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Empfindliche energie- und richtungsunabhängige, mit Gasverstärkung
im Proportionalbereich arbeitende lonisationskammer Die Erfindung betrifft eine
ionisationskammer, die zur Erzielung einer größeren Dosisempfindlichkeit im Bereich
der direkten Proportionalität bis zu Gasverstärkungsfaktoren der Größenordnung 101...
105 betrieben wird und deren Empfindlichkeit, gemessen in A/cm#" - mr.Ih, in einem
großen Energiebereich weitestgehend von Energie und Richtung einfallender Strahlung
unabhängig ist.
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Der mit bekannten Hilfsmitteln gemessene gasverstärkte Ionisationsstrom
ist ein Maß für die Dosisleistung am Ort des Detektors, die auf der Sammelelektrode
oder auf einem in Reihe zum Detektor geschalteten Kondensator gespeicherte Ladungsmenge
ist proportional zur Dosis.
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Da die Empfindlichkeit des Detektors proportional zum Ionisationsvolumen
ist, soll als spezifische Dosisempfindlichkeit für den Fall der Dosisleistungsmessung
der auf die Einheit des Ionisationsvolumens bezogene Quotient aus der Änderung der
Stromstärke und der Änderung der Dosisleistung, für den Fall der Dosismessung der
auf die Einheit des Ionisationsvolumens bezogene Quotient aus der Änderung der Ladungsmenge
und der Änderung der Dosis definiert werden.
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Es sind schon luftäquivalente Normaldruckionisationskammern für die
Röntgen- und Gammadosimetrie bekannt. Diese Ionisationskammem erfordern aber wegen
ihrer kleinen spezifischen Dosisempfndlichkeit, die größenordnungsmäßig 10-16 A/cmf3.
mr/h beträgt, entweder sehr große Kammervolumina oder einen beträchtlichen Verstärkeraufwand.
Durch Anwendung einer Hochdruckfüllung kann die Dosisempfindlichkeit zwar um einen
Faktor 10 ... 20 gesteigert werden, solche Hochdruckkammern können aber nicht
auf luftäquivalenten Werkstoffen aufgebaut werden. Es hängt dadurch ihre Dosisempfindlichkeit
für Energien G 70 keV stark von der Energie der einfallenden Strahlung ab.
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Weiterhin ist für die Röntgen- und Gammadosimetrie bereits eine Gasverstärkungskammer
bekannt, die nur noch eine erstrebte geringe Energieabhängigkeit der Dosisempfindlichkeit
aufweist. Die auf die Volumeinheit bezogene Dosisempfindlichkeit dieser Kammer kann
auch um Gasverstärkungsfaktoren von 103 bis 105, je nach Fülldruck und Art der Füllung,
zwecks Energieunabhängigkeit angehoben werden. Diese bekannte Kammer besteht aus
einem zylindrischen Rohr aus Kunststoff mit darin axial ausgespanntem, als Sammelelektrode
wirkendem Anodendraht. Als Kathode dient eine dünne, auf die Innenwand des Kunststoffzylinders
aufgebrachte Schicht aus einer luftäquivalenten, elektrisch leitenden Masse. Unter
der Voraussetzung, daß die Kammer im Bereich der direkten Proportionalität betrieben
wird, sind für Kammern mit Gasverstärkung bezüglich der Energieabhängigkeit die
gleichen Gesichtspunkte maßgebend wie für normale, im Sätigungsgebiet arbeitende
Ionisationskammern. Eine Empfindlichkeitssteigerung ist insbesondere für die Betastrahlendosimetrie
erstrebenswert, da hier die Kammerabmessungen ohnehin (Bragg-Gray-Prinzip) klein
gehalten werden müssen.
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An Nachteilen weist die bekannte Gasverstärkungskammer hier trotz
konstanter Spannung im Laufe der Zeit stärkere Änderungen der Gasverstärkung auf,
da die Kunststoffe infolge des makromolekularen Gefüges nicht vollkommen gas- und
dampfdicht sind und das verwendete Kunststoffrohr infolge seines niedrigen Erweichungspunktes
vor der Füllung nicht wirksam ausgeheizt werden kann. Weiterhin ist der Detektor
infolge der Zylindergeometrie, besonders im Gebiet kleiner Quantenenergien, stark
von der Richtung der einfallenden Strahlung abhängig. Andererseits hängt bei der
gewählten Zylindergeometrie die Gasverstärkung bei konstanter Spannung stark von
der Anzahl der pro Volumeinheit im Gasraum befindlichen Gas- oder Dampfmoleküle
und die Zahl der wirksamen Moleküle von der starken Adsorption an der graphithaltigen
Kathodenschicht ab. Der Detektor besitzt also infolge der Temperaturabhängigkeit
der Dampf- bzw. Gasadsorption eine recht beträchtliche Temperaturabhängigkeit der
Gasverstärkung
und damit auch der Dosisempfindlichkeit, abgesehen
von seiner geringen Lebensdauer.
