DE19514044C2 - Strahlendosimeter zur Detektion und/oder Dosimetrie von Strahlung, insbesondere UV-Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein passives Strahlendosimeter zur Detektion und/oder Dosimetrie von Strahlung, insbe­ sondere UV-Strahlung, wie aus US-PS 4 535 244 bekannt.

Zur Ermittlung der Bestrahlungsstärke, der ein Gegen­ stand oder eine Person ausgesetzt ist, sind elektro­ nisch hochwertige Geräte bekannt, die in erster Linie zu wissenschaftlichen Zwecken benutzt werden. Die Strahlendosimetrie ist aber auch für eine Vielzahl von alltäglichen Anwendungsbereichen geeignet und wünschens­ wert, wie beispielsweise in Sonnenstudios zur Ermitt­ lung der Strahlendosis, der eine Person ausgesetzt ist, oder zur Ermittlung der Dosis an natürlicher Strahlung, der eine sich im Freien aufhaltende Person ausgesetzt ist. Im letztgenannten Fall kann es sich um eine medi­ zinisch bzw. therapeutisch angezeigte Maßnahme oder lediglich um eine Schutzmaßnahme handeln.

Neben den oben bereits erwähnten elektronisch hoch­ wertigen Geräten zur Strahlendosimetrie sind aus DE 87 11 714 U1 und DE 89 03 470 U1 Vorrichtungen zur Bestim­ mung der Strahlungsstärke im ultravioletten Strahlungs­ bereich bekannt, die über einen recht einfachen Aufbau verfügen.

Aus US-PS 4 535 244 ist ein UV-Dosimeter bekannt, bei dem in einem Gehäuse ein UV-Detektor angeordnet ist, vor dem sich eine Diffusorschicht befindet, durch die schräg einfallende UV-Strahlung auf den Detektor abge­ lenkt wird.

In US-PS 5 401 970 ist eine UV-B-Strahlenüberwachungs­ vorrichtüng beschrieben, bei der im Strahlengang vor einem UV-B-Photodetektor ein Licht-Diffusor angeordnet ist.

Aus DE 43 29 665 C1 ist ein UV-Sensor bekannt, bei dem der UV-Detektor bereichsweise durch Blenden abgedunkelt ist, um in diesen Bereichen die Strahlung an dem- Er­ reichen des UV-Detektors zu hindern. Hierdurch läßt sich die Empfindlichkeit des UV-Sensors in Abhängigkeit von dem Winkel, unter dem UV-Strahlung auf eine im Strahlengang vor der Blende und dem UV-Detektor ange­ ordneten Linsenanordnung auftrifft, beeinflussen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strahlen­ dosimeter zur Detektion von Strahlung, insbesondere UV- Strahlung zu schaffen, mit dem sich die Strahlungsdosis in einem relativ großen Dynamikbereich zuverlässig er­ mitteln läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein passives Strahlendosimeter vorgeschlagen, das versehen ist mit

• - einem Gehäuse, welches eine Aussparung aufweist,
• - einer die Aussparung überdeckenden und zumindest für die interessierende Strahlung durchlässigen Diffusorabdeckschicht und
• - einer unterhalb der Diffusorabdeckschicht angeord­ neten, für die interessierende Strahlung sensiti­ ven Sensorvorrichtung,
• - wobei zur Erweiterung des Dynamikbereichs der Sen­ sorvorrichtung zwischen dieser und der Aussparung mindestens ein die Sensorvorrichtung partiell ab­ deckendes Neutralfilter zur unterschiedlich star­ ken wellenlängenneutralen Dämpfung der auf ver­ schiedene Bereiche der Sensorvorrichtung auftref­ fenden Strahlung angeordnet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Strahlendosimeter gelangt die einfallende Strahlung zunächst auf eine Diffusorabdeck­ schicht, die als Diffusor wirkt und die Sensorempfind­ lichkeit in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel der Strahlung beeinflußt. Die Diffusorabdeckschicht ist für die interessierende Strahlung durchlässig und sollte aus Gründen der platzsparenden Unterbringung im Gehäuse eine möglichst geringe Dicke aufweisen. Ferner kommt der Diffusorabdeckschicht auch die Aufgabe eines Witte­ rungsschutzes und eines Schutzes vor mechanischen Ein­ wirkungen zu. Zweckmäßigerweise ist die Diffusorabdeck­ schicht wasserabweisend und robust ausgeführt.

