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Thermolumineszens-Dosimeter, dessen Herstellung und Anwendung Diese
Erfindung betrifft ein Thermolumineszens-Dosimeter, dessen Herstellung und Anwendung.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein solches Dosimeter mit thermolumineszierendem
Material auf der Basis von Magnesiumborat oder Calciumsulfat.
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Die Entwicklung der Nukleartechnologie und die weit verbreitete Anwendung
von radioaktiven Strahlungsquellen in den verschiedensten Gebieten der Technik,
beispielsweise der Kernenergie für industrielle Zwecke, der Anwendung von Strahlungsquellen
in der Medizin, der Wissenschaft und im wehrtechnischen Bereich, sowie beim Bau
und Betrieb von Kernkraftwerken u. dgl. hat dazu geführt, daß eine große Anzahl
Menschen gegebenenfalls der Gefahr radioaktiver Strahlung ausgesetzt wird. Um gesundheitliche
Schäden zu vermeiden, ist es erforderlich, das Ausmaß der Strahlungsdosis zu überwachen,
welcher diese Personen ausgesetzt waren und sind.
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Deshalb geht mit der geschilderten Entwicklung eine Verbesserung bekannter
Dosimeter-System sowie die Entwicklung neuer und verbesserter Dosimeter-System und
entsprechender Verfahren zur genaueren Dosismessung einher. In jüngerer Zeit haben
sich thermolumineszierende Dosimeter als äußerst zweckmäßige Dosimeter-System für
die verschiedenen Gebiete der Strahlungsdosismessung erwiesen.
Die
zunehmende Entwicklung thermolumineszierender Substanzen und von Thermolumineszens-Dosimetern
hat zur gewerblichen Herstellung verschiedener Typen an Thermolumineszens-Dosimetern
geführt.
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Bei den z.Zt. im Gebrauch befindlichen Thermolumineszens-Dosimtern
absorbiert ein ausgewähltes Detektormaterial die radioaktive Strahlung und speichert
diese. Die gespeicherte Energie wird durch Erwärmung des Detektormaterials freigesetzt,
was zu einer bestimmten Lichtemission führt, deren Betrag der aufgenommenen Strahlungsdosis
entspricht. In Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren, beispielsweise dem Zusatz
von verschiedenen als Aktivatoren und Nicht-Aktivatoren dienenden Dotierstoffen
können verschiedene Detektormaterialien in der Form gesinterter Pellets oder in
kristalliner Form erhalten werden, welche unterschiedliche thermolumineszierende
Eigenschaften aufweisen, wie etwa unterschiedliche Empfindlichkeiten, unterschiedlicher
Verlauf der Glühkurven, verschiedene Schwundeigenschaften, Empfindlichkeit oder
Unempfindlichkeit gegenüber Neutronen u. dgl.
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Mit der vorliegenden Erfindung werden neue und verbesserte Thermolumineszens-Dosimeter
bereitgestellt. Die im Rahmen der Erfindung vorgenommenen Untersuchungen verschiedener
Detektormaterialien haben zu neuen Detektormaterialzusammensetzungen und zu einem
neuen Verfahren zur Herstellung solcher Detektoren fUr Thermolumineszens-Dosimeter
in der Form von gesinterten Scheiben geführt. Im einzelnen ist die Zusammensetzung
der neuen erfindungsgemäßen Detektormaterialien mit den Ansprüchen l bzw. 13 wiedergegeben.
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Die Maßnahmen zur Herstellung erfindungsgemäßer Detektormaterialien
ergeben
sich aus den Ansprüchen 10 bzw. 18.
