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Personenstrahlungsdosimeter für Neutronenstrahlen
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Die Erfindung betrifft ein Personenstrahlungsdosimeter für Neutronenstrahlen,
das getrennt die Strahlungsdosen von thermischen Neutronen strahlen, epithermischen
Neutronenstrahlen und schnellen Neutronenstrahlen mit Hilfe von thermofluoreszenten
Dosimeterelementen in einer Kombination mit Kadmium-und Zinnfiltern messen kann.
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Ein Dosimeter für Neutronenstrahlen, das thermofluoreszente Dosimeterelemente
verwendet, ist aus der japanischen Gebrauchsmusterschrift 51-94283 bekannt. Dieses
Neutronenstrahlendosimeter umfasst eine erste Dosimetereinheit aus einem thermofluoreszenten
Dosimeterelement, das sowohl für thermische Neutronenstrahlen als auch für Gammastrahlen
empfindlich ist, und aus einem Kadmium- und einem Zinnfilter, die jeweils auf der
Vorder- und der Rückseite des Dosimeterelementes angeordnet sind, eine zweite -simetereinheit.mit
demselben Auf--bau wie die erste Dosimetereinheit mit der Ausnahme, dass die Anordnung
des Kadmium- und des Zinnfilters umgekehrt ist,
und eine dritte
Dosimetereinheit, die aus einem thermofluoreszenten Dosimeterelement, das nur für
Gammastrahlen empfindlich ist, und aus Zinnfiltern besteht, die an der Vorderseite
und der Rückseite des Dosimeterelementes angeordnet sind, wobei die erste, die zweite
und die dritte Dosimetereinheit nebeneinander angeordnet sind. Dieses Dosimeter
liefert ausgezeichnete Ergebnisse und kann getrennt die Bestrahlungsdosen von thermischen
Neutronenstrahlen und schnellen Neutronenstrahlen messen. Dieses Dosimeter ist jedoch
nicht frei von dem Problem einer niedrigen Messgenauigkeit, da es keine Kompensation
bezüglich der Neutronenstrahlen eines Energiebandes durchführt, das über der Grenzenergie
des Kadmiumfilters liegt und einem thermofluoreszenten Dosimeterelement, das sowohl
für thermische Neutronenstrahlen als auch für Gammastrahlen hochempfindlich ist,
eine ausreichende Lichtemission verleiht,und da es gleichfalls keine Energieinformation
über die auftreffenden Neutronenstrahlen liefert.
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Beim Messen der persönlichen Gesamtbestrahlungsdosis von Neutronen
strahlen unter Verwendung eines Neutronenstrahlendosimeters ist es aus den folgenden
Gründen wichtig, eine Energie information über die auftreffenden Neutronenstrahlen
zu erhalten, um die Bestrahlung zu behandeln. Wenn ein thermofluoreszentes Isi6-Dosimeterelement
beispielsweise zum Ermitteln der Neutronenstrahlen verwandt wird, ist der Wirkungs-6
querschnitt von Li bezogen auf die Neutronenenergie nicht konstant, sondern nimmt
mit zunehmender Energie ab, wohingegen der Einfluss der Neutronen auf den menschlichen
Körper mit zunehmender Energie zunimmt. Es bestehen jedoch viele technische Schwierigkeiten,
eine Energieinformation über die auf treffenden Neutronenstrahlen zu erhalten.
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Bei dem gegenwärtig gebr-~lichen Verfahren der Eichung von Neutronendosimetern
wird zunächst ein Modell der Arbeitsatmosphäre,in der die Neutronenstrahlen auftreten,
gebildet,
wird anschliessend die Dosis in dem Modell des Arbeitsplatzes
unter Verwendung eines radioaktiven Indikators bestimmt, der die Strahlungsdosis
für den menschlichen Körper unabhängig von der Energieänderung der Neutronenstrahlen
anzeigen kann, erfolgt dann die Bestrahlung, wobei der benutzte radioaktive Indikator
durch das Neutronendosimeter ersetzt wird,und wird der Dosisumwandlungskoeffizient
des Neutronendosimeters aus dem in dieser Weise erhaltenen Messwert bestimmt. Da
jedoch davon ausgegangen wird, dass die Information über die Energie der Neutronenstrahlen
im überwachten Bereich die gleiche wie beim Modell der Arbeitsatmosphäre ist, ist
es notwendig, immer auf alle Faktoren zu-achten, die die Energie der Neutronenstrahlen
in der Arbeitsatmosphäre ändern könnten, damit der in dieser Weise erhaltene Dosisumwandlungskoeffizient
benutzt werden kann.