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Diese Nachteile werden nun bei einer empfindlichen, energie- und richtungsunabhängigen,
mit Gasverstärkung im Proportionalbereich arbeitenden lonisationskammer zur Messung
der Dosis uiid,/oder Dosisleistung von Röntgen- und Gammastrahlen erfindungsgemäß
dadurch behoben, daß die Kammerhülle in an sich bekannter Weise annährend kugelförmig
ausgeführt ist, aus einem unterluftäquivalenten Lithium-Beryllium-Borat-Glas besteht
und mit überluftäquivalentem Dampf, Gas oder einem Gemisch aus beiden, dessen effektive
Ordnungszahl bei 8 ... 10 liegt, gefüllt ist.
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Um einen gasdichten Abschluß des Ionisationsvolumens zu erreichen,
ist es bekannt als Wandmaterial ein aus Bortioxyd bestehendes, näherungsweise luftäquivalentes
Glas zu verwenden. Dieses Glas besitzt jedoch den Nachteil, daß es stark hygroskopisch
ist.
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Die Kugelgeometrie der Kammer besitzt gegenüber der bisher verwendeten
Zylindergeometrie eine Reihe von Vorteilen, die unter anderem in einer weitestgehend
richtungsunabhängigen Dosisempfindlichkeit bestehen. Technologisch gesehen ist dabei
das Blasen von Glaskugeln einfacher als das Ziehen zylindrischer Rohre mit genau
definiertem und gleichbleibendem Radius. Geringe Abweichungen von der exakten Kugelgeometrie
haben nur geringen Einfuß auf die Gasverstärkung. Die Gasverstärkung durchläuft
bei der Kugelgeometrie und konstanter Spannung in Abhängigkeit vom Produkt aus Dampfdichte
@3G und Innenradius der als Anode und Sammelelektrode verwendeten Kugel ein Maximum.
In einem bekannten zylindrischen Detektor nimmt die Gasverstärkung bei konstanter
Spannung demgegenüber mit wachsender Gas- bzw. Dampfdichte QG und wachsendem Radius
des Anodendrahtes stark ab. Da ferner die Gasverstärkung bei der Kugelgeometrie
unabhängig vom Kathodenradius ist, liefert die Kugelgeometrie eine bessere Reproduzierbarkeit
bei der Herstellung. Die Lage des genannten Maximums bei der Ionisationskammer nach
der Erfindung hängt auch noch von der angelegten Spannung ab, die leicht so gewählt
werden kann, daß der in Frage kommende Spannungsbereich in der Nähe des Maximums
liegt. In diesem Bereich existiert daher nur eine geringe Abhängigkeit der Gasverstärkung
von der Dichte des Füllgases bzw. Fülldampfes. Daher wird auch der von der Gas-bzw.
Dampfadsorption an der Innenwand der Kammer herrührende Anteil der Temperaturabhängigkeit
der Gasverstärkung mit herabgesetzt.
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Ein weiterer Vorteil der Kugelgeometrie liegt darin, daß die zur Einstellung
eines bestimmten Gasverstärkungsfaktors erforderliche Spannung und Steilheit der
Gasverstärkungs-Spannungs-Kennlinie kleiner ist als bei einem zylindrischen Detektor
bei gleichem Durchmesser des Anodendrahtes und bei gleicher Füllung wie gleichem
Fülldruck. Unter Steilheit wird dabei die relative Änderung der Gasverstärkung bei
einer bestimmten relativen Änderung der angelegten Spannung verstanden. Geringe
Steilheit bedeutet also verringerte Spannungsabhängigkeit und Störanfälligkeit.
Diese Steilheit liegt bei einem Gasverstärkungsfaktor von 101 in der Größenordnung
von 10 ... 20. Gut stabilisierte Spannungsquellen sind deshalb nur vorteilhaft.
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Damit nun der für die Stabilisierung erforderliche Aufwand vermindert
werden kann ist eine Verkleinerung der Steilheit der Gasverstärkungs-Spannungs-@;.ea-ihnie
von großer praktischer Bedeutung, wie sie -.;.i der Kugelgeometrie erreichbar ist.