Um den Dynamikbereich der Sensorvorrichtung erweitern zu können, ist nach der Erfindung vorgesehen, daß zwi­ schen der Aussparung des Gehäuses und der Sensorvor­ richtung Neutralfilter unterschiedlicher Transmissions­ eigenschaften angeordnet sind. Diese Neutralfilter be­ finden sich vorzugsweise in den Blendenöffnungen. Dabei ist es zweckmäßig, daß zumindest eine Blendenöffnung nicht von einem Neutralfilter überdeckt ist. Die Auf­ gabe der Neutralfilter besteht darin, die einfallende Strahlung unterschiedlich stark zu dämpfen, und zwar weitgehend wellenlängenunabhängig. Die Neutralfilter sollten eine möglichst geringe Dicke aufweisen, damit sie die platzsparende Unterbringung im Gehäuse er­ lauben.

Zweckmäßigerweise werden ein- oder mehrlagige Metall­ netze aus (rostfreiem) Edelstahldraht als Neutralfilter verwendet. Diese Metallnetze sind insbesondere recht dünn und feinmaschig. Vorzugsweise sind die Metallnetze mit einer Maschenweite von 5 bis 100 µm, insbesondere 25 µm und einer Drahtstärke von 5 bis 100 µm, insbeson­ dere ebenfalls 25 µm versehen. Werden mehrere Metall­ netze übereinandergelegt, um so die Strahlungsdämpfung vorzugeben, so sollten sich die eingesetzten Metall­ netze in der Maschenweite und in der Drahtstärke unter­ scheiden, um übergroße Dämpfungseffekte durch Über­ lagerung der Maschenöffnungen des einen Metallnetzes durch die Drähte des anderen Metallnetzes zu vermeiden. Alternativ kann zur Vermeidung dieses Problems auch eine zusätzliche Diffusorschicht zwischen den Metall­ netzen angeordnet sein.

Je nach gewünschter Abhängigkeit der Sensorresponse vom Einfallwinkel der Strahlung (Kosinusabhängigkeit oder winkelunabhängig) können plane oder gewölbte Abdeckun­ gen eingesetzt werden. Insbesondere kann als Abdeckung beispielsweise eine 0,25 bis 5 mm, insbesondere 1,0 mm starke, planparallele Platte aus Polytetrafluorethylen- (PTEE) Material eingesetzt werden. Vergleichbare UV- durchlässige Materialien sind ebenfalls möglich.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß die Sensorvorrichtung nicht in ihrem gesam­ ten sensitiven Bereich der interessierenden Strahlung ausgesetzt ist, sondern daß die Sensorvorrichtung nicht bestrahlte Dunkelbereiche aufweist. Diese Dunkelbe­ reiche sind je nach Typ der Sensorvorrichtung zu Kali­ brierungszwecken (Kalibrierungszonen) erforderlich, um nämlich anhand eines Vergleichs der der Strahlung aus­ gesetzten Bereiche mit den Kalibrierungszonen die Strahlungsdosis ermitteln zu können.

Vorzugsweise befindet sich zwischen der Aussparung des Gehäuses und der Sensorvorrichtung eine Blende, die zweckmäßigerweise unterhalb der Diffusorabdeckschicht angeordnet ist. Die Blende weist eine oder mehrere Öff­ nungen und mindestens einen für die interessierende Strahlung undurchlässigen Flächenbereich auf. Unterhalb dieses Bereichs befindet sich dann gegebenenfalls die Kalibrierungszone der Sensorvorrichtung. Die Blende besteht vorteilhafterweise aus einer Aluminiumfolie, also aus einem lichtundurchlässigen dünnen Material.