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Wie es oben beschrieben wurde, ist es jedoch bei einem herkömmlichen
Neutronendosimeter schwierig, eine Energieinformation über die Neutronenstrahlen
zu erhalten, da es u.a. unmöglich ist, den Einfluss der epithermischen Neutronenstrahlen
auf ein Auswertungselement für die Dosis der schnellen Neutronenstrahlen auszuschalten.
Der Einfluss der Änderung der Neutronenenergie in der Arbeitsatmosphäre auf die
Ermittlung der Strahlungsdosis wird im folgenden an einem Beispiel erläutert.
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Wenn die Neutronenenergie im überwachten Bereich kleiner als die Energie
im Modell wird, das bei der Rompensation verwandt wurde, besteht bei einem herkömmlichen
Dosimeter beispielsweise die Gefahr, dass eine Uberbestimmung auftritt, da das herkömmliche
Dosimeter die änderung nicht feststellt.
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Der Grund dafür liegt darin, dass der Wirkungsquerschnitt von Li6
mit abnehmender Neutronenenergie grösser wird, während die Stärke der Lichtemission
des thermofluoreszenten Dosimeterelementes zunimmt, so dass eine grössere Dosis
erscheint, wohingegen der Einfluss auf den menschlichen Körper sich auf die schwächere
Seite verschiebt. Wenn im Gegensatz dazu die
Energie grösser als
im Modell wird, besteht die Gefahr einer Unterbestimmung.
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Durch die Erfindung sollen die oben beschriebenen Schwierigkeiten
bei einem bekannten Dosimeter überwunden werden und soll ein Personenstrahlungsdosimeter
für Neutronenstrahlen geliefert werden, das getrennt und leicht die Strahlungsdosen
von thermischen Neutronenstrahlen, epithermischen Neutronenstrahlen und schnellen
Neutronenstrahlen messen kann, so dass eine Energieinformation über die Neutronenstrahlen
im überwachten Bereich erhalten werden kann und die Messgenauigkeit der Neutronenstrahlendosis
erhöht wird.
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Im folgenden wird anhand der-zugehörigen Zeichnung ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert: Fig. 1 zeigt das Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemässen Dosimeters in einer schematischen Ansicht.
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Fig. 2 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines
Beispiels der ersten Dosimetereinheit des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen
Personenstrahlungsdosimeters.
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Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, besteht das Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemässen Vorrichtung aus vier Dosimetereinheiten, d.h. aus einer ersten
bis vierten Dosimetereinheit, die nebeneinander angeordnet sind. Die erste Dosimetereinheit
I besteht aus einem Zinnfilter 11, einem thermofluoreszenten Dosimeterelement 21,
das sowohl für thermische Neutronenals auch für Gammastrahlen empfindlich ist, und
aus einem Kadmiumfilter 31, die in der angegebenen Reihenfolge angeordnet sind.
Bei der zweiten Dosimetereinheit II ist die relative Lage der Bestandteile der Anordnung
bei der ersten Dosimetereinheit I entgegengesetzt. D.h., dass das Kadmiumfilter
32,
das thermofluoreszente Dosimeterelement 22, das sowohl für thermische Neutronen-
als-auch für Gammastrahlen empfindlich ist, und das Zinnfilter 12 in dieser Reihenfolge
angeordnet sind. Die dritte Dosimetereinheit III besteht aus einem thermofluoreszenten
Dosimeterelement 23, das sowohl für thermische Neutronen- als auch für Gammastrahlen
empfindlich ist, sowie aus Kadmiumfiltern 33 und -34, die an der Vorderseite und
der Rückseite des Dosimeterelementes 23 angeordnet sind. Die vierte Dosimetereinheit
IV besteht aus einem thermofluoreszenten Dosimeterelement 44, das für Gammastrahlen
empfindlich ist,und aus Zinnfiltern 13 und 14, die an der Vorderseite und der Rückseite
des Dosimeterelementes 44 angeordnet sind.
