-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Thermolumineszenz-Dosimetern,
bei dem ein Thermolumineszenz-Material in einer durch ein inertes Gas gebildeten
Atmosphäre durch mechanischen Druck zusammengepreßt wird.
-
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art muß das aus einem losen
Pulver bestehende thermolumineszente Material in umständlicher Weise, nachdem es
bei Drücken von 0,1 bis 10 kg/cm2 zusammengepreßt wurde, in einem besonderen Druckbehälter
ständig unter diesem Druck gehalten werden, was seine Anwendung wegen des Gewichts
und der Unhandlichkeit des benötigten Druckbehälters erschwert.
-
Bekannt sind ferner Dosimeter mit thermolumineszenten, auf einem
Träger aufgebrachten Schichtmaterialien, die z. B. durch Mischen von thermolumineszentem
Pulver mit temperaturbeständigen, durchsichtigen Bindemitteln hergestellt wurden,
wobei mit dieser Mischung anschließend Heizelemente überzogen wurden, die dann z.
B. in einer Glasröhre eingeschlossen sein können. In dieser Weise hergestellte Dosimeter
ermöglichen zuverlässige Ablesungen für geringe Dosen bis herab zu 50 mr mit nur
geringer oder gar keiner unerwünschten Störlumineszenz. Wiederholtes Erwärmen auf
Temperaturen über 3000 C während der Ablesung führt jedoch zum Abblättern und Aufbrechen
der thermolumineszenten Überzüge. ähnliche Feststellungen gelten auch für bekannte
Dosimeter mit auf einem metallischen, z. B. aus Kupfer bestehenden Träger aufgebrachten
thermolumineszenten Materialien, wozu auch Lithiumfluorid in Pulverform verwendet
wurde.
-
Andere frühere Bemühungen, praktisch brauchbare Personendosimeter
mit thermolumineszenten Phosphorstoffen zu konstruieren, waren nicht erfolgreich,
weil diese Dosimeter unempfindlich gegen niedrige Dosisleistungen oder instabil
waren und ein gefangene Elektronen bei Raumtemperatur im Laufe der Zeit spontan
freigaben. Fortgesetzte Anstrengungen, für die Dosimetrie geeignete thermolumineszente
Stoffe zu entwickeln, führten zur Herstellung von Dosimetern mit manganaktiviertem
Calciumfluorid, das fast ausschließlich tiefe Haftstellen aufweist, als Thermolumineszenz-Material.
Ein schwerwiegender Nachteil des manganaktivierten Calciumfluorids ist seine unerwünschte
chemische Aktivität bei der Herstellung. Andere thermolumineszente Stoffe mit tiefen
Haftstellen kommen in der Natur in begrenzten Mengen vor und können auch künstlich
hergestellt werden. Dazu gehören Lithiumfluorid, Calciumsulfat und einige organische
Stoffe.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur billigen
Herstellung mechanisch widerstandsfähiger, leicht zu handhabender, empfindlicher
Strahlungsdosimeter anzugeben, wobei die vorerwähnten Nachteile der bekannten Verfahren
vermieden werden.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß das Thermolumineszenz-Material bei erhöhter Temperatur
unter Anwendung eines Druckes von mindestens 2110 kg/cm2, bei gleichzeitigem Überleiten
des trockenen inerten Gases zum Zweck des Entfernens absorbierter Gase und anderer
Verunreinigungen, zu einem kompakten Körper gepreßt wird.
-
Im Interesse einer besonders gründlichen Ent-
fernung absorbierter
Gase läßt sich das Verfahren zweckmäßig dahingehend ausgestalten, daß das Thermolumineszenz-Material
und die damit in Berührung stehenden metallischen Oberflächen anfänglich etwa 10
Minuten lang mit dem inerten Gas überspült werden und daß anschließend das Thermolumineszenz-Material
unter Fortsetzung des Spülvorganges etwa 5 Minuten lang auf eine Temperatur von
etwa 3000 C vorgewärmt wird.
-
Als besonders geeignet zur Erzielung der erstrebten Wirkungen hat
es sich erwiesen, wenn der Preßvorgang bei einer Temperatur zwischen 700 und 9000
C durchgeführt wird.
-
Im einzelnen hat es sich ferner bewährt, wenn die für den Preßvorgang
erhöhte Temperatur etwa 15 Minuten lang aufrechterhalten wird und innerhalb dieses
Zeitraums etwa 5 Minuten lang ein Druck im Bereich zwischen 2110 und 8790 kg/cm2
angewandt wird.