Bei einem Dosimeter mit einer Blende, die drei Blenden­ öffnungen aufweist, wird für 100%ige Transmission eine Blendenöffnung freigelassen, während fluchtend mit der zweiten Blendenöffnung ein einlagiges Metallnetz ange­ ordnet wird. In Projektion der dritten Blendenöffnung sind dann zwei Metallnetze angeordnet, um für den darunterliegenden Bereich der Sensorvorrichtung die in diesem Fall größtmögliche Strahlungsdämpfung zu er­ zielen. Bei einer Blende mit einer Öffnung kann diese dann bereichsweise mit ein- oder mehrlagigen Metall­ netzen abgedeckt sein und hat ferner mindestens einen freiliegenden Bereich.

Vorteilhafterweise wird als Sensorvorrichtung ein Sen­ sor und ein Filter zur Selektion der interessierenden Strahlung, beispielsweise der UV-A-, UV-B- oder UV-C- Strahlung, eingesetzt. Die Aufgabe dieses Filters be­ steht also darin, aus dem Spektrum der auf das Dosi­ meter einfallenden Strahlung bestimmte Bereiche heraus­ zufiltern.

Bei Verwendung einer Blende wird dieses Filter vorzugs­ weise derart angeordnet, daß lediglich ein Teil der mindestens einen Blendenöffnung von dem Filter über­ deckt ist. Dies hat den Vorteil, daß auf ein und den­ selben Sensor sowohl durch dieses Filter gefilterte als auch insofern ungefilterte Strahlung auftrifft.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als Sensor ein Biosensor eingesetzt wird, der ein hydrophiles Substrat mit einer Beschich­ tung aus immobilisierten Mikroorganismen aufweist. Aus­ gewählte Bereiche der Beschichtung aus immobilisierten Mikroorganismen werden der zu detektierenden Strahlung ausgesetzt. Zur Ermittlung der Strahlendosis wird dann nach der Beendigung der Strahlungsexposition die Bio­ synthese der immobilisierten Mikroorganismen dadurch initiiert, daß man das Substrat und die immobilisierten Mikroorganismen in einem geeigneten sterilen Wachstums­ medium inkubiert. Dabei wird die Bildung von Biosynthe­ seprodukten, insbesondere die Zellinaktivierung der Mikroorganismen nach selektiver Anfärbung densito­ metrisch bestimmt. Der oben erwähnte Biosensor und das mit ihm durchzuführende Verfahren zur biologischen Detektion von Strahlung durch immobilisierte Mikroorga­ nismen ist ausführlich in DE 40 39 002 A1 beschrieben. Der Inhalt dieser Druckschrift wird hiermit zum Umfang der Offenbarung der vorliegenden Erfindung gemacht.

Für die Handhabung von Vorteil ist es, wenn das Gehäuse eine verschließbare Öffnung aufweist, die insbesondere auf der der Aussparung abgewandten Rückseite des Gehäu­ ses angeordnet ist. Über diese Öffnung läßt sich die Sensorvorrichtung aus dem Gehäuse entnehmen bzw. eine neue Sensorvorrichtung in das Gehäuse einführen.

Das erfindungsgemäße Strahlendosimeter zeichnet sich durch seinen extrem einfachen Aufbau aus, wobei auf­ grund der Diffusorabdeckschicht als die im Strahlengang zuerst angeordnete Schicht des Strahlendosimeters er­ reicht wird, daß die Empfindlichkeit der Sensorvorrich­ tung in Abhängigkeit vom Strahlungseinfallswinkel modi­ fiziert wird. Das erfindungsgemäße Strahlendosimeter eignet sich insbesondere als Personendosimeter und kann bequem von einer Person mitgeführt und insbesondere an Bekleidungsstücken angebracht werden. Die Integration des erfindungsgemäßen Strahlendosimeters in Ohrringen, Krawattennadel, Ansteckbroschen, Sonnenbrillen, Kopfbe­ deckungen (Sonnenkappen), Uhren, Armbändern, Halsband­ anhängern und/oder Knöpfen ist denkbar und trägt zur Akzeptanz des Strahlendosimeters in ganz entscheidender Weise bei.

Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zei­ gen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Diffusorabdeckschicht eines Personendosimeters mit darunter angeord­ neter insgesamt drei Blendenöffnungen aufwei­ sender Blende und

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1.

Der Aufbau des UV-Strahlendosimeters soll nachfolgend anhand der stark schematisierten Querschnittsdarstel­ lung gemäß Fig. 2 erläutert werden.