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Als thermofluoreszente Dosimeterelemente 21, 22, 23, die sowohl für
thermische Neutronen- als auch für Gammastrahlen empfindlich sind, kann ein Gemisch
aus Li6F- und CaSO4 (Tm)-Pulvern beispielsweise verwandt werden. Wenn thermische
Neutronenstrahlen auf diese thermofluoreszenten Dosimeterelemente 21, 22 und 23
fallen, wird aufgrund der Li6(n,*G)H3 Reaktion des Li6 eine Thermofluoreszenz erhalten,
die proportional zur thermischen Neutronenfluenz ist. Der. Wirkungsquerschnitt von
Li6, bezogen auf thermische Neutronen, ist sehr gross und beträgt etwa 1000 Barn,
d.h. 10 21 cm2. D.h., dass dieses Material für thermische Neutronenstrahlen hochempfindlich
ist. Der Wirkungs-6 querschnitt von Li für schnelle Neutronen mit einer Energie
von beispielsweise 1 MeV ist jedoch extrem niedrig und beträgt nur 0,3 Barn, d.h.
0,3x10-24 cm2. Die Dosimeterelemente können daher als für schnelle Neutronen unempfindlich
angesehen werden.
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Als Element 44, das für Gammastrahlen empfindlich ist, kann ein Pulvergemisch
aus Li7F und CaSO4(Tm) beispielsweise verwandt werden. Dieses Element 44 wird zur
Kompensation der Gammastrahlen zur Zeit der Messung der Neutronenstrahlen verwandt.
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Fig. 2 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer
Dosimetereinheit, d.h. der ersten Dosimetereinheit I gemäss der Erfindung. Die erste
Dosimetereinheit I umfasst vertikal geteilte halbzylindrische Filtersegmente aus
Zinn 11 und Kadmium 31. Das thermofluoreszente Dosimeterelement 21 ist in dem hohlzylindrischen
Körper eingeschlossen, der von den halbzylindrischen Filtersegmenten 11 und 31 gebildet
wird. Die anderen Dosimetereinheiten II, III und IV haben denselben Aufbau. Dieser
Aufbau ermöglicht es, den Einfluss von Streustrahlungen und von aus querverlaufenden
Richtungen kommenden Strahlungen so klein wie möglich zu halten und dadurch die
Messgenauigkeit zu erhöhen.
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Die oben beschriebenen vier Dosimetereinheiten sind dblicherweise
im Gehäuse einer Plakette enthalten, so dass sich ein Personenstrahlungsdosimeter
für Neutronenstrahlen ergibt, das an die Brust einer der Strahlung ausgesetzten
Arbeitsperson geheftet wird. Nach der Benutzung über eine bestimmte Zeitdauer werden
die Dosimetereinheiten aus der Plakette einzeln herausgenommen, um die Thermofluoreszenz
jedes thermofluoreszenten Dosimeterelementes zu messen und seine Strahlungsdosis
zu berechnen.
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Im folgenden wird die Arbeitsweise eines in dieser Weise aufgebauten.
Personenstrahlungsdosime-rs für Neutronenstrahlen sowie die Art beschrieben, in
der das Dosimeter getrennt die Strahlungsdosen der verschiedenen Neutronenstrahlen
berechnet. Wenn ein Strahlungsgemisch aus Gammastrahlen , thermischen Neutronenstrahlen
nth, epithermischen Neutronenstrahlen nep und schnellen Neutronenstrahlen nf von
vorne auf das Personenstrahlungsdosimeter fällt, zeigt jedes der thermofluoreszenten
Dosimeterelemente 21, 22, 23, 44 eine jeweils andere Thermofluoreszenz.