-
Für die letzten Schritte des Verfahrens empfiehlt es sich, im einzelnen
so vorzugehen, daß der durch das Pressen hergestellte Körper aus Thermolumines zenz-Material
anschließend gekühlt und in eine Mehrzahl von Thermolumineszenz-Dosimetern zerschnitten
wird, von denen jedes eine Dicke im Bereich von 0,76 bis 1,27 mm aufweist.
-
Im einzelnen ist es für den Anfangsteil des Verfahrens zweckmäßig,
in der Weise vorzugehen, daß das Thermolumineszenz-Material anfänglich in einem
als Preßform dienenden Stahlring mit einem Druck von etwa 700 kg/cm2 kalt vorgepreßt
wird.
-
Als besonders zweckmäßig ist es anzusehen, wenn als Thermolumineszenz-Material
in zur Herstellung von Thermolumineszenz-Dosimetern bekannter Weise Lithiumfluorid
benutzt wird.
-
Dabei empfiehlt es sich, das Verfahren so durchzuführen, daß die
beim Preßvorgang angewandte erhöhte Temperatur ungefähr gleich der Hälfte der Schmelztemperatur
des Lithiumfiuorids ist.
-
Eine andere, bewährte Ausführungsmöglichkeit des Verfahrens besteht
darin, daß das Thermolumineszenz-Material in zur Herstellung von Thermolumineszenz-Dosimetern
bekannter Weise aus manganaktiviertem Calciumfluorid besteht.
-
Dabei wird zweckmäßig so vorgegangen, daß das Thermolumineszenz-Material
aus einem durch Kopräzipitation hergestellten Gemisch von Calciumfluorid und Manganfluorid
besteht.
-
Im einzelnen hat es sich beim Verfahren unter Verwendung von Calciumfluorid
praktisch bewährt, wenn die beim Preßvorgang angewandte erhöhte Temperatur etwa
7750 C beträgt.
-
Ferner ist es bei der Verarbeitung des bereits erwähnten manganaktivierten
Calciumfiuorids zweckmäßig, wenn der Preßdruck etwa 2950 kg/cm2 beträgt.
-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen erläutert:
Fig. 1 zeigt in auseinandergezogener Darstellung einige Bauteile einer Warmpreßvorrichtung
zur Herstellung von Werkstücken, aus denen Thermolumineszenz-Dosimeter herstellbar
sind; Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht eines Teils der Warmpreßvorrichtung; Fig.
3 ist eine Teilschnittansicht eines Teils der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung
in für die Herausnahme des gepreßten Werkstücks veränderter Stellung;
F
i g. 4 zeigt die Verwendung einer Säge mit Diamantschneide beim Abschneiden eines
Thermolumineszenz-Dosimeters von dem fertigen, gepreßten Werkstück; F i g. 5 ist
eine perspektivische Ansicht eines fertigen Thermolumineszenz-Dosimeters ; Fig.
6 ist eine Teilschnittansicht eines Teils der Warmpreßvorrichtung, die ihre Verwendung
bei der Herstellung eines anderen Thermolumineszenz-Dosimeters zeigt, und Fig. 7
ist eine perspektivische Ansicht eines anderen Thermolumineszenz-Dosimeters.
-
Es wurde bereits ein Verfahren zur Herstellung von mangan aktiviertem
Calciumfluorid vorgeschlagen, das darin besteht, daß ein nasser Schlamm aus Calciumcarbonat
und 4 bis 6 0/o seines Gewichts Mangancarbonat mit einer konzentrierten Lösung aus
Flußsäure gemischt werden. Die Reaktion ist sehr heftig, und nach 2 oder 3 Minuten
bildet sich ein Niederschlag aus Calciumfluorid und Manganfluorid. Dann hört die
Bildung des Niederschlags auf; er wird entweder mit entionisiertem oder destilliertem
Wasser drei- oder viermal gewaschen, um die gesamte Flußsäure und andere Nebenprodukte
der Reaktion zu entfernen. Dann erfolgt die Trocknung bei etwa 950 C, wodurch ein
pulverförmiges Gemisch aus Calciumfluorid und Manganfiuorid entsteht. In diesem
Zustand ist der Niederschlag noch nicht als thermolumineszentes Material verwendbar,
weil er nur eine geringe Thermolumineszenz aufweist. Der pulverige Niederschlag
wird dann in einen Platintiegel eingebracht und in einem trockenen Inertgas für
30 Minuten auf eine Temperatur von etwa 12000 C erhitzt. Während dieser Erwärmung
wird aus dem Niederschlag ein Kuchen aus manganaktiviertem Calciumfluorid, das hochgradig
thermolumineszent ist. Nach dem Abkühlen kann der Kuchen zur Herstellung von Thermolumineszenz-Dosimetern
zerbrochen und pulverisiert werden. Der letzte Verfahrensschritt, nämlich die Erhitzung
auf 12000 C, wird als » Aktivierung « bezeichnet, weil man der Meinung ist, daß
eine derartige Ausheizung viele weitere Manganionen in das Kristallgitter des Calciumfluorids
hineinzwingt und viele weitere tiefe Haftstellen entstehen läßt, wodurch das Material
hochgradig thermolumineszent wird.
