DE1917035A1 - Dosimeterpraeparat und Verfahren zur Energieregelung - Google Patents

Description

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D R. w. Schalk · dipl.-inc. p. Wirth · dipu-ing. c. Dan ν en be rg DR.V.SCHMIED-KOWARZIK · DR. P.WEINHOLD

6 FRANKFURT AM MAIN

OR. IICHINHIIMII >TR. »9

RADIATION PROCESSING INC. FD-1O98 Wd/G

18oo Shames Drive
Wes tbury

Long Island
New York - USA

Dosimeterpräparat und Verfahren zur Energieregelung.

In den letzten Jahren hat die Verwendung von ionisierender Strahlung, insbesondere von 0^·-Strahlung, J^-Strahlung und Elektronenstrahlung zur chemischen und physikalischen Veränderungen in verschiedenen Substraten in zunehmenden Maße an Bedeutung gewonnen. Bestrahlungen sind für die verschiedensten Zwecke angewendet worden, wie z.B. zur Sterilisation von Lebensmittel und Modifizierung von Polymerisaten.

Eines der Probleme, die in Verbindung mit Bestrahlungen entstanden sind, ist die Bestimmung der Wirksamkeit der Strahlung, d.h. der Menge an Energie, die tatsä_nhlich durch den Körper, der der Strahlungsbehandlung ausgesetzt wird, aufgenommen oder von diesem absorbiert wird.

Für eine solche Bestimmung der "Strahlendosis" wurden verschiedene Messungsverfahren der "Dosimetrie" verwendet. Nicht alle Körper absorbieren die gleiche Energiemenge, wenn sie einer gleichen Menge an Strahlung ausgesetzt werden. Z.B. können Kunststoffpräparate eine relativ große Energiemenge im Vergleich zu metallischen Körpern absorbieren. Um sinnvolle Experimente durch-

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führen und nützliche Schlüsse daraus ziehen zu können» ist es also notwendig, die von einem Körper aufgenommene Energie festzustellen.

Es werden zwei Klassen von Sosimetrie-Verfahren angewendet, nämlich das absolute und das relative Verfahren. Bei den absoluten Verfahren, wird - wie bereits der Same sagt- die genauen Energiemenge, wie sie vom bestrahlten Körper aufgenommen wird, bestimmt. Die beiden am meisten angewendeten Methoden basieren auf Messungen von Wärme und ionischer Ladung. Wenn diese auch ganz annehmbare Ergebnisse liefern, so sind sie doch unzweckmäßig und schwierig anzuwenden. Es wurden deshalb eine fieihe von sekundären Standard-Präparaten geschaffen, die die notwendigen Messungen vereinfachen. Die Ergebnisse hängen von einer vorherigen Eichung der sekundären Standard-Präparate, mit wenigstens einem absoluten Standard ab. Einer der am meisten angewendeten sekundären Standart-Präparate ist der Eisen-rll-Sulf at-Dosiineter, in welchem die Absorption von Strahlung eine Oxydation des Eiseii-II-Ions zum Eisen-III£on verursacht. Aus einer Reihe von bekannten Gründen ist dieses Verfahren nicht ganz zufriedenstellend. Es wurden deshalb andere Verfahren geschaffen, aber auch diese weisen verschiedene Mängel auf.

Es wurde nun gefunden, daß verschiedene organische Verbindungen, die endständige Vinylgruppen enthalten, ihren nicht-gesättigten Charakter verlieren, wenn sie ionieierender Strahlung ausgesetzt werden. Dieser Verlust des nicht-gesättigten Charakters wird Vinyl-"Zerfall" genannt. Es wurde gefunden, daß dieser Vinyl-Zerfall als Maß für die absorbierte Energie verwendet werden kann, wobei Präparate, die eine vinylgruppenhaltige organische Verbindung enthalten, in messbarem MaBe einen Vinyl-Zerfall unterliegen, wenn sie ionisierender StrMLung ausgesetzt werden. Die organische Verbindung wird mit einem inerten Träger angewendet. Der hier benutzte Ausdruck "inert" bedeutet, daß der Träger keine

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merkliche chemische oder physikalische Heaktion mit der vinylgrup-enhaltigen Verbindung eingeht und das angewendete Verfahren zur Messung des Vinyl-Zerfalls nicht beeinträchtigt. Die Präparate bilden sekundäre Standard-Präparate und können gegenüber einem primären Standard-Präparat geeicht werden. Sie können zum Messen und Regeln der einem bestrahlten Körper zugeführten Energie verwendet werden, wenn eine Probe des Präparats den gleichen Strahlungsbedingungen, wie der betreffende Körper ausgesetzt wird..

