DE2058832A1 - Ionisations-Dosimeter - Google Patents

Description

R.A. Stephen & Company Limited, Miles Road, Mltcham, Surrey (England)

Ionisations-Dosimeter

Die Erfindung betrifft ein Ionisations-Dosimeter zur Bestimmung von Neutronenstrahlung bzw. von Neutronen- und Gamma-Strahlung.

Da in der Praxis eine Neutronenstrahlung immer von einer gewissen Gamma-Strahlung begleitet wird, ist es schwierig, zwischen diesen beiden Strahlungsformen zu unterscheiden oder die biologisch wirksame Dosis in einem gemischten Strahlungsfeld zu messen. Die Notwendigkeit zu ihrer Unterscheidung ist jedoch aufgrund des Unterschiedes in der biologischen Wirksamkeit oder im Qualitatsfaktor zwischen Neutronenstrahlung und Gammastrahlung gegeben. Während die gesamte Ionisation;der Dosis in rad-Maßeinheiten proportional ist, ist andererseits die biologische Schädigung der in rem-MaBeinheiten gemessenen Dosis proportional, wobei der rem-Wert dem rad-Wert multipliziert mit dem Qualitatsfaktor entspricht, Deshalb kann die durch ein gemischtes Strahlungsfeld er-

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zeugte Ionisation nicht als Maß für die biologische Strahlungs-Dosis benutzt werden. Für schnelle Neutronen, deren Energie in einem Bereich zwischen 0,1 MEV bis 15 MEV liegt, muß ein Ionisations-Dosimeter etwa Äechsbis zehnmal so empfindlich gegenüber Neutronen sein als gegenüber Gamma-Strahlung, wenn die Ionisation der biologischen Strahlungsdosis entsprechen soll. Es hat sich erwiesen, daß es wegen der stark unterschiedlichen Beeinflussung^ -Querschnitte von kernen gegenüber schnell Neutronen sowie gegenüber Gamma-Strahlung nicht möglich ist, das notwendige Empfindlichkeitsverhältnis miü e.inenf einzelnen Dosimeter zu erzielen.

Daher wurden bisher zwei Dosimeter benutzt, von denen das eine sowohl gegenüber Neutronenstrahlung- als auch gegenüber Gamma-Strahlung, und das andere hauptsächlich gegenüber Gamma-Strahlung empfindlich war. Man findet die Neutronenstrahlungs-Dosis, in dem man die mit dem zweiten Dosimeter gemessene Gamma-Strahlungs-Dosiswon der gemischten (Neutronen- + Gamma-) Strahlungsdosis abzieht, die mit dem ersten Dosimeter gemessen wurde. Diese Anordnung benötigt eine relativ aufwendige Apparatur und schließt Fehler bei der Ablesung und Substraktion der beiden Meßwerte nicht aus.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Ionisations-Dosimeter zu beschaffen, mit dem sich die Gamma-Strahlungsdosis zumindest teilweise kompensieren läßt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch zwei Ionisationskammern mit wesentlich unterschiedlicher Ansprechempfindlichkeit gegenüber Neutronenstrahlung einerseits und Gamma-Strahlung andererseits durch einlJPaar von einander entsprechenden und elektrisch verbundenen Elektroden beider Ionisationskammern und ein weiteres Paar

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von einander entsprechenden Elektroden» die durch eine Koppelkapazität so miteinander verbunden sind, daß bei Aufladung beider Ionisationskammern mit entgegengesetzter Polarität die an den Anschlüssen der Koppelkapazität auftretende Spannung dem Unterschied im Ansprechverhalten beider Ionisationskammern bei der empfangenen Strahlung proportional isfc; und durch eine Anzeigeeinrichtung für die Größe der Spannungsänderung zwischen den Elektroden der jeni gen Ionisationskammer, welche gegenüber Neutronenstrahlung eine verhältnismäßig höhere Empfindlichkeit besitzt als gegenüber Gamma-Strahlung.

