 100 Sekunden eine Spannung von 100 Volt. Derartige Spannungen können
mit üblichen Einfaden-Taschenelektrometern leicht gemessen werden. Erhöhte Empfindlichkeit
wird durch Verwendung von tragbaren Röhrenvoltmetern erhalten.
-
Für die in den Fig. 1 und 3 beispielhaft dargestellten Vorrichtungen
gelten folgende Überlegungen: Der Strahlungsfluß P (x) (gemessen in erg/sec) einer
Photonen strahlung vermindert sich durch wahre Absorption (dP1/dx) und durch Streuung
(d12/dx). Es sei E die mittlere Energie eines Comptonelektrons (in erg) und N(x)
die Gesamtzahl der in der Tiefe x pro Weglänge und Zeiteinheit erzeugten Elektronen.
-
Die durch wahre Absorption der Primärstrahlung entzogene Energie
findet sich als Energie der Comptonstrahlung wieder.
-
Man hat also: dP1/dx = -N(x) E.
-
Die Zahl der Elektronen, welche pro Zeiteinheit durch den Querschnitt
des bestrahlten Materials gehen, sei n(x). Sie ist gleich der Gesamtzahl aller innerhalb
einer Reichweitenlänge R erzeugten Elektronen, also: n(x>=RN (x).
-
Die Beziehung zwischen Reichweite und Energie der Elektronen in dem
betrachteten Gebiet wird als linear angesehen: R=a'E, und hiermit wird n(x) = a
E N(x).
-
Der Gesamtstrom wird durch Multiplikation der Elektronenzahl mit
der Einheitsiadung e (in coulomb) erhalten. Istq der Querschnitt, so wird also die
Stromdichte i(x), in a/cm2, gegeben durch 1 dP i(x) = - a e a q dx Monochromatische
Strahlung wird exponentiell absorbiert. Wenn ,es der lineare Absorptionskoeffizient
in cm-l ist, so wird also dP,ldx = ,uPl, und schließlich i(x) = e a u Plq.
-
Der Strom ist also dem Strahlungsfluß proportional und daher ein
Maß für diesen.