-
Es wurde festgestellt, daß der Verfahrensschritt der Ausheizung bei
12000 C und die weiteren Verfahrensschritte der Dosimeterherstellung, die darin
bestehen, einige Substrate mit mangan aktiviertem Calciumfluorid zu überziehen,
miteinander kombiniert werden können. Insbesondere ergab sich, daß Warmpreßverfahren
angewandt werden können, um den Niederschlag von Calciumfluorid und Manganfluorid
gleichzeitig zu aktivieren und zu bilden. In den F i g. 1 und 2 ist mit 20 ein Teil
der verwendeten Warmpreßvorrichtung bezeichnet. Der Bodenkolben 23 wird in die zylindrische
Form 21 eingeführt, und die gewünschte Menge des Niederschlags aus Calciumfiuorid
und Manganfiuorid wird in den durch die zylindrische Form 21 und den Bodenkolben
23 begrenzten Hohlraum eingefüllt. Dann wird der obere Kolben 22 in die zylindrische
Form 21 ein, geführt. Die zylindrische Form 21, der obere Kolben 22 und der Bodenkolben
23 sind aus einer von der General Electric Company hergestellten hochfesten Nickellegierung
gefertigt. Diese Legierung hat die folgende chemische Zusammensetzung:
Stoffe Gewichtsprozent
Kohlenstoff .. ........ . 0,09 Chrom.. 19,0 Cobalt .......... .......... 11,0 Molybdän
. ..... ............. 10,0 Titan .......... ....... 3,1 Aluminium . .......... .....
1,5 Nickel ................. . 55,31 Die mit dem Niederschlag in Berührung kommenden
Oberflächen werden zuerst mit feinkörniger Siliziumcarbidleinwand poliert und dann
mit Methyläthylketon gespült, um sie gründlich zu reinigen. Um beispielsweise ein
thermolumineszentes Werkstück von 16 mm Durchmesser und 3 mm Dicke herzustellen,
wurden 2 g des kopräzipitierten Calciumfluorids und Manganfluorids verwendet. Das
thermolumineszente Pulver 40, der obere Kolben 22, der Bodenkolben 23 und die zylindrische
Form 21 wurden auf dem Amboßaufsatz 24 angeordnet. Zwischen dem Amboßaufsatz 24
und dem Hochfrequenzschirm 26 ist eine Wärmedämmscheibe 25 aus Tonerde (Al2O3) angeordnet.
Eine weitere Wärmedämmscheibe 25 ist zwischen dem Hochfrequenzschirm 26 und dem
Hauptamboß 27 vorgesehen, wie F i g. 2 zeigt.
-
Auf dem Hochfrequenzschirm 26 ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich, ein
Quarzglaszylinder 32 mit einem Gaseinlaßstutzen 33 angeordnet. Um den Glaszylinder
32 ist eine Hochfrequenzinduktionsheizspule 31 in der Weise vorgesehen, daß Wärme
in dem Pulver 40, dem Bodenkolben 23, dem oberen Kolben 22 und der zylindrischen
Form 21 induziert wird.
-
Eine Silicon-Gummidichtung 29 ist um den Stempelfortsatz 28 herum
vorgesehen, der axial auf dem oberen Kolben 22 angeordnet ist. Eine andere Wärmedämmscheibe
25 ist zwischen dem Hauptstempel 30 und dem Stempelfortsatz 28 vorgesehen. Der restliche
Teil der Presse ist nicht dargestellt, weil er für die Erfindung nicht wesentlich
ist und die Übersichtlichkeit nur beeinträchtigen würde. Der Amboßaufsatz 24 und
der Stempelfortsatz 28 sind aus Inconel-X, einer von der Intercontinental Nickel
Company hergestellten hochfesten Nickellegierung, hergestellt. Diese Legierung hat
folgende chemische Zusammensetzung: Stoffe Gewichtsprozent Kohlenstoff . . 0,04
Chrom ............... . 15,0 Cobalt . ..... ..... 1,0 Titan ....................