Es ist einleuchtend, daß eine weitere Eichung zusätzlich zu der Eichung gegenüber dem absoluten Standard erforderlich werden kann. Wie bereits ausgeführt, absorbieren nicht alle Materialien die gleiche Menge an Energie, wenn sie der gleichen Strahlungsmenge ausgesetzt werden. Es könnte daher notwendig sein, das Präparat gegenüber dem bestrahlten Körper zu eichen, wenn Körper und Präparat verschiedene Energieabsorbtionskapazitäten aufweisen. Wenn z.B. der bestrahlte Körper aus Polyäthylen und der Träger f'ir das Präparat aus Polyäthylen besteht, ist eine zusätzliche Eichung normalerweise nicht erforderlich. Auf der anderen Seite wird eine zweite Eichung bevorzugt angewendet, wenn das gleiche Präparat verwendet wurde und das bestrahlte Substrat ein Polyurethan-Elastomeres war.

Geeignete Träger für das erfindungsgemäße Präparat können aus einer Vielzahl von Materialien ausgewählt werden, so lange sie im oben definierten Sinne inert sind. Jeder einer Anzahl von Elastomeren könnte verwendet werden, wie z.B. Polyurethan, Pplyvinylhalogenide, Polyamide und ähnliche, üs wird ein Träger bevorzugt, der als ein dünner Film, d.h. ein Film mit einer -^icke von O,o254 bis o,254o mm, abgeschieden werden kann. Polyolefine, wie Polyäthylen, Polypropylen oder Polyisobutylen werden bevorzugt, da diese einfach zu Film verarbeitet werden können und da ihr Verhalten bei Strahlungsbedingungen eingehend erforscht worden ist.

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Die verwendeten Filme haben vorzugsweise eine Dicke von etwa O#o5o8 bis o,lol6 mm, da diese die beste Kombination der gewünschten lügen- , j schäften, wie physikalische Festigkeit, einfache Herstellung und Reproduzierbarkeit bietet*

Die Filme könnenhergesteilt werden, indem der Träger und die Vinyl·· Verbindung verschmolzen und die Schmelze auf eine glatte Oberfläche aufgetragen wird* Das Präparat kann auch aufgelöst und die Lösung unter Filmbildung eingedampft werden. Unter bestimmten Be-

dingungen kann die Herstellung des Films direkt vor Gebrauch erwünscht sein, so daß die gewünschte Dicke und Form berücksichtigt werden können.

Die Präparate können daher in Pulverform zum Schmelzen Oder al· Lösung hergestellt und gehandelt werden* . ' ·* Die Präparate sind jedoch normalerweise als dünne Filme im Han- ' del erhältlich, von denen dann die gewünschten Proben abgeschnit- t ten werden können. Der Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen» .,, daß Filme in Ständarddioke hergestellt und in allen Laboratorien oder Betriebsstätten verwendet werden können, so daß. die erhaltenen Ergebnisse die von einer Arbeitsgruppe erzielt wurden, direkt mit jenen verglichen werden können, die von einer anderen Arbeitsgruppe erhalten wurden. ■

Es stehen eine Reihe von Vinylausgangsmaterialien zur Verfügung* Z.B. können Styrol oder vinylsubstituiertes Polystyrol verwendet werden. tO - oder β-Vinylnaphthalin kann ebenfalls verwendet werden. .Die bevorzugten Vinylausgangsmaterialien sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die etwa neun bis zwanzig Kohlenstoffatome in einer kontinuierlichen Kette und eine endständige Vinylgruppe enthalten. Nonen-1 und Eicosen-1 sind typische Beispiele dafür, Das letztere wird bevorzugt, da es im Handel leicht erhältlich und mit dem bevorzugten Träger Polyäthylen völlig verträglich ist.

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Substituenten, wie ζ.B, Alkylgruppen,an der kontinuierlichen Kohlenwasserstoffkette können anwesend sein, aber es wird bevorzugt, daß das %- Kohlenstoffatom frei von anderen Substituenten als Wasserstoff ist, da diese Substituenten die Lage des Vinylpeaks im Infrarotspektrum:: beeinflussen» Daher wird 3,4-Dimethyldodecen-1 gegenüber der entsprechenden 2,3-Dimethylverbindung als Vinylausgangsmaterial bevorzugt.