Besondere Merkmale und Vorteile eines erfindungsgemäßen lonisations-Dosimeters können der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit einer Zeichnung entnommen werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Teilansicht

eines erfindungsgemäßen lonisations-Dosimeters im Längsschnitt;

Fig. 2 und

Fig. 3 ijeweils eine Teilansicht eines

weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung in schematischer und in Längsrichtung geschnittener Darstellung.'

Ein der Erfindung entsprechendes lonisations-Dosimeter enthält zwei Ionisationskammern, die so ausgebildet sind, daß die eine gegenüber der anderen ein unterschiedliches Ansprechverhältnis gegenüber Neutronenstrahlung im Gegensatz zu Gamma-Strahlung besitzt. Die zwei Ionisationskammern werden außerdem mit unterschiedlicher PolarifcÄt beaufschlagt, so daß die elektrischen Felder in ihnen entgegengesetztes Richtungen aufweisen.

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Eine Elektrode ist direkt mit einer entsprechenden Elektrode der anderen Ionisationskammer verbunden. Ein weiteres Paar von einander entsprechenden Elektroden ist Kapazitiv miteinander gekoppelt. Den entgegengesetzten Polaritäten der beiden Ionisationskammern entsprechend sammeln sich in den beiden kapazitiv miteinander gekoppelten Elektroden Ladungsträger mit entgegengesetzten Vorzeichen, so daß die Netto-Ladung, die sich an beiden voneinander isolierten Elektroden bildet, der Differenz zwischen den in beiden Ionisationskammern erzeugten Ladungen entspricht. Das Spannungspotential zwischen den beiden isolierten Elektroden ist demgemäß der Ladungsdifferenz proportional. Werden in beiden Ionisationskammern gleiche Ladungen gespeichert, so ist die Potentialänderung der isolierten Elektroden gleich Null. Bei ungleichen Ladungen ändert sich das Potential an den Elektroden in der Weise, daß sich das Potential der Ionisationskammer mit der kleineren Ladung vergrößert und das Potential der Kammer mit der größeren Ladung verkleinert.

Die Ladungsdifferenz wird in der Koppelkapazität zwischen beiden Ionisationskammern gespeichert. In der Ionisationskammer mit der höheren Ansprechempfindlichkeit gegenüber Neutronenstrahlung als gegenüber Gamma-Strahlung befindet sich ein an sich bekanntes Quarz-Faser-Elektroskop, welches zur Anzeige allgemeiner Potentialunterschiede dient. Erfindungsgemäß wird die Größe der Koppelkapazität zwischen den beiden Elektroden in ihrer Größenordnung so bemessen, daß der erhaltene Meßwert der biologisch wirksamen Strahlungsdosis in einem gemischten Strahlungsfeld proportional ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Wert dieser Koppelkapazität so zu wählen, daß von der Gamma-Strahlung herrührende Ladungspotentiale in der Ionisationskammer, welche eine höhere Ansprechempfindlichkeit gegenüber Neutronenstrahlung besitzt, vollständig unterdrückt werden. Der

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hierbei erhaltene Meßwert ist dann allein der Neutronenstrahlungs-Dosis proportional.

Um einen genauen Meßwert der biologisch wirksamen Strahlungsdosis in einem bekannten gemischten Strahlungsfeld zu erhalten, ist die Größe C_fc der Koppelkapazität nach der folgenden Gleichung zu bemessenΓ

<3lv-C₂ (QF -)

Hierin ist: C₂ die Kapazität der Ionisationskammer mit der

geringeren Empfindlichkeit gegenüber Neutronen;

^q2 Y- ^die kadungsempf indlichkei t der selben

Ionisationskammer gegenüber Gamma-Strahlung;

q₂ ί die Ladungsempfindlichkeit der selben Ionisationskammer gegenüber Neutronenstrahlung;

qi- die Ladungsempfindlichkeit gegenüber Gamma-Strahlung der Ionisationskammer mit der größeren Empfindlichkeit gegenüber Neutro-..nenstrahlung;

q^_n die Ladungsempfindlichkeit dieser Ionisationskammer gegenüber Neutronenstrahlung; und

QF der Qualitätsfaktor der Neutronenstrahlung in dem betreffenden Strahlungsfeld.