2,5 Aluminium . ................. 0,7 Nickel . ....... ..... . 73,0 Eisen ... .....
....... 7,0 Mangan ..... 0,7 Silizium .. ............ .... 0,4 Es ist zu beachten,
daß alle mechanischen Elemente genau axial ausgerichtet sein müssen; andernfalls
könnte der Turm der aufeinander angeordneten Metallteile zusammenstürzen, wenn ein
Druck längs seiner Achse ausgeübt wird, wodurch Teile beschädigt werden könnten.
-
Zwischen dem Gaseinlaßstutzen 33 und einer Quelle trockenen Inertgases
sind Schlauchverbindungen vorgesehen. Das verwendete Gas war Helium.
-
Die Durchflußrate in dem Zylinder 32 wird bei etwa
56,65
lih gehalten. Die Aufgabe des Inertgases ist es, die Luft in der Anordnung zu ersetzen
und Sauerstoff und andere etwa absorbierte Gase herauszuspülen.
-
Das Gas entweicht aus der Anordnung an der Abdichtung zwischen dem
Dichtungsring29 und dem Stempelfortsatz 28 sowie zwischen dem Quarzglaszylinder
32 und dem Hochfrequenzschirm 26. Nach einer Spülung von etwa 10 Minuten Dauer wird
dem thermolumineszenten Pulver 40, dem Bodenkolben 23, dem oberen Kolben 22 und
der zylindrischen Form 21 durch die Hochfrequenzinduktionsheizspule 31 Wärme zugeführt.
Die Temperatur wird auf etwa 3000 C gebracht und ungefähr 5 Minuten lang gehalten.
Dadurch kann das Gas weiteren Sauerstoff und andere gasförmige Verunreinigungen
aus der Anordnung entfernen. Selbstverständlich können an Stelle der Induktionsheizung
auch andere Heizmittel verwendet werden. Sodann wird die Temperatur erhöht, bis
die zylindrische Form 21 rotwarm wird.
-
Von da an wird die Temperatur geregelt, um etwa 15 Minuten lang eine
konstante Temperatur zwischen 700 und 9000 C aufrechtzuerhalten. Der Hochfrequenzschirm26
verhindert einen Verlust von HF-Energie an die Presse. Während dieser Zeit kann
für 5 Minuten ein zwischen 21,1 und 87,9 kg/mm2 liegender Druck ausgeübt werden,
um das Pulver 40 zu einer Dicke von etwa 3 mm zusammenzupressen.
-
Nach der Druckentlastung und der Beendigung der Erwärmung kann der
thermolumineszente Preßling 41 unter Verwendung des dickwandigen Rings 34 und der
Platte 35 (F i g. 3), die beide aus hochfestem Stahl bestehen, aus der Form herausgenommen
werden.
-
Dazu werden zunächst der Stempelfortsatz 28 und der Dichtungsring
29 und dann die Heizspule 31 und der Glaszylinder 32 abgenommen. Der aus der zylindrischen
Form 21, dem oberen Kolben 22, dem thermolumineszenten Preßling 41 und dem Bodenkolben
bestehende Aufbau wird hochgehoben, und der dickwandige Ring 34 und die Platte 35
(die beide auf etwa 8000 C erwärmt wurden, um bei dem thermolumineszenten Preßling
einen Wärmeschock zu vermeiden) werden axial zwischen diesen Aufbau und den Hochfrequenzschirm
26 gebracht. Der Stempelfortsatz 28 und der Stempel 30 werden mit dem oberen Kolben
22 wieder axial ausgerichtet, und dann wird Druck ausgeübt, bis der Bodenkolben
23 und der thermolumineszente Preßling 41 in die zylindrische Bohrung42 des dickwandigen
Rings 34 fallen. Das Ganze kann dann an der Luft auf Raumtemperatur abkühlen, worauf
der thermolumineszente Preßling herausgenommen wird.
-
Bei dem oben beschriebenen Beispiel ist der thermolumineszente Preßling
etwa 3 mm dick und etwa 16 mm im Durchmesser. Er kann durchscheinend bis klar sein,
d. h., er kann hindurchtretendes Licht entweder zerstreuen oder Licht durchlassen,
ohne es zu zerstreuen. Mit einer Säge mit Diamantschneide können aus dem thermolumineszenten
Preßling 41 Thermolumineszenz-Dosimeter hergestellt werden.