Es ist bekannt, daß der Vinyl-peak im Infrarotspektrum bei 11 Mikron liegt. Sie Intensität dieser Peaks kann als Maß des Vinyl· Zerfalls in einer Verbindung verwendet werden. Dies 1st die bevorzugte Messmethode, obwohl andere Verfahren, insbesondere Ultraviolettmessungen auoh angewendet werden können. Der Träger sollte so .beschaffen sein, daß er auf die Bestimmung des 11 Mikron-Feaks bei der Infrarotanalyse keinen ungünstigen Einfluß nimmt, wenn diese Methode zur Bestimmung des Vinyl-Zerfalls ausgewählt wird.

Jedoch auoh in anderen Fällen sollte der Träger inert sein, d.h. er sollte zu keiner Beeinträchtigung Anlaß geben, auch wenn eine andere Methode bei der Messung gewählt wird.

Die Konzentration des Vinylausgangsmateriala in dem Dösimetrie-Präparat kann in ziemlich weiten Grenzen variieren. Essollte:i genügend Vinylmaterial anwesend sein, damit in meßbarem Mafle ein Vinyl-Zerfall auftritt. Wenn dagegen die Konzentration der Vinylgruppen zu hoch ist, kann die Zerfall-Geschwindigkeit nicht den gewünschten Verlauf annehmen. Für die meistenpraktisohen Zwecke ist eine Konzentration von etwa o,25 $ bis 15 #,bezogen auf das Gesamtgewicht des Präparats.»zweckmäßig.

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Wenn das Molekulargewicht des Vinylmaterials aioh erhöht, wird die Konzentration an Vinylgruppen abnehmen. Eine bestimmte Menge an Nonen-1 wird daher mehr Vinylgruppen aufweisen, als die gleiche Menge an Eicosen. Mit Nonen-1 werdendie besteh Ergebnisse bei Konzentrationen von etwa o,25 bis o,7 i» erhalten, mit Eioosen bei Konzentrationen von etwa o, 5 bis 15 $· Die optimalen Konzentrationen variieren etwas mit der Dicke des Films.

Vor Gebrauch als Mittel zur Regelung oder Messung werden die erfindungsgemäßen Präparate zuerst zur Bestimmung ihres Anspreohens auf festgelegte' Mengen an Strahlung geeicht* Bann werden sie vorzugsweise gleichzeitig den gleichen Strahlungsbedingungen wie der Probekörper ausgesetzt· Durch Analyse der Strahlungsergebnisse auf das Präparat kann die durch den Probekörper absorbierte Dosis bestimmt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bei Anwendung einer Infrarotanalyse soll nun im einzelnen erklärt werden. Beispielsweise wird das Verfahren unter Verwendung eines dünnen, Eioosen-1 enthaltenden Polyäthylenfilms beschrieben. Die Verfahrensstufen sind wie folgt»

A. Bestimmung des molaren Extinktionskoeffizienten der Vinylgruppen. : in dem Polyäthylenpräparat, das eine bestimmte Menge an Eioosen-1 enthält. Dies wird durchgeführt, indem von der Probe im Bereich von 11 Mikron ein Infrarotspektrum genommen wird· Die molare Absorption wird dann durch die folgende Formel bestimmt _

log ο - A T

wobei T und T die aus der Kurve bestimmten Durchlässigkeiten bedeuten. T bedeutet die Durchlässigkeit bei Abwesenheit von Vinylgruppen, T ■ die beobachtete Durchlässigkeit. Der molare Extinktionskoeffizient wird an Hand der folgenden Formel bestimmtι

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ft f ■

wobei Ονγ die Vinylkonzentration in hergestellten Präparat und d' die Dioke der Probe bedeutete

B* Kalibrierung des Vinyl-Zerfallβ gegenüber einem absoluten Dosimeter·

Für die Benutzung des Präparats für f -Strahlung wird zuerst die Dosis der Jf'-Quelle durch absolute Dosimetrie bestimmt. Bin FiIa des Präparate aus Polyäthylen/Eiοoben wird dann der gleichen Dosit ausgesetzt und das Infrarot-Spektrum des bestrahlten Präparat· bestimmt. Die Vinylkonzentration des bestrahlten Präparat· wird duroh die folgende Formel bestimmt>

worin Cv₂ die'Vinylkonientration de· bestrahlten Präparates darstellt· Es werden eine Reihe von CVg-Werte bei verschiedenen absoluten Dosierungen bestimmt und an Hand dieeer Werte ist es aöglioht eine Kurve auf Koordinatenpapier zu zeichnen, wobei dieses Verhältnis als Ordinate und die absolute Dosierung als Abrisse aufgetragen wird.