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Die Größe C_ der Koppelkapazität, wie sie für die völlige Aufhebung der Ganuna-Strahlungsdosis notwendig ist, errechnet sich nach der Formel:

Das Verhalten gegenüber Neutronen der Ionisationskammer mit der höheren Ansprechempfindlichkeit auf Neutronen gegenüber Gamma-Strahlung errechnet sich nach der Formel:

₊ :^ci.^ci

^C2 ^cc

oder

^Cc ^Cl

^Cl ^C2 - ^Cl ^Cc

c_c C₂

oder

J -

^Cc ^Cl ^{+ C}c ^C2 ^{+ C}l ^C2

Hierin ist C₁ die Kapazität dieser Ionisationskammer, während die übrigen Bezugszeichen bereits oben erläutert wurden. DieserWert entspricht der Neutronen-Empfindlichkeit ^qln der nicht kompensierten Ionisationskammer,

Fig. 1 stellt ein AuefUhrungsbeispiel der Erfindung dar, in der die von einander isolierten Elektroden der zwei Ionisationskammern kapazitiv gekoppelt sind. Die darge-

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stellte Vorrichtung enthält ein Gehäuse 1, welches zwei koaxial hintereinander angeordnete zylindrische Ionisationskammern 2 und 3 umschließt. Die Innenwand der Ionisationskammer 2 ist mit einer Schicht 4 überzogen, welche diese Ionisationskammer besonders empfindlich gegenüber Neutronenstrahlung gestaltet, während die andere Ionisationskammer 3 mit einer anderen Schicht 5 ausgelegt ist, welche diese besonders empfindlich gegenüber Gamma-Strahlung macht. Eine axial verlaufende Isolierte Elektrode 6 der Ionisationskammer 2 trägt ein Elektroskop 7. Diese Elektrode 6 verläuft ebenfalls durch die Ionisationskammer 3, ist jedoch in deren Bereich mit einer zweiten Elektrode 8 umgeben. Beide Elektroden 6 und 8 sind durch einen dielektrischen Zylinder 9 voneinander getrennt. Ist die Vorrichtung aufgeladen, so steht die Elektrode 6 mit einem Potential in Verbindung, welches gegenüber dem geerdeten Gehäuse 1 positiv ist. Ein anderes, gegenüber dem geerdeten Gehäuse 1 negatives Potential der Vorrichtung ist mit der anderen Elektrode 8 verbunden, welche als leitender Belag auf die äußere Zylinderfläche des dielektrischen Zylinders 9, welcher Innerhalb der Ionisationskammer 3 die Elektrode 6 umgibt, aufgebracht ist.

Ferner enthält das Ionisations- Dosimeter ein an sich bekanntes optisches System zur Beobachtung des Elektroskops 7 sowie eine weitere an sich bekannte Einrichtung zur Ladungsübertragung auf die voneinander isolierten Elektroden 6 und 8 der beiden Ionisationskammern 2 und

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, besteht das optische System aus einer Objektivlinse 21, von der ein Bild des Elektroskops 7 auf eine lichtdurchlässige Platte 22 projeziert wird, welche ein Messgitter 23 trägt. Die Lage des Bildes von dem beweglichen Glied des Elektroekops 7 kann Im Bereich dieses Heßgitters 23 von einem Beobachter durch ein