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Zur Füllung des Detektors eignen sich prinzipiell alle für Proportionalzählrohre
erprobten Dämpfe, Gase oder derer. Gemische. Damit nun aber die anzustrebende überluftäquivalenz
der Füllung mit einer effektiven Ordnungszahl von 8 ... 10 erreicht wird,
ist vorzugsweise eine Füllung mit Neon unter Zusatz eines Löschdampfes. z. B. i-Butan,
angebracht.
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Das nach der Erfindung benutzte Glas als Wandmaterial gewährleistet.
einen völlig gas- und dampfdichten Abschluß. An der Innenwand adsorbierte Gasmoleküle
sind durch Ausheizen vor dem Füllen leicht zu entfernen. Zusammensetzung des Füllgases
bzw. Fülldampfes und Gasverstärkung bei konstanter Spannung ändern sich daher im
Laufe der Zeit nicht mehr.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist als Wandmatrial ein an sich für
andere Zwecke bekanntes Glas verwendet worden, das sich aus 82 Gewichtsprozent Bortrioxyd
(B,0.), 13,6 Gewichtsprozent Lithiumoxyd (Li20) und 4,4. Gewichtsprozent Berylliumoxyd
(Be0) zusammensetzt. Ein solches Glas ist beständig, läßt sich auch zu Kugeln blasen
und kann mit bekannten Einschmelzgläsern vakuumdicht verbunden werden.
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Der Erstarrungspunkt liegt bei etwa 450° C. Die im Vergleich zu Silikatgläsern
große elektrische Leitfähigkeit bietet die Möglichkeit, nur noch Außenkathoden zu
benutzen (an Stelle von Innenkathoden).
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Aus Berechnungen geht hervor, daß die effektive Ordnungszahl des Glases
Z@.ff = 7,3 beträgt. Das bedeutet, daß das Glas etwas unterluftäquivalent
ist. Bei gleichzeitiger Verwendung einer demgegenüber etwas überluftäquivalenten
Füllung mit einer effektiven Ordnungszahl Zoff = 8 ... 10 ergibt
sich wegen der mit abnehmender Ordnungszahl des Wandmaterials abnehmenden Adsorption
der Primärstrahlung in der Wand des Detektors eine Ausdehnung des nutzbaren Energiebereiches
in Richtung kleiner Energien.
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Eine weitere Verbesserung der Energieunabhängigkeit im Gebiet sehr
niedriger Quantenenergien kann in weiterer Ausbildung der Erfindung durch Aufbringen,
z. B. durch Aufdampfen einer sehr dünnen Schicht mit einem Flächengewicht der Größenordnung
0,05 ... 1 mg/cm° aus Aluminium, Kupfer oder Nickel auf die Innenwand des
Detektor erreicht werden. Diese Schicht darf allerdings nur sehr dünn sein. damit
die gewünschte Vergrößerung der Empfindlichkeit nur bei sehr kleinen Energien auftritt.
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In den Zeichnungen sind nur Ausführungsbeispiele zur Erläuterung des
Erfindungsgedankens dargestellt. Es zeigt Fig. 1 das Verhältnis V der Dosisempfindlichkeiten
(mit 2Lh(i multiplziert) verschiedener Kammern zu einer Standardkammer gleichen
Ionisationsvolumens in Abhängigkeit von der Quantenenergie E für monoenergetische
Strahlen, wobei nL die Dichte der Luft unter Normalbedingungen und no die Dichte
des Füllgases bzw. Fülldampfes der jeweils betrachteten Kammer bedeutet, Fig. 2
und 3 verschiedene, mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ionisationskammer.
Die Kurve 1 läßt in Fig. 1 den Funktionsverlauf bzw. die Energieabhängigkeit für
eine Kammer aus
Silikatglas erkennen, die für dosimetrische Zwecke
unbrauchbar ist. Die Standard-Ionendosis ist bekanntlich auf die in einem bestimmten
Luftvolumen erzeugte Ionisierung bezogen, und die Absorption von Gammastrahlen hängt
stark von der Ordnungszahl des jeweiligen Stoffes ab. Demzufolge besitzen lonisationskammern
aus überluftäquivalentenn Wandmaterial eine unerwünschte starke Energieabhängigkeit
der Dosisempfindlichkeit.