Bei Verwendung de» Präparats in Verbindung mit Elektronenstrahlung wird unter Verwendung festgelegter Dosierungen dieser Strahlungeart eine ähnliche Darstellung angefertigt.

Durch dieses Verfahren werden Kurven hergestellt, mit denen unter verschiedenen Bestrahlungsbedingungen die duroh das Präparat absorbiert· Energiemenge einfach bestimmt werden kann. Daher.kann Cv₂ duroh Infrarotanalyse und durch die von der Kurve abgelesen· Dosierung gesessen werden, wenn Cv₁ bekannt ist.

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Es ist offensichtlich, daß die Menge der von dem Körper absorbierten Energie gemessen oder geregelt werden kann» indem die Menge der von dem Präparat absorbierten Energie überwacht wird« wenn der untersuchte Körper die Energie im wesentlichen in der gleichen Art wie das Präparat absorbiert oder- wenn das Verhältnis der Energieabsorption des Körpers und des Präparats bekannt ist·

Die erfindungsgemäßen Präparate sind im Bereich von etwa 1 - 2o Megarad, welches der bei der technischen Anwendung am meisten interessierende Strahlungsbereich ist» besonders verwendbar« Der ßereich kann auf niedrigere Energiewerte erweitert werden« wenn ein Beschleunigungsmittel für den Vinyl-Zerfall dem Präparat einverleibt wird. Ein Beschleunigungsmittel ist eine Verbindung» welche , die Geschwindigkeit des Vinyl-Zerfallβ erhöht, so daß dieser bei '" niedrigen Energiewerten, z.B. bei lo* bis 2 Megarad, meßbar wird. Eine solche Verbindung,wie Anthracen oder Styrol, nimmt leicht Energie auf und hält diese, so daß die Energie zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Vinyl-Zerfalls durch bekannte Heaktionsmechaniemen verfügbar ist. Styrol oder Vinyl-substituiertes Poly*tröl sind für diesen Zweck besondere geeignet, da sie sowohl als Besohleunigungsmittel ale auch als Vinylquelle dienen.

Obwohl die vorliegende Erfindung hauptsächlich'hinsichtlich des Vinyl-Zerfalls beschrieben worden ist, ist die Erfindung auch im Hinblick auf die Erzeugung von Vinylengruppen, welche ein anderes bekanntes Ergebnis der.Strahlung darstellt, ausführbar.

Bei dieser Anwendung enthält das Dosiaetrie-Präpftrat eine Vinylenquelle anstelle einer Vinylquelle.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   Dosimetrie-Präparat dadurch gekennzeichnet, daß es einen inerten Träger und etwa o,25 bis 15 Gew.-#,bezogen auf das Gesamtgewicht des Präparats, einer dispergierten eine vinylgruppenhaltige organische Verbindung, welche bei Bestrahlung mit ionisierender Strahlung in messbarem Maße einen Vinyl-Zerfall zeigt," umfaßt.
2. 2. Dosimetrie-Präparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in Form eines dünnen films vorliegt.
3. 3· Dosimetrie-Präparat nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der inerte Träger ein Polyolefinträger, vorzugsweise ein solcher aus Polyäthylen, ist.
4. nach Anspruch 1-4 dadurch "gekennzeichnet, daß die Vinylgruppenhaltige Verbindung einen ungesättigten Kohlen-• · wasserstoff, welcher etwa 9 - 2o Kohlenstoffatome in einer kontinuierlichen Kette und eine endständige Vinylgruppe enthält, umfaßt.
5. 5· Dosimetrie-Präparat nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der ungesättigte Kohlenwasserstoff ^Bieosen-1 ist.
6. 6. Verfahren zur Messung der Energieabgabe ionisierender Strah lung, an einen Körper dadurch gekennzeichnet, daß- das Ausmaß des in einem Dosimetrie-lräparat nach Anspruch 1-5 verursachten Vinyl-Zerfalls gemessen und der Körper den gleichen Strahlungsbedingungen ausgesetzt wird#

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   7· Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Vinyl-Zerfalls durch Bestinmung der Veränderungen der Intensität der Absorptionsmaxima in dem Bereiöh des Energiespektrums, der. von Ultraviolett bis In-

   . frarot reicht, durchgeführt wird.

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