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Okkular 24 beobachtet werden. Die Einrichtung zur Ladungsübertragung auf die voneinander isolierten Elektroden 6 und 8 besteht in an sich bekannter Weise aus zwei Säulen 25 und 26, die auf einen im Gehäuse 1 befestigten Isolator 27, welcher außerdem die beiden voneinander isolierten Elektroden 6 und 8 trägt, montiert sind. Säule 25 ist mit Elektrode 6 und Säule 26 mit Elektrode 8 verbunden. In einem weiteren Isolator 28, der ebenfalls im Gehäuse 1 befestigt ist, sind zwei Kontaktstifte 29 und 30 verschiebbar und durch zwei Federn 31 und 32 in Richtung auf eine Gehäuseöffnung vorgespannt gelagert. An ψ zwei mit "+" und "-" bezeichneten Klemmen einer Spannungsquelle 33 liegen Spannungen an, welche unter Bezug auf die Erdung ein positives und ein negatives Potential besitzen. Kontaktglieder 34 und 35, welche hier schematisch durch Pfeile symbolisiert sind, sind jeweils mit der positiven und der negativen Anschlußklemme der Spannungsquelle 33 verbunden und so eingerichtet, daß sie mit den beiden Kontakt stiften 29 und 30 in Berührung kommen und diese Kontaktstifte 29 und 30 soweit verschieben können, bis diese jeweils mit einer der beiden Säulen 25 und 26 in Berührung kommen und dabei eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlußklemmen der Spannungsquelle 33 und den Elektroden 6 und 8 herstellen. Gleichzeitig stellt ein weiteres geerdetes Kontaktglied 36 einen Kontakt zwischen Gehäuse 1 und der Erde her, um innerhalb des Ionisations-Dosimeters eindeutige Ladungsverhältnisse zu schaffen.

Eine beim Betrieb innerhalb der Ionisationskammer 2 aufgrund der Ionisation in Abhängigkeit von der Neutronenstrahlung stattfindende Ladungsübertragung hat die Auswirkung, daß sich das positive Potential der Elektrode 6 vermindert,

in

während die ^Ionisationskammer 3 auf Gamma-Strahlung beruhende Ladungsübertragung eine erhöhung ä_ea positiven. Potentials dieser Elektrode bewirkt. In welchem Maße hier eine Kompensation erfolgt, wird von der Größe der Koppelkapazität abhängen, welche bei diesem Ausführungsbeispiel aus der zwi-

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sehen Elektrode 6 und dem als Elektrode 8 dienenden leitenden überzug auf dem dielektrischen Zylinder 9 besteht.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, welches dem in Fig. 1 dargestellten weitgehend ähnlich ist, so daß entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Ein wesentlicher Unterschied dieser Ausführung besteht jedoch darin, daß die isolierte Elektrode 6 der Ionisationskammer 2 durch einen besonderen Kondensator 9a an die isolierte Elektrode 8 der Ionisationskammer 3 angekoppelt ist.

In einer weiteren Variante der Erfindung, welche in Fig. 3 dargestellt ist, besitzen die beiden Ionisationskammern 2 und 3 eine gemeinsame isolierte Elektrode 6. Dafür ist jedoch die äußere leitende Schicht 5, welche die Wand der Ionisationskammer 3 bildet, von dem Gehäuse 1 der Vorrichtung durch einen dielektrischen Mantel 10 und von der äußeren Schicht 4 der Ionisationskammer 2 durch einen dielektrischen Ring 11 getrennt. Die äußere Schicht 4 der Ionisationskammer 2 ist dagegen mit dem Gehäuse 1 leitend verbunden.

Soll die Gamma-Strahlungsdosls vollständig kompensiert werden und die Anzeige der Vorrichtung ausschließlich auf den Neutronenfluß bezogen sein, so muß die Vorrichtung notwendigerweise so ausgelegt werden, daß die Ladungsempfindlichkeit gegenüber Gamma-Strahlung q^ und q₂ der beiden Ionisationskammern 2 und 3 einen gegenseitigen Unterschied aufweist, welcher dem Verhältnis zwischen der Koppelkapazität und der Kapazität der gegenüber Gamma-Strahlung besonders empfindlichen Ionisationskammer 3 entspricht:

^cc

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Claims (9)