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Kurve 2 stellt die Energieabhängigkeit der Dosisempfindlichkeit einer
Standard-Ionisationskammer dar. Da aus Gründen der mechanischen Haltbarkeit und
auch wegen des bei zu dünnen Wänden im Gebiet hoher Quantenenergie auftretenden
Empfindlichkeitsverlustes nicht beliebig kleine Wandstärken verwendet werden können,
geht unter Berücksichtigung der Primärabsorption die Kurve 2 in die Kurve 3 für
einen luftäquivalenten Detektor von endlicher Wanddicke über. Die Empfindlichkeitsabnahme
mit kleiner werdender Energie ist um so stärker ausgeprägt, je größer die Ordnungszahl
des Wandmaterials ist.
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Kurve 4 stellt die Energieabhängigkeit einer Ionisationskammer mit
einer etwas unterluftäquivalenten Wand (effektive Ordnungszahl des Wandmaterials
Zw < effektive Ordnungszahl der Luft Z,) und mit einer etwas überluftäquivalenten
Füllung (effektive Ordnungszahl des Fülldampfes Zr > ZZ) dar, bei vernachlässigter
Primärabsorption in der Wand. Wegen Z,p, < ZZ nimmt mit abnehmender Energie die
Dosisempfindlichkeit zunächst in geringem Maße mit ab, für genügend kleine Energien
erfolgt wegen ZF >Z, wieder eine Zunahme. Dieser Empfindlichkeitsanstieg
wird durch die Primärabsorption der Strahlung in der Kammerwand kompensiert, wie
Kurve 5 zeigt.
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Der Vergleich der Kurven 3 und 5 läßt erkennen, daß die Kombination
»unterluftäquivalente Wandüberluftäquivale:-te Füllung« bei kleinerem Energiefehler
eine Messung bis zu niedrigeren Energien zuläßt als die Kombination einer luftäquivalenten
Wand mit luftäquivalenter Füllung.
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In Kurve 6 ist die Wirkung einer gemäß Weiterbildung der Erfindung
auf die Innenwand des Detektors aufgetragenen, vorzugsweise aufgedampften dünnen
Schicht von beispielsweise 0,05 ... 1 mg/cm- Flächengewicht aus Aluminium,
Kupfer oder Nickel dargestellt, die eine verbesserte Energieunabhängigkeit bei sehr
niedrigen Quantenenergien ergibt. Sie beruht darauf, daß bei nicht zu hohen Fülldrucken
der Größenordnung l00... 300 Torr und bei nicht zu großen Kammerabmessungen
der Anteil der von den in der Wand gebildeten Sekundärelektronen hervorgerufenen
Ionisation gegenüber dem Gasanteil selbst bei sehr kleinen Quantenenergien noch
nicht vernachläßigbar ist und daß dieser Wandanteil mit wachsender Ordnungszahl
der sekundärelektronenerzeugenden Schicht stark zunimmt. Da die gewünschte Empfindlichkeitsverbesserung
nur bei kleinen Energien auftreten soll, darf diese Innendicke nur sehr dünn sein.
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Gemäß Fig. 2 besteht die Kugelkammer 7 aus dem Lithinm-Beryllium-Borat-Glas.
Die Wandstärke beträgt 0,3 ... 0,6 mm. Die Wandstärke beinflußt Lage und
Höhe des Maximums der in Fig. 1 dargestellten Energieabhängigkeitskurven 5 und 6.
Die günstige Wandstärke hängt von Art und Druck des Füllgases sowie vom Durchmesser
der Kugel 7 ab. An die Kugel 7 ist ein zylindrischer Hals 8 aus einem bekannten
Einschnelzglas angeblasen, der bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform eine
zentrische, liefe Einstülpung besitzt. Die Zuführung der Anodenspannung zur Sammelelektrode,
die entweder die Form einer kleinen, im Mittelpurkt der Kugcl7 angeordneLen Kugel
10 oder die Form einer Schleife 11 (Fig. 3) aus dünnem Wolframdraht besitzt, erfolgt
über einen Anschlußdraht 12, der vakuumdicht- in den zylindrischen Hals 8 eingeschmolzen
ist. Die als Sammelelektrode dienende Anode 11 kann in bekannter Weise aus mehreren
Schleifen bestehen. Als Kathode wird entweder eine leitende Schicht 13 aus Graphit
auf der Außenwand oder eine sehr dünne Schicht 14 (Fig. 3) aus Aluminium, Nickel
oder Kupfer auf der Innenwand der Kugel 7 verwendet. Die Schicht 14 dient dabei
gleichzeitig zur Vergrößerung der Dosisempfindlichkeit im Gebiet kleiner Quantenenergien.