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Wenn beispielsweise zuerst Gammastrahlen auf jede Dosimetereinheit
I, II, III und IV fallen, ergibt sich kein Unterschied in der Abschirmung der Gammastrahlen
zwischen den Zinnfiltern 11, 13 und den Kadmiumfiltern 32;und 33. Unter der Annahme,
dass die Stärke der Thermofluoreszenz jedes thermofluoreszenten Dosimeterelementes
21, 22, 23, 44 aufgrund des Beitrags der Gammastrahlen jeweils L1(z), L2(), L3(),
L4(r) ist, ergibt sich die folgende Beziehung L1 (γ) = L2 (γ) = L3 (γ)
= L4 (γ). ............ (1) Unter der Annahme, dass danach thermische Neutronenstrahlen
auffallen, so ergibt sich am thermofluoreszenten Dosimeterelement 21 eine Thermofluoreszenz
mit einer Stärke, die von den durch das Zinnfilter 11 hindurchgehenden thermischen
Neutronenstrahlen abhängt. Da das thermofluoreszenete Dosimeterelement 22-dabei
von dem Kadmiumfilter 32 überdeckt ist, ist es im wesentlichen für die auffallenden
Strahlen unempfindlich, wobei jedoch die thermischen Neutronenstrahlen, die vom
menschlichen Körper oder ähnlichem reflektiert werden, durch das Zinnfilter 12 gehen
und eine Thermofluoreszenz hervorrufen.
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Da das thermofluoreszente Dosimeterelement 23 sowohl an seiner Vorderseite
als auch seiner Rückseite durch Kadmiumfilter 33 und 34 abgeschirmt ist, tritt keine
Thermofluoreszent aufgrund der thermischen Neutronenstrahlen auf. Da das thermofluoreszente
Dosimeterelement 44 selbst für thermische Neutronenstrahlen unempfindlich ist, liefert
es keine Thermofluoreszenz.
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Wenn weiterhin epithermische Neutronenstrahlen auftreffen, tritt am
thermofluoreszenten Dosimeterelement 21 eine Thermofluoreszenz auf, die von den
durch das Zinnfilter 11 hindurchgehenden epithermischen . jronenstrahlen abhängt,
während am thermofluoreszenten Dosimeterelement 22 durch das Kadmiumfilter 32 hindurch.
und- aufgrund der epithermischen Neutronen,
die vom menschlichen
Körper oder ähnlichem reflektiert werden, durch das Zinnfilter 12 hindurch eine
Thermofluoreszenz auftritt. Obwohl am thermofluoreszenten Dosimeterelement 23 durch
das Kadmiumfilter hindurch eine Thermofluoreszenz auf tritt, ist am thermofluoreszenten
Dosimeterelement 44 keine Thermofluoreszenz festzustellen, da das Element 44 selbst
für epithermische Neutronenstrahlen unempfindlich ist.
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Wenn schliesslich schnelle Neutronenstrahlen auftreffen, dringen die
schnellen Neutronen durch die thermofluoreszenten Dosimeterelemente 21, 22, 23 hindurch,
ohne eine wesentliche Thermofluoreszenz hervorzurufen, da der Wirkungsquerschnitt
von Li6 dieser Elemente für schnelle Neutronenstrahlen klein ist, wie es im Vorhergehenden
beschrieben wurde. Da die schnellen Neutronenstrahlen durch den menschlichen Körper
oder ähnliches jedoch abgebremst und gestreut werden und in thermische Neutronenstrahlen
und epithermische Neutronenstrahlen umgewandelt werden, fällt eine reflektierte
Strahlungsmenge wiederum von der Rückseite auf die Elemente.
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Da in diesem Fall die thermofluoreszenten Dosimeterelemente 21, 23
durch die Kadmiumfilter 31 und 34 abgeschirmt sind, erzeugen sie eine Thermofluoreszenz
nur aufgrund des Anteils der epithermischen Neutronenstrahlen. Die am thermofluoreszenten
Dosimeterelement 22 auftretende Thermofluoreszenz beruht andererseits auf dem Anteil
der thermischen Neutronenstrahlen sowie der epithermischen Neutronenstrahlen, die
durch das Zinnfilter 12 hindurchgehen. Da jedoch das thermofluoreszente Dosimeterelement
44 auch für schnelle Neutronenstrahlen unempfindlich ist, tritt an diesem Element
keine Thermofluoreszenz auf.