₁₀ . 2U58832

Ansprüche

Ionisations-Dosimeter zur Bestimmung von Neutronenstrahlung bzw. von Neutronen- und Gamma-Strahlung, gekennzeichnet durch zwei Ionisationskammern mit wesentlich unterschiedlicher Ansprechempfindlichkeit gegenüber Neutronenstrahlung einerseits und Gamma-Strahlung andererseits; durch efh Paar einander e.nts,pr.ech.enden und elektrisch verbundenenElektroden beider Ionisationskammern und ein weiteres Paar von einander entsprechenden Elektroden, die durch eine Koppelkapazität so miteinander verbunden sind, daß bei Aufladung beider Ionisationskammern mit entgegengesetzter Polarität die an den Anschlüssen der Koppelkapazität auftretend^ Spannung dem Unterschied im Ansprechverhalten beider Ionisationskammern bei der empfangenen Strahlung proportional ist; und durch eine Anzeigeeinrichtung für die Größe der Spannungsänderung zwischen den Elektroden derjenigen Ionisationskammer, welche gegenüber Neutronenstrahlung eine verhältnismäßig höhere Empfindlichkeit besitzt als gegenüber Gamma-Strahlung.

2. Ionisations-Dosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelkapazität aus einem Kondensator zwischen dem weiteren Paar von Elektroden besteht.

3. Ionisations-Dosimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Koppelkapazität aus der Kapazität besteht, welche zwischen der einen Elektrode und einem Leiter vorhanden ist, welcher mit der entsprechenden Elektrode der anderen Ionisationskammer elektrisch verbunden ist, die. gegenüber der ersten Elektrode durch Isoliermaterial int.

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4. Ionisations-Dosimeter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode der einen Ionisationskammer in die andere Ionisationskammer hineingeführt und dort isoliert von dem Leiter umhüllt ist, welcher die entsprechende Elektrode der anderen Ionisationskammer bildet, wobei die Kapazität zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode die Koppelkapazität darstellt.

5. Ionisations-Dosimeter nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand der einen Ionisationskammer durch Isoliermaterial vom Gehäuse und der.Außenwand der anderen Ionisationskammer getrennt ist, welche mit dem Gehäuse elektrisch verbunden ist; und daß die Koppelkapazität durch die Kapazität zwischen der Außenwand der einen Ionisationskammer einerseits und dem Gehäuse sowie der Außenwand der anderen Ionisationskammer andererseits gebildet wird.

6. Ionisations-Dosimeter nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden Ionisationskammern innen mit einer Schicht bedeckt ist, welche diese gegenüber Gamma-Strahlung besonders empfindlich macht.

7. Ionisations-Dosimeter nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Ionisationskammer innen mit einer Schicht bedeckt ist, welche diese gegenüber Neutronenstrahlung besonders empfindlich macht.

8. Ionisations-Dosimeter nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe C_t der Koppelkapazität durch folgende Formel bestimmbar ist:

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C₉ (QF --iJ- )

Γ m __

i*qf

^qm ^qi^ ^qm

Hierin ist:

C₂ die Kapazität der Ionisationskammer mit der

geringeren Empfindlichkeit gegenüber Neutronen;

die Ladungsempfindlichkeit der selben Ionisationskammer gegenüber Gamma-Strahlung;

q₂ die Ladungsempfindlichkeit der selben Ionisationskammer gegenüber Neutronenstrahlung;

q. die Ladungsemßfindlichkeit gegenüber Gammastrahlung der Ionisationskammer mit der größeren Empfindlichkeit gegenüber Neutronenstrahlung;

q die Ladungsempfijidlichkeit dieser Ionisationskammer gegenüber Neutronenstrahlung; und

QF der Qualitätsfaktor der Neutronenstrahlung in dem betreffenden Strahlungsfeld.

9. Ionisations-Disometer nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grüße der Koppelkapazität so bemessen ist, daß die auftretenden Spannungsänderung nur der Neutronenetrahlungedöeie~proportional ist, welche vom Dosimeter empfangen wird.

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