-
Dies ist in der Fig. 4 teilweise und schematisch dargestellt, die
zeigt, wie die diamantbesetzte Kreissäge 38 von dem thermolumineszenten Preßling
41 eine Scheibe absägt. Das Endprodukt, nämlich das Thermolumineszenz-Dosimeter
36, ist in F i g. 5 dargestellt. Seine Stärke kann zwischen 0,76 und 1,27 mm liegen,
und es kann fast durchsichtig sein.
-
Dann kann es in einen nicht dargestellten Dosimeter-
halter eingelegt
werden. Versuche haben gezeigt, daß die Ansprechempfindlichkeit von nach dem beschriebenen
Verfahren hergestellten Dosimetern aus manganaktiviertem Calciumfluorid doppelt
so groß wie die eines bekannten Dosimeters ist, das von dem United States Naval
Research Laboratory verwendet wird.
-
Nach dem beschriebenen Verfahren kann auch ein anderes Thermolumineszenz-Dosimeter
(s. F i g. 7) hergestellt werden. Wie aus F i g. 6 ersichtlich ist, liegt ein Stahlring
39 auf der oberen Stirnfläche des Amboßaufsatzes 24. Der Stempelfortsatz 28 und
die Presse werden dann verwendet, um thermolumineszentes Pulver 40 in dem Ring 39
bei Raumtemperatur mit einem Druck von etwa 7 kg/mm2 zu verdichten. Es können auch
andere Verfahren der Kaltverdichtung angewandt werden. Darauf folgen die oben beschriebenen
Verfahrensschritte des Spülens, Vorwärmens und Verdichtens. Nach dem Abkühlen kann
der thermolumineszente Preßling in scheibenförmige Themolumineszenz-Dosimeter geschnitten
werden, und zwar, wie oben beschrieben, unter Verwendung der Diamantsäge. In diesem
Fall weist das Thermolumineszenz-Dosimeter 37 einen gepreßten äußeren Stahlring
39' auf, der verdichtetes thermolumineszentes Pulver41' enthält. Diese Ausführung
kann ebenfalls in einem nicht dargestellten Halter befestigt werden.
-
Nach dem beschriebenen Verfahren wurden auch Lithiumfiuoridpreßlinge
hergestellt, aber in diesem Fall bei einer Warmpreßtemperatur von etwa 4000 C.
-
Im Falle der Verwendung von mangan aktiviertem Calciumfluorid kann
dieses nach dem obenerwähnten Kopräzipitationsverfahren oder nach einem anderen
bekannten Verfahren hergestellt sein. Bisher durchgeführte Versuche zeigen, daß
die Ansprechempfindlichkeit dieser letztgenannten Dosimeter nicht so groß wie die
der aus kopräzipitiertem Calciumfluorid und Manganfluorid hergestellten Dosimeter
ist.
-
In dem oben beschriebenen Beispiel wurden 2 g kopräzipitierten Calcium-
und Manganfluorids verwendet, um den thermolumineszenten Preßling 41 herzustellen,
der einen Durchmesser von 16 mm und eine Stärke von 3 mm hatte. Die Wichte betrug
3,18 g/cm3. Bei Verwendung größerer Formen und verschieden ausgebildeter Kolben
können größere Preßlinge hergestellt werden. Als Faustregel kann dienen, daß das
Verhältnis der Länge zum Durchmesser oder der Länge zum kleinsten Querschnitt nicht
größer als 1 : 3 sein sollte. Bei diesem Beispiel erfolgte das Warmpressen bei einer
Temperatur von 7750 C unter einem Druck von 29,53 kg/mm2. Bei Anwendung dieser Daten
ist es verhältnismäßig einfach, die Ausgangsmenge an kopräzipiertem Calciumfluorid
und Manganfluorid zu bestimmen, die zur Herstellung eines Preßlings bestimmter Form
und Größe erforderlich ist. Dieselben Kriterien gelten auch für manganaktiviertes
Calciumfluorid. Doch liegt noch kein durch Versuche erhärtetes Material über die
optimalen Kriterien für Lithiumfluoridpulver und für andere thermolumineszente Stoffe
vor.
-
Eine Methode zum Ablesen bzw. Auswerten bestrahlter Dosimeter der
in F i g. 5 und 7 dargestellten Form besteht darin, sie auf eine heiße Platte zu
legen und ihre Temperatur gleichmäßig auf etwa 3500 C zu erhöhen, während die Ausheizkurve
mittels einer gegen infrarote Strahlung abgeschirmten Photoelektronen-Vervielfacherröhre
aufgezeichnet wird.