In einem (in den Figuren nicht dargestellten) z. B. Kunststoff-Gehäuse befindet sich eine Anordnung über­ einanderliegender Materialschichten bzw. Lagen. Die der Strahlung zugewandte oberste Schicht wird dabei von einer Diffusorabdeckung 10 aus Polytetrafluorethylen (PTFE-Material) gebildet. Dieses Material ist für UV- Strahlung durchlässig und hat die Aufgabe, einfallende UV-Strahlung kosinusabhängig oder winkelunabhängig auf die darunter befindlichen Schichten weiterzugeben. Unterhalb der Diffusorabdeckung 10 befindet sich eine Blende 12 mit drei Blendenöffnungen 14. Die Blende 12 besteht aus lichtundurchlässigem Material und ist im vorliegenden Fall als Aluminiumfolie ausgebildet. Durch die Blendenöffnungen 14 gelangt die UV-Strahlung auf ein unterhalb der Blende 12 angeordnetes Filtersystem 16. Dieses Filtersystem 16 umfaßt Neutralfilter 18,20 sowie ein UV-Filter 22. Die Neutralfilter 18,20, die in Flucht mit zwei der drei Blendenöffnungen unterhalb der Blende 12 und vor dem UV-Filter 22 angeordnet sind, haben die Aufgabe, die UV-Strahlung weitgehend wellen­ längenunabhängig zu dämpfen. Die dritte Blendenöffnung 14 ist nicht durch ein darunter befindliches Neutral­ filter o. dgl. "verschlossen"; vielmehr trifft die durch diese Öffnung 14 hindurchdringende Strahlung direkt auf den UV-Filter 22.

Die beiden Neutralfilter 18, 20 weisen unterschiedliche Transmissionseigenschaften auf. So handelt es sich bei dem Neutralfilter 18 um ein einlagiges Metallnetz 19 aus Edelstahl mit einer Maschenweite von 25 µm und einer Drahtstärke von ebenfalls 25 µm. Das Neutralfil­ ter 20 ist durch das Übereinanderliegen zweier derarti­ ger Metallnetze 21 gebildet, so daß dessen Transmis­ sionsgrad entsprechend verringert ist. Alternativ ist es möglich, Metallfilter unterschiedlicher Maschenweite und Drahtstärke für das Neutralfilter 20 einzusetzen oder bei Verwendung identischer Metallnetze, eine Dif­ fusorschicht zwischen beiden Lagen anzuordnen.

Aufgabe des darunter befindlichen UV-Filters 22 ist es, Teilbereiche des Spektrums der einfallenden Strahlung abzublocken.

Unterhalb des UV-Filters 22 befindet sich die Sensorvor­ richtung 24, die ein hydrophiles Substrat 26 insbeson­ dere in Form einer Kunststoff-Folie und auf dem Sub­ strat aufgebracht immobilisierte Mikroorganismen 28 aufweist. Die Beschichtung aus immobilisierten Mikro­ organismen 28 wird also bereichsweise unterschiedlich stark der interessierenden UV-Strahlung ausgesetzt. In den mit 30 bezeichneten Flächenbereichen trifft auf die Mikroorganismus-Beschichtung 28 keinerlei Strahlung auf, da diese Bereiche 30 durch die Blende 12 abge­ dunkelt bzw. verdeckt sind. Diese Bereiche 30 bilden die Kalibrierzone, die benötigt wird, um anhand der Veränderurigen der Mikroorganismus-Beschichtung 28 in den übrigen Bereichen die Dosis- der Strahlung ermitteln zu können. Maximale UV-Strahlung trifft auf die Mikro­ organismus-Beschichtung 28 im Bereich der Zone 32 auf, die mit der Blendenöffnung 14 fluchtet, welche nicht durch ein Neutralfilter o. dgl. verdeckt ist. Weniger UV-Strahlung trifft im Bereich 34 auf die Beschichtung 28 auf, oberhalb derer sich das einlagige Metallnetz des Neutralfilters 18 befindet. Noch weiter gedämpft ist die im Bereich 36 auf die Mikroorganismus-Beschich­ tung 28 auftreffende Strahlung, die zuvor das Neutral­ filter 20, das aus zwei übereinanderliegenden Metall­ netzen besteht, passieren muß. Die Auswertung der Bio- Sensorvorrichtung 24 sowie deren Funktionsweise ist detailliert in DE 40 39 002 A1 beschrieben. Auf diese Druckschrift wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.

Die gesamte Schichtenfolge gemäß Fig. 2 ist von einem Kunststoff-Gehäuse umgeben, das im Bereich der Dif­ fusorabdeckung 10 eine Aussparung aufweist. Neben der optisch physikalischen Funktion kommt der Diffusorab­ deckung 10 auch eine rein mechanische Funktion als Schutz vor mechanischen Beanspruchungen und als Witte­ rungsschutz zu. Die Diffusorabdeckung 10 ist wasserab­ weisend und besteht beispielsweise aus 1,0 mm starkem planparallelem PTFE-Material. Das gesamte Gehäuse ist wasserdicht ausgeführt; sofern es zweiteilig ausgeführt ist, erfolgt die Abdichtung durch einen O-Ring aus elastischem Material, insbesondere Gummi, der als Quetschdichtung zwischen der Diffusorabdeckung und zwi­ schen der Sensorvorrichtung 24 und dem rückwärtigen Gehäuseverschluß eingesetzt werden kann. Die rückwär­ tige Seite des Gehäuses ist vorzugsweise mit einer ver­ schließbaren Öffnung versehen, um, ohne den Schichten­ aufbau beeinträchtigen zu müssen, die Sensorvorrichtung 24 austauschen zu können. Zweckmäßigerweise lassen sich in dem Gehäuse unterschiedliche Sensorvorrichtungen einsetzen.

Claims (11)

1. Strahlendosimeter zur Detektion und Dosimetrie von Strahlung, insbesondere UV-Strahlung, mit

• - einem Gehäuse, das eine Aussparung aufweist,
• - einer die Aussparung überdeckenden und zumin­ dest für die interessierende Strahlung durch­ lässigen Diffusorabdeckschicht (10) und
• - einer unterhalb der Diffusorabdeckschicht (10) angeordneten, für die interessierende Strahlung sensitiven Sensorvorrichtung (24), dadurch gekennzeichnet,
• - daß zur Erweiterung des Dynamikbereichs der Sensorvorrichtung (24) zwischen dieser und der Aussparung mindestens ein die Sensorvorrichtung (24) partiell abdeckendes Neutralfilter (18; 20) zur unterschiedlich starken wellenlängenneutra­ len Dämpfung der auf verschiedene Bereiche der Sensorvorrichtung (24) auftreffenden Strahlung angeordnet ist.

2. Strahlendosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Neutralfilter (18, 20) mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften vor­ handen sind.

3. Strahlendosimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Neutralfilter (18; 20) ein ein- oder mehrlagiges Metallnetz (19; 21) ist.

4. Strahlendosimeter nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen aufeinanderfolgenden Lagen der Metallnetze (19; 21) Diffusorschichten angeord­ net sind.

5. Strahlendosimeter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinander angeordneten Metallnetze unterschiedliche Maschenweiten und Draht stärken aufweisen.

6. Strahlendosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorvorrich­ tung (24) derart innerhalb des Gehäuses relativ zu dessen Aussparung angeordnet ist, daß sie nicht der Strahlung ausgesetzte Dunkelbereiche aufweist.

7. Strahlendosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Aus­ sparung des Gehäuses und der Sensorvorrichtung (24) eine Blende (12) mit einer oder mehreren Öffnungen (14) und mit einem für die Strahlung un­ durchlässigen Flächenbereich angeordnet ist.

8. Strahlendosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorvorrich­ tung (24) einen Sensor und ein Filter (22) zur spektralen Modifikation der Strahlung aufweist.

9. Strahlendosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorvorrich­ tung (24) ein hydrophiles Substrat (26) mit einer Beschichtung (28) aus immobilisierten Mikroorga­ nismen aufweist.

10. Strahlendosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine verschließbare Öffnung zur Beschickung mit und zur Entnahme der Sensorvorrichtung (24) aufweist.

11. Strahlendosimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 10′ dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse von einer Person mitführbar und insbesondere an Be­ kleidungsstücken anbringbar ist.