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Es ist somit möglich, die Dosis jeder Neutronenstrahlung dadurch zu
bestimmen, dass die Stärke der Thermofluoreszenz des Kompensationselementes 44 für
Gammastrahlen von der Stärke
der Thermofluoreszenz der thermofluoreszenten
Dosimeterelemente 21, 22, 23 abgezogen wird. Die Gesamtstärke L1, L2, L3 und L4
der Thermofluoreszenz der thermofluoreszenten Dosimeterelemente 21, 22, 23 und 44
lässt sich die durch die folgenden Beziehungen ausdrücken: L1 = A11Dth + A12Dep
+ A13(E)Df + K#γ .......... (2) L2 - A211)th + A221)ep + A23(E)Df + K#γ
.......... (3) L3 = A32Dep + A33(E)Df + K#γ .................... (4) L4 =
K#γ .......................... (5) wobei.
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A11Dth = L(Dth) ......................... (6) A12Dep = L(Dep) ......................
(7) A13(E)Df = L(D'f-ep) ............... (8) A21Dth = L(D'th) .................
(9) A22Dep = L(Dep) + L(D'ep-th) .............. (10) A23(E)Df = L(D'f-ep) + L(D'f-th)
.............. (11) A32Dep = L(Dep) .................... (12) A33(E)Df = L(D'f-ep).
...................... (13)
Aus den Gleichungen (7) und (12) und
aus den Gleichungen (8) und (13) ergibt sich A12 = A32 ..........................
(14) A13(E)=At33(E) (15) wobei Li : Lichtemission des Elementes i (mRad) Df. : schnelle
Neutronendosis (mRem) Dep : epithermische Neutronendosis (mRem) Dth : thermische
Neutronendosis (mRem) : asz : Strahlungsdosis (mR) K : Empfindlichkeit jedes Elementes
für Gammastrahlen (mRad T /mR) Am1 : Empfindlichkeit des Detektors m für thermische
Neutronenstrahlen (mRad γ/mRem) Am2 : Empfindlichkeit des Detektors m für
epithermische Neutronenstrahlen (mRad r/mRem) Am3 : Empfindlichkeit des Detektors
m für schnelle Neutronenstrahlen (mRad t/mRem) D'f-ep: Äquivalentdosis aufgrund
des Anteils epithermischer Neutronen aus der Reflexion und Abbremsung der schnellen
Neutronenstrahlen durch den menschlichen Körper oder ähnliches D'f-th: Xquivalentdosis
aufgrund des Anteils thermischer Neutronen aus der Reflexion und Abbremsung der
schnellen Neutronenstrahlen durch den menschlichen Körper oder ähnliches D'ep-th:
Äquivalentdosis aufgrund der thermischen Neutronenstrahlen aus der Reflexion und
Abbremsung der epithermischen Neutronen durch den menschlichen Körper oder ähnliches
D'th
: Äquivalentdosis aufgrund der thermischen Neutronenstrahlen aus der Reflexion und
Abbremsung der thermischen Neutronen strahlen durch den menschlichen Körper oder
ähnliches L(Dn) : Lichtemission aufgrund des Anteiles-jeder Neutronenstrahlenart
Dn (mRad t).
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Die Stärken Q1' Q2 und Q3 der Thermofluoreszenz der thermofluoreszenten
Dosimeterelemente 21, 22, 23 nach Abzug des Anteils aufgrund der Gammastrahlen und
die Stärke der Thermofluoreszenz Q4 aufgrund der thermischen Neutronenstrahlen-
ergeben sich aus den folgenden Gleichungen: Q1=L1 - L4 = A11Dth+A12Dep + A13(E)Df...........
(16) Q2 = L2 - L4 = A2lDth + A22Dep + A23(E)Df (17) Q3 = L3 L4 = A32Dep + A33(E)Df
= A12Dep + A13(E)Df .............. (18) Q4=L1- L3= Ql- Q3= AllDth . ..... (19) Aus
Gleichung (19) ergibt sich die Strahlungsdosis Dth für thermische Neutronenstrahlen
als Q4 Dth = . ........................ (20) A11 Aus Gleichung (16) ergibt sich
die Äquivalentdosis Df für schnelle Neutronenstrahlen als:
Aus Gleichung (17) ergibt sich:
wobei
Durch Gleichsetzen der Ausdrücke in Gleichung (21) und Gleichung (22) ergibt sich
die Äquivalentdosis D der ep thermischen Neutronenstrahlen als:
A22 wobei ßep = . In diesem Fall geben ßth und ßep jeweils A12 die Albedoverhaltnisse
der thermischen Neutronenstrahlen und der epithermischen Neutronenstrahlen für den
menschlichen Körper wieder.