Es ist ferner möglich, gleichzeitig die metallische Schicht 14 und die Schicht 13
anzubringen, wobei die Schicht 13 als Kathode dient. Um den Detektor mechanisch
zu schützen, kann die Kugel 7 nach Auftragen der Kathodenschicht 13 noch mit einem
Überzug aus Lack oder Kunststoff versehen werden.
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Der Hals 8 ist mit elektrisch leitenden ringförmigen Belegungen 15
und 16 versehen, die durch eine oder mehrere leitende metallische Einschmelzungen
17 elektrisch miteinander verbunden sind. Die Belegungen 15 und 16 dienen gleichzeitig
als Schutzringe und verhindern den direkten Ladungs- bzw. Stromtransport über die
Glasoberflächen zwischen Kathode 13 bzw. 14 und Anodenzuführung 12 (Sammelelektrode).
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Die elektronischen Hilfsmittel zur Messung der Dosisleistung, z. B.
durch Messung des Spannungsabfalles über einen mit der Sammelelektrode verbundenen
hochohmigen Widerstand, oder zur Messung der Dosis, z. B. durch Bestimmung der Ladespannung
eines mit der Sammelelektrode verbundenen Kondensators, sind allgemein bekannt und
bedürfen daher nicht der näheren Erläuterung.
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Ionisationskammern mit Gasverstärkung gemäß Erfindung können nach
einem weiteren Ausführungsbeispiel so aufgebaut sein, daß sie mit Vorteil auch zur
Messung der Dosis bzw. Dosisleistung von Betastrahlen verwendet werden können. Zu
diesem Zweck ist die Wandstärke mindestens eines Teils der Oberfläche der Kuge17
sehr dünn zu halten. Unter gewissen Umständen erscheint es herstellungsmäßig einfacher,
die Ionisationskammer nach Art der bekannten Endfensterzählrohre aufzubauen, um
sie zusätzlich für die Betastrahlendosimetrie verwenden zu können. Es ist dabei
nur erforderlich, die als Sammelelektrode dienende Anode durch einen oder mehrere
Schutzringe potentialmäßig zu schützen und den Durchmesser der Kammer etwa gleich
der Länge des aktiven Volumens zu machen.
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Wird der von den Endfensterzählrohren her bekannte zylindrische Kolben
aus dem beschriebenen unterluftäquivalenten Glas und das Fenster aus einem geeigneten
unterluftäquivalenten Kunststoff, z. B. aus Polytherephthalsäureester hergestellt,
so erhält man bei Füllung mit einem etwas überluftäquivalenten Dampf oder Dampf-Gas-Gemisch
für Röntgen- und Gammastrahlen durch Messung des Stromes bzw. der auf die Sammelelektrode
fließenden Ladung eine energieunabhängige Dosisleistungs- bzw. Dosisanzeige. Bei
energiereicher Gammastrahlung ist das
Fenster dann mit einem Kunststoff
niedriger Ordnungszahl zu bedecken, um auch bei Bestrahlung in axialer Richtung
die Bedingung des Sekundär-Elektronengleichgewichtes zu erfüllen. Wird die Länge
des aktiven Volumens etwa gleich dem Durchmesser des Zylinders gewählt, so erhält
man eine für praktische Zwecke genügend kleine Richtungsabhängigkeit der Anzeige
für Röntgen- und Gammastrahlen, da auch dieser Detektor näherungsweise kugelförmig
ist.
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Für Betastrahlung erhält man bei axialer Einstrahlung ebenfalls eine
nur geringfügig von der Betastrahlenenergie abhängige Dosisempfmdlichkeit, da bei
niedrigen Fülldrucken und bei den für Endfensterzählrohre üblichen kleinen Abmessungen
die Bedingungen des Bragg-Gray-Prinzips für nicht zu weiche Betastrahlen gut erfüllt
sind: Für Einstrahlung senkrecht zur Achse ist die Dosisemfindlichkeit infolge der
Absorption der Betateilchen in der Glaswand kleiner. Für Betastrahlung muß daher
bei der beschriebenen Ausführungsform auf die Richtungsunabhängigkeit der Anzeige
verzichtet werden. Auf diese Weise erhält man einen Detektor, dessen Dosisempfindlichkeit
für Röntgen-, Gamma- und Betastrahlen gleich und unabhängig von der Quanten-bzw.
der Teilchenenergie und für Röntgen- und Gammastrahlung auch unabhängig von der
Richtung der einfallenden Strahlung ist.