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Fluoreszenzglas-Strahlungsdosimeter Die Erfindung betrifft ein Fluoreszenzglas-Strahlungsdosimeter
mit einem Fluoreszenzglasblock von der Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds,
einer UV-Lichtquelle, einem zwischen der Uv-Lichtquelle und dem Fluoreszenzglasblock
liegenden Sammellinsensystem und einer Fotozelle mit angeschlossener Meßeinrichtung
zum Messen des von dem Fluoreszenzglasblock in eine Richtung senkrecht zu der des
anregenden UV-Strahls emittierten Fluoreszenzlichts.
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Fluoreszenzglasdosimeter, bei denen die Fotolumineszenz von Silber
enthaltenden Phosphatglas, d. h. silber-aktiviertem Phosphatglas, ausgenutzt wird.
Wird solches Glas einer kurzwelligen Strahlung ausgesetzt, so erfolgt in ihm eine
fotochemische Reaktion, durch die eine große Zahl von Lumineszenzzentren gebildet
wird. Unter Einwirkung von ultraviolettem Licht zeigen diese Lumineszenzzentren
eine stabile Fluoreszenz.
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Die Anzahl der unter Einwirkung der kurzwelligen Strahlung gebildeten
Lumineszenzzentren ist der Aufstrahldosis direkt proportional. Durch die Stärke
der Fluoreszenz kann deshalb die Dosis bestimmt werden.
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Enthält beispielsweise das Fluoreszenzglas 50 Teile Aluminiummetaphosphat,
50 Teile Lithiummetaphosphat, 7 Teile Silbermetaphosphat und 3 Teile Borsäureanhydrid,
so zeigt es bei Bestrahlung mit von einer Quecksilberbogenlampe durch ein Filter
kommendem ultraviolettem Licht einer Wellenlänge von 365 Millimikron eine orangefarbene
Lumineszenz, deren Intensität der vom Glas erhaltenen Dosis kurzwelliger Strahlung
proportional ist. Die orangefarbene Lumineszenz wird durch ein Licht mit einer Wellenlänge
über 585 Millimikron durchlassendes Filter auf eine Fotozelle gegeben, in der ein
der Intensität der Lumineszenz proportionaler Strom erzeugt wird, den man nach Verstärkung
mißt.
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Derartige Dosimeter, die die Fluoreszenz eines silber-aktivierten
Phosphatglases unter UV-Beleuchtung zur Dosismessung benutzen, sind bekannt. Auch
die Anordnung eines Sammellinsensystems zwischen der UV-Lichtquelle und dem Fluoreszenzglasblock
sowie die Messung der Fluoreszenzintensität mit Fotozellen sind bereits bekannt.
Weiter ist es bekannt, im Strahlengang des Lichtes hinter dem Fluoreszenzglasblock
einen Spiegel anzuordnen, der das Licht zur Verstärkung der durch es hervorgerufenen
Fluoreszenz nochmals in den Fluoreszenzglasblock zurückwirft.
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Die bekannten Fluoreszenzglas-Strahlungsdosimeter weisen durchweg
eine Meßungenauigkeit von über oder nur wenig unter 100 Milliröntgen auf. Messungen
von Dosen in dieser Größenordnung sind also
mit erheblichen Fehlern behaftet, und
kleinere Dosen sind einer Messung überhaupt unzugänglich. Diese Meßungenauigkeit
ergibt sich als Summe der durch die folgenden drei Effekte verursachten Fehler:
1. Jedes Fluoreszenzglas hat eine gewisse Grundlumineszenz, die auch ohne Einwirkung
kurzwelliger Strahlung auftritt und der sich die zu messende Lumineszenz ähnlich
wie in der Radiotechnik ein Signal einem Rauschpegel überlagert.
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2. Das von bekannten Ultraviolett-Lichtquellen abgestrahlte Licht
enthält auch längerwellige Strahlung mit Wellenlängen über 585 Millimikron. Durch
die Einschaltung eines für Ultraviolett-Strahlung durchlässigen Filters zwischen
die Lichtquelle und das Fluoreszenzglas kann dieser längerwellige Strahlungsbestandteil
zwar geschwächt, aber nicht völlig ausgeschaltet werden. Er gelangt zur Fotozelle
und überlagert sich dort der zu messenden Fluoreszenzstrahlung gleicher Wellenlänge.
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3. Feinste Verunreinigungen der Oberflächen des Fluoreszenzglases
strahlen in Ultraviolett-Licht ein Lumineszenzlicht aus, das ebenfalls dem zu messenden
Fluoreszenzlicht entsprechende Wellenlängen in der Größenordnung von 585 Millimikron
enthält.
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Der unter Punkt 1 angeführte Mangel kann nicht grundsätzlich beseitigt
werden. Der durch ihn hervorgerufene Fehler kann nur durch Auswahl eines eine geringe
Eigenlumineszenz aufweisenden Fluoreszenzglases verkleinert werden. Um so wichtiger
ist aber die Beseitigung der durch die unter Punkt 2 und 3 angegebenen Mängel auftretenden
Fehler, die die Meßgenauigkeit der bekannten Fluoreszenzglas-Strahlungsdosimeter
verschlechtern.
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Die Erfindung hat deshalb den Zweck, durch geeignete Ausbildung der
grundsätzlich bekannten Meßanordnung von Fluoreszenzglas-Strahlungsdosimetern deren
Meßgenauigkeit durch weitgehendes Ausschalten der angegebenen Fehler zu beseitigen.
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Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwischen dem Sammellinsensystem
und dem Fluoreszenzglasblock zur Ausblendung seitlichen Streulichts eine Blende
kurz vor dem Fluoreszenzglasblock angeordnet und so ausgebildet ist, daß sie diesen
im Bereich seiner parallel zur Achse des W-Lichtbündels verlaufenden Seitenflächen
gegen das UV-Licht abdeckt, und daß ferner hinter der von der Uv-Lichtquelle abgewandten
Seite des Fluoreszenzglasblocks ein senkrecht zur Achse des UV-Lichtstrahls stehender
ebener Spiegel angebracht ist, dessen im Bereich der Seitenflächen des Fluoreszenzglasbloclcs
verlaufende Randflächen unter einem solchen Winkel schräg nach rückwärts relativ
zur UV-Strahlrichtung verlaufen, daß sie die Streulicht enthaltenden Randbereiche
des UV-Lichtbündels seitlich reflektieren und sie dadurch aus dem vom Spiegel zum
Fluoreszenzglasblock zurückgeworfenen UV-Lichtbündel ausscheiden.
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Durch diese Ausbildung des Strahlenganges wird zuverlässig vermieden,
daß UV-Licht auf die Seitenflächen des Fluoreszenzglasblocks fällt und an den äuf
diesen vorhandenen Verunreinigungen ein langwelliges Lumineszenzlicht hervorruft,
das in die Fotozelle gelangen kann. Durch die besondere Ausbildung des Spiegels
wird der gleiche Effekt auch für das in den Fluoreszenzglasblock zurückgestrahlte
UV-Licht erreicht und außerdem der längerwelliges Streulicht enthaltende Randbereich
des UV-Lichtbündels aus dem rückgestrahlten Licht ausgeschieden.
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Der Randbereich des UV-Lichtbündels enthält deshalb längerwelliges
Streulicht, weil die W-Lichtquelle nicht punktförmig ist und der den Strahlungsmittelpunkt
der Lichtquelle umgebende Bereich, der für das Streulicht verantwortlich ist, einen
erheblich höheren langwelligen Strahlungsanteil hat. Das Streulicht muß deshalb
ausgeschieden werden.
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Das wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch erreicht,
daß in dem von der W-Lichtquelle abgewandten Brennpunkt des Sammellinsensystems
eine enge Blende liegt und daß zwischen dieser Blende und dem Fluoreszenzglasblock
ein zweites Sammellinsensystem derart eingeschaltet ist, daß das UV-Lichtbündel
im Bereich des Fluoreszenzglasblocks wenigstens angenähert parallel verläuft.
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Dadurch wird bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung in der einen
Blende eine annähernd punktförmige virtuelle Uv-Lichtquelle erhalten, deren langwelliger
Strahlungsanteil durch Ausschaltung des Streulichts erheblich vermindert ist.
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Weitere zwischen der UV-Lichtquelle und dem Fluoreszenzglasblock
angeordnete Blenden begrenzen erfindungsgemäß das optisch wirksame Lichtbündel
und
schalten alles außerhalb dieses Bündels liegende Streulicht aus.
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Insgesamt vermindern die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Meßfehler
bei Fluoreszenzglas-Strahlnngsdosimetern auf 3 bis 10 Milliröntgen. Dadurch ist
die Meßgenauigkeit verbessert und der Meßbereich von solchen Dosimetern zum Bereich
kleiner Dosen hin wesentlich erweitert.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen veranschaulicht,
und zwar zeigt F i g. 1 schematisch die Anordnung eines Fluoreszenzglasdosimeters
gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Kombinationsreflektors,
wie er in einem optischen System nach der Erfindung verwendbar ist, und F i g. 3
eine Draufsicht auf den Kombinationsreflektor nach F i g. 2.
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In F i g. 1 ist ein Fluoreszenzglasdosimeter nach der Erfindung dargestellt,
welches eine Lichtquelle in Form einer nur als Abschnitt gezeigten Entladungslampel,
z. B. einer Quecksilberbogenlampe oder einer Xenonentladungslampe mit hoher Leuchtdichte,
aufweist. Das Licht aus der eigentlichen Lichtquelle 2 wird durch ein Linsensystem
3 in einer an dessen Brennpunkt liegenden Blende 4 gesammelt. Durch die Anordnung
der ersten Blende 4 kann eine Punktlichtquelle mit ausreichender Genauigkeit durch
ausreichende Ausblendung eines Bildes am Brennpunkt simuliert werden, auch wenn
die Lichtquelle selbst nicht punktartig ist, und es ist ferner möglich, wesentliche
Teile des Streulichtes auszuschalten, welches von einem um die eine hohe Lidhtdichte
aufweisende Lichtquelle 2 liegenden Abschnitt 2' ausgestrahlt wird. Das durch die
erste Blende 4 gehende Licht fällt durch ein Filter 5 und wird dann in einem Sammellinsensystem
6 so gesammelt, daß an einer Stelle 7 ein, z. B. auf das Vierfache vergrößertes
Bild der Blende 4 erzeugt wird.
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Ein Block 8 aus Dosimeterglas - im folgenden einfach Glas genannt
- in Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds, liegt so in der optischen Bahn des
Linsensystems 6, daß die Lichtstrahlen durch seine Fläche 9 eindringen. Vor dem
Glas ist gegenüber der Fläche 9 eine zweite Blende 1O angeordnet.
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Die zweite BlendelO vermindert den Querschnitt des auf das Glas 8
auftreffenden Lichtbündels und blendet so das auf die Umfangskanten der Fläche 9
einfallende Licht ab. Durch die Anordnung dieser zweiten Blende 10 kann eine etwa
parallele Strahlung ultravioletten Lichtes erreicht werden, das auf die Fläche 9-des
Glases 8 senkrecht auftrifft.
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Wenn angenommen wird, daß die erste Blende 4 eine Öffnung von der
Größe 1,7 1,0 mm aufweist und diese Blende durch das Linsensystem 6 auf das Vierfache
vergrößert abgebildet wird, so wird ein Bild von 6,8 4,0 mm an der Stelle 7 erzeugt.
Wenn ferner vorausgesetzt wird, daß das rechtwinklig parallelepipede Glas 8 eine
Abmessung von 8 8 8.8.4,7 mm aufweist und die zweite Blende 10 einen Öffnungsbereich
von 6,84,0 mm hat, fällt das Licht in einer rechteckigen. Ebene von 6,84,0 mm auf
die rechteckige Fläche 9 von 8 4,7 mm auf.Es wird also das auf die Umfangskanten
der Fläche 9 auffallende Licht ausgeblendet. Es wird jedoch vorausgesetzt, daß diese
zwei rechteckige Ebenen einen gemeinsamen Mittelpunkt haben und in einer Stellung
gehalten werden, in der die entsprechenden Seiten parallel zueinander liegen. Durch
dieses Ausblenden des auf den Umfangsabschnitt
der Fläche 9 einfallenden
Lichtes wird kein Licht auf die vier Flächen an der Ober-, der Unter-, der linken
und der rechten Seite des Glases und auf eine Fläche eines nicht dargestellten Glashalters
projiziert. Daher kann keine Fluoreszenz durch auf diesen Flächen liegende Fremdkörper
erzeugt werden.
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Hinter dem Glas 8 ist eine Spiegelfläche 11 zum Reflektieren des
durch die zweite Blende 10 durchtretenden Lichtes und damit zur Intensivierung des
ultravioletten Lichtes im Glas 8 angeordnet. Die Spiegelfläche 11 ist vorzugsweise
auf halbem Weg zwischen der zweiten Blende 10 und der Bildstelle 7 angeordnet, so
daß das durch die Spiegelfläche 11 reflektierte Bild in der zweiten Blende 10 liegt.
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In Fig. 1 sind als reflektierende Spiegelflächen ausgebildete schräge
Flächen 12 und 13 um die Spiegelfläche 11 herum dargestellt. Diese schrägen Flächen
sind in keiner Weise auf die beiden in F i g. 2 dargestellten Richtungen allein
beschränkt, sondern können in beliebigen Richtungen liegen. Ferner müssen diese
schrägen Flächen nicht notwendigerweise an der Spiegelfläche 11 anliegen. Jedoch
bestehen gemäß der Erfindung die als reflektierende Spiegelflächen wirkenden schrägen
Flächen 12 und 13 vorzugsweise aus einem Stück mit der Spiegelfläche 11.
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Fig. 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform eines zusammengesetzten
Reflektor- oder Spiegelkörpers, in dem die rechteckige Spiegelfläche 11 und, daran
anliegend, vier Spiegelflächen 12, 13, 14 und 15 auf der Fläche eines Blockes 16
aus normalem Glas angebracht sind. Die geneigten Flächen bilden vorzugsweise einen
Winkel von z. B. über 1350 gegen die parallelen, durch die zweite Blende 10 gehenden
Lichtstrahlen und können gleichzeitig mit der Spiegelfläche 11 durch Aufdampfung
von Aluminium im Vakuum verspiegelt sein. Der so gebildete zusammengesetzte Körper
ist üblicherweise in einen Träger 17 eingesetzt. Die geneigten Flächen 12, 13, 14
und 15 eliminieren einen Teil der Lichtstrahlen, die in den parallelen Lichtstrahlen
enthalten sind und die, wie im folgenden beschrieben, ungewollt die Fotozelle beaufschlagen.
Das auf diese Weise eliminierte Streulicht wird in die durch Pfeile 18 angedeutete
Richtung nach außen abgelenkt.
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In dem oben beschriebenen optischen System sind eine Anzahl von Blenden
19, 20, 21, 22 und 23 dargestellt, die alle nur als Hilfsblenden dienen.
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Es trifft zwar zu, daß eine parallele Strahlung mittels des Linsensystems
nur durch das Licht aus einer Punktquelle erzielbar ist. Da jedoch eine ideale punktförmige
Lichtquelle sehr schwer zu erreichen ist, ist es notwendig, Blenden entlang der
optischen Bahn, z. B. an den den Hilfsblenden entsprechenden Stellungen, anzuordnen,
wobei die Größe jeder der Blenden geringer als der Querschnittsbereich der optischen
Bahn an der entsprechenden Stelle ist. Diese Anordnung vermindert jedoch die Intensität
der parallelen Lichtstrahlen erheblich. Selbst mit einer idealen Punktquelle ist
es infolge der unvermeidbaren Aberration im Linsensystem unmöglich, ideal parallele
Lichtstrahlen zu erhalten, und ein erwünschter höherer Grad von Parallelismus ergibt
eine geringere Lichtintensität.
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Die Hilfsblenden gemäß der Erfindung sind so bemessen, daß nur die
Teile des Lichtbündels, die außerhalb des optischen Bündels verlaufen, ausgeblendet
werden, um den zur Wirkung gelangenden
Teil des ultravioletten Lichtes möglichst
verlustfrei zu halten. Gemäß der Erfindung wird die Meßgenauigkeit dadurch verbessert,
daß das durchReflektion am äußeren Gehäuse 24 erzeugte und durch die zweite Blende
10 gehende Licht, das einen wesentlichen Teil des Streulichtes bildet, das entlang
der Außenfläche des Glases 8 verläuft, durch die reflektierenden Spiegelflächen
12, 13, 14 und 15 eliminiert wird.
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Wenn das Glas 8 der Strahlung des optischen Systems nach Fig. 1 ausgesetzt
ist und parallele ultraviolette Strahlen erhält, tritt eine der Bestrahlungsdosis
proportionale Intensität der Fluoreszenz auf. Das Fluoreszenzlicht wird an einer
Seitenfläche 25 des Glases 8 durch eine Fotozelle 28 über einen Kondensator 26 mit
rechteckigem Querschnitt und ein Filter 27 gemessen. Ein fotoelektrischer Strom
der Fotozelle 28 wird durch einen Verstärker 29 verstärkt und dann zur Auswertung
in ein Meßinstrument 30 geleitet.
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In der folgenden Beschreibung werden mehr ins einzelne gehend die
in der vorzugsweisen Ausführungsform des optischen Systems gemäß F i g. 1 verwendeten
Elemente beschrieben. Die vorzugsweise Ausführungsform des Fluoreszenzglasdosimeters
kann die folgenden Einzelheiten aufweisen: Die ultraviolette Lichtquelle ist eine
Ultrahochdruck-Quecksilberbogenlampe mit 70 bis 100 W Leistung, die Kondensorlinsen
im Linsensystem 3 aus Quarzglas haben einen Durchmesser von 45 mm und eine Brennweite
von 40 mm, die Sammellinsen des Linsensystems 6 haben einen Durchmesser von 25 mm
und eine Brennweite von 30 mm (vierfache Vergrößerung), die erste Blende 4 hat eine
Größe von 1,7'1,0 mm, die zweite Blende hat eine Größe von 6,8.4,0 mm, die Spiegelfläche
11 hat eine Größe von 6,8 mm, der Abstand zwischen der Lichtquelle 2 und der ersten
Blende beträgt 160 mm, der Abstand zwischen der ersten Blende 4 und der Bildstelle7
beträgt 122 mm und bildet das Bild der Blende 4 durch die Linsen 6 ab, das Filter
5 ist ein Interferenzfilter, das Wellenlängen im Bereich von 365 Millimikron durchläßt,
das Filter 27 besteht aus rötlichem Orangeglas und läßt Wellenlängen über 585 Millimikron
durch, das Glas 8 hat eine Größe von 8 8 4,7 mm, die die parallelen Strahlen auffangende
Fläche 9 des Glases 8 hat eine Größe von 8'4,7 mm, die Fluoreszenzabnahmefläche
25 des Glases 8 hat eine Größe von 8 8 zu S mm und der Winkel der schrägen Spiegelflächen
gegen die parallelen Strahlen beträgt 1350.
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Aus dem oben Gesagten wird deutlich, daß gemäß der Erfindung nur
ein bemerkenswert geringer Anteil von Streulicht die Fotozelle erreicht, und durch
die Verwendung des optischen Systems in der oben beschriebenen Ausführungsform wird
die Anzeigeunsicherheit des Meßgerätes selbst, abgesehen von der Eigenlumineszenz
des Glases 8, auf einen weniger als 3 bis 10 Milliröntgen entsprechenden Anteil
einer aufgebrachten Strahlungsdosis vermindert. Im Gegensatz dazu liegt der Streubereich
bei den üblichen Systemen, in denen die Ultraviolettstrahlen auf das Dosimeterglas
gesammelt werden, in einem Bereich, der 100 bis 150 Milliröntgen einer aufgebrachten
Dosis entspricht. Ferner ergeben sich gemäß der Erfindung infolge der einheitlichen
Konstruktion keine fluoreszenzerzeugenden Fehler im Meßvorgang, bzw. genauer, das
ultraviolette Licht von der Lichtquelle
wird mit geringem Verlust
parallelstrahlig ausgerichtet und dann reflektiert, um einen Lichteinfall hoher
Intensität zu erhalten, und da kein ultraviolettes Licht auf die Seitenflächen des
Glases und den Halter gelangt, erfolgt keine die Ursache von Fehlern bildende Fluoreszenz.
Es sind daher auch bei einer geringen Einstrahlungsdosis von Gammastrahlen, z. B.
unter 30 Milliröntgen, außerordentlich genaue Meßergebnisse möglich.