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Die Äquivalentdosis Df für schnelle Neutronenstrahlen kann aus den
Gleichungen (21) und (23) erhalten werden:
Aus den Gleichungen (20), (23) und (24) können schliesslich die Dosen für thermische
Neutronenstrahlen, epithermische Neutronenstrahlen und schnelle Neutronenstrahlen
für den menschlichen Körper erhalten werden, indem die Empfindlichkeiten Am1, Am2'
Am3 jedes thermofluoreszenten Elementes für Neutronenstrahlen bestimmt werden.
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Im folgenden wird dargestellt, wie die oben erwähnten Empfindlichkeiten
Am1, Am2 und Am3 bestimmt werden. Wenn das Personenstrahlungsdosimeter zunächst
nur mit einer gegebenen Strahlungsdosis thermischer Neutronenstrahlen bestrahlt
wird, lassen sich die Gesamtstärken der Thermofluoreszenz L1(Dth), L2 (Dth), L3(Dth)
und L4(Dth) der Elemente 21, 22, 23 und 44 durch die folgenden Gleichungen ausdrücken:
L1(Dth) = A11Dth L2(Dth) = A21Dth L3(Dth) = 0 L4(Dth) = 0 .
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Somit ist
Wenn anschliessend die Bestrahlung unter Verwendung von epithermischen Neutronenstrahlen
mit bekannter Dosis erfolgt, ergeben sich die Gesamtstärken der Thermofluoreszenz
der thermofluoreszenten Dosimeterelemente 21, 22, 23, 44 als: Ll(Dep)= A12Dep L2(Dep)
= A22Dep L3(Dep) = A32Dep L6Dep)=O Aus Gleichung (14) ergibt sich somit:
wobei vorausgesetzt wird, dass keiner der Werte A11, A21, A12, A22 und A32 von der
Neutronenenergie abhängt.
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Wenn weiterhin eine Bestrahlung nur durch schnelle Neutronenstrahlen
mit bekannter Dosis erfolgt, ergeben sich die Gesamtstärken der Thermoflu @ szenz
der thermofluoreszenten Dosimeterelemente als:
Ll(Df) = A13(E)Df
L2(Df) = A23(E)Df L3(Df) = A33 (E)Df L4(Df) O .
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Aus Gleichung (15) ergibt sich dann:
wobei vorausgesetzt wird, dass A13(E), A33tE) und A23(E) von der Energie der schnellen
Neutronenstrahlen abhängen.
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In dieser Weise ist es möglich, die Empfindlichkeit jedes thermofluoreszenten
Dosimeterelementes für Neutronenstrahlen zu bestimmen. Unter Verwendung der in dieser
Weise erhaltenen Empfindlichkeiten ist es auch möglich, die Dosen für thermische
Neutronenstrahlen, epithermische Neutronenstrahlen und schnelle Neutronenstrahlen
in der oben beschriebenen Weise zu ermitteln.
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Das erfindungsgemässe Personenstrahlungsdosimeter für Neutronenstrahlen
mit dem oben beschriebenen Aufbau ermöglicht eine leichte und getrennte Messung
der Strahlungsdosen für thermische Neutronenstrahlen, epithermische Neutronenstrahlen
und schnelle Neutronenstrahlen. Vom Standpunkt der Wechselbeziehung zwischen diesen
drei Arten von Neutronenstrahlungsdosen ist es auch möglich, eine Energieinformation
über die 1eutronenstrahlen im überwachten B@ ich zu erhalten. Da es somit möglich
ist, den Dosisumwandlungskoeffizienten zu verwenden, der der Energie der auftreffenden
Neutronenstrahlung entspricht,
ergibt sich eine bessere Messgenauigkeit
der Neutronenstrahlungsdosis, so dass die Auswertung der Strahlungsdosis genauer
erfolgen kann. Weiterhin können die für die Auswertung der Strahlungsdosis erforderliche
Arbeit und Zeit drastisch herabgesetzt werden, so dass es möglich ist, im industriellen
Masstab eine Anzahl von Personen zu überwachen.