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Anspruch 21 bringt eine besonders zweckmäßige Form der Anwendung der
neuen Detektormaterialien. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird thermolumineszierendes
Detektormaterial auf der Basis von Magnesiumborat MgO mob203 (mit 0< m c4) bereitgestellt,
das mit seltenen Erdmetallen nämlich Dysprosium (Dy), Thullium (Tm) und/oder Terbium
(Tb) aktiviert ist. Bezogen auf das Magnesiumborat beträgt der Aktivatoranteil etwa
0,1 bis 0,5 Gew-%. Die Aktivatormaterialien werden vorzugsweise in der Form von
Nitraten eingesetzt. Neben dem Aktivator wird noch ein Coaktivator zugesetzt, nämlich
Alkalimetalle, vorzugsweise Lithium, Natrium und/oder Kalium, sowie die Elemente
Blei und/oder Aluminium. Dieser Coaktivatoranteil macht vorzugsweise 0,1 bis 3 %
des Gewichtes an MgO-Mb203 aus. Diese Coaktivatoren werden in Form von Metallboraten
eingesetzt. Der Einfluß der Coaktivatoren besteht hauptsächlich darin, daß der Vorgang
der Obertragung der Anregungsenergie von einem Aktivator-Lumineszenszentrum auf
ein anderes Aktivator-Lumineszenszentrum beeinflußt wird.
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Nachstehend sind in tabellarischer Form verschiedene Beispiele erfindungsgemäßer
Detektormaterialzusammensetzungen auf der Basis von Magnesiumborat aufgeführt.
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Tabelle
| Beispiel Basis- Aktivator Coaktivator |
| material |
| Nr. 1 MgO.mB203 Dy Li |
| Nr. 2 MgO.mB203 Tm Li |
| Nr. 3 MgO*mB203 Tb Li |
| Nr. 4 Mg0.mB2O3 Dy Na |
| Nr. 5 MgO.mB203 Tm Na |
| Nr. 6 MgOZmB203 Dy Pb |
| Nr. 7 MgO-mB203 Tm Pb |
| Nr. 8 MgO.mB203 Dy Na, Al |
| Nr. 9 .MgO mB203 Dy PbX Al |
Gemäß den obigen Beispielen werden besonders wirksame Detektormaterialien dann erhalten5
wenn das Magnesiumborat (MgO.mB 203 mit O c m <4) im wesentlichen der stöchiometrischen
Zusammensetzung MgB407 entspricht. Ein solches Magnesiumborat wird daher bevorzugt
eingesetzt.
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Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Dektektormaterialien in Form
von gesinterten Preßkörpern, ist es zweckmäßig, den Ausgangsmaterialien zusätzlich
Siliciumdioxyd (SiO2) zuzusetzen, vorzugsweise werden etwa 2 Gew-% SiO2 zugesetzt.
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Im Rahmen der Erfindung ist festgestellt worden, daß der Zusatz des
Coaktivators die grundlegenden Eigenschaften des Detektormaterials gegenüber dem
Coaktivator-freien Detektormaterial wesentlich verändert. So weisen beispielsweise
die thermolumineszierenden Detektormaterialien gemäß den Beispielen 1, 2 und 3 eine
etwa vier- bis fünf-fach höhere Empfindlichkeit als die entsprechenden Magnesiumborate
auf, die lediglich mit Dysprosium, Thullium oder Terbium aktiviert sind; eine solche
Empfindlichkeit entspricht etwa der fünf- bis sieben-fachen Empfindlichkeit von
Lithiumflourid (LiF). Die thermolumineszierenden Materialien gemäß den Beispielen
4, 6 und 8 weisen etwa eine zwei- bis drei-fach höhere Empfindlichkeit als LiF auf;
die Besonderheit der zuletztgenannten Materialien (Beispiele 4, 6 und 8) liegt in
ihrem geringen Schwund bei höheren Temperaturen mit geringer Hintergrund-Störung;
d.h. man erreicht eine Stabilisierung der Einfangzentren des angeregten thermolumineszierenden
Materials. Solche thermolumineszierenden Materialien sind daher besonders zweckmäßig
für die Anwendung unter Bedingungen, wo erhöhte Temperaturen auftreten, beispielsweise
bei der klinischen Dosimetrie zur Bestimmung der absorbierten Strahlungsdosis in
Körperhöhlen bei der Strahlung therapie, sowie bei der Erfassung der Strahlungsdosis
unter Umweltbedingungen.
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Die erfindungsgemäß vorgesehenen Dektektormaterialien sind besonders
zweckmäßig für Thermolumineszens-Dosimeter, welche von Personen zur Ermittlung der
von Ihnen aufgenommenen Strahlungsdosis benutzt werden5
da die
für die fotoelektrische Absorption wirksame Atomzahl der Detektormaterialien nahe
der entsprechenden Atomzahl für Gewebe oder das Luftäquivalent liegt. Alle oben
aufgeführten, beispielhaften Detektormaterialien erfüllen diese Bedingung. Weiterhin
weisen diese beispielhaften Detektormaterialien eine einfache Glühkurve auf; eine
für diese Materialien respräsentative Glühkurve ist mit Fig. 1 wiedergegeben; ersichtlich
weist diese Kurve das vorherrschende Maximum bei Temperatur zwischen 200 und 2400
C auf.
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An diesen beispielhaften Detektormaterialien muß vor deren erneuter
Verwendung keine Wärmebehandlung durchgeführt werden. Diese beispielhaften Detektormaterialien
erlauben Dosismessungen von 1 mrad (105Gy).
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Beispiel 10: Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann
das Detektormaterial zusätzlich zu den aufgezählten Bestandteilen, namlich Basismaterial:
MgO.mB2O3 mit Oc m <4, insbesondere Mg407; Aktivator: Dy, Tm und/oder Tb; Coaktivator:
Li, Na, K, Pb und/oder Al noch eine kleine Menge Graphit enthalten. Gute Ergebnisse
werden beispielsweise mit einem Graphitanteil von ungefähr 4 Gew-% erzielt. Thermolumineszens-Dosimeter
mit diesem beispielhaften Detektormaterial eignen sich zur Dosis-Messung von Energie-armer
Beta-Strahlung.
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Beispiel 11: Bekanntlich weist das Borisotop 10B einen hohen Wirkungsquerschnitt
für thermische Neutronen auf, während das Isotop 11B einen vernachlässigbar kleinen
Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen aufweist.
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Davon ausgehend ist zur Realisierung einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung die zur Herstellung des Magnesiumborats oder der als Coaktivatoren
dienenden Metallborate erforderliche Borsäure (H3BO3) in einer mit dem 11B-Isotop
oder mit dem 10B-Isotop angereicherten Form eingesetzt worden, also in der Form
von H 311B0 oder H3l0BO3. In ähnlicher Weise ist das zur Erzeugung von Lithiumborat
dienende Lithiumcarbonat (Li2CO3) in einer mit dem Li-Isotop oder mit dem 6Li-Isotop
angereicherten Form eingesetzt worden. Auf diese Weise las sen sich erfindungsgemäße
Detektormaterialien herstellen, welche thermische Neutronen registrieren oder nicht.
Die gleichzeitige Verwendung solcher unterschiedlichen Detektormaterialien erlaubt
die Realisierung von sogenannten "Albedo-Dosimetern, welche die getrennte und gleichzeitige
Messung von Neutronen-Strahlungsdosen und Gamma-Strahlungsdosen erlauten.
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Das erfindungsgemäß vorgesehene Detektormaterial kann in Form polykristallinier
Dosimeterscheiben eingesetzt werden. Zur Herstellung wird dem pulverförmigen Ausgangsmaterial
eine geringe Menge (einige wenige Gew-%) Gleitmittel zugesetzt und dieses Pulvergemisch
in
die Form von Granulat mit einem Feuchtigkeitsgehalt bis zu 5 % gebracht. Dieses
Granulat wird in eine in der Pharmazeutik Ubliche Tablettenpresse eingebracht und
zu Tabletten gepreßt. Die erhaltenen Tabletten werden bei einer Temperatur uon etwa
8800 C gesintert. Die Sinterungsdauer bei dieser Temperatur kann vorzugsweise 1
h betragen.
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Thermolumineszierendes Detektormaterial auf der Basis von Calziumsulfat,
das mit den seltenen Erdmetallen Dysprosium oder Thullium aktiviert ist, stellt
eines der empfindlichsten thermolumineszierenden Materialien dar. Ein Thermolumineszens-Dosimeter
mit einem solchen Detektormaterial wäre höchst zweckmäßig für die Anwendung in der
Umgebung von Kernkraftwerken. Bislang ist es jedoch noch nicht gelungen, dieses
Detektormaterial in fester Form herzustellen, ohne die charakteristischen Eigenschaften
der Thermolumineszens-Leuchtstoffe CaSO 4:Dy/(Tm) zu ändern. Trotz vieler Vorschläge
zur Lösung dieses Problems ist es bislang nicht gelungen, ein geeignetes festes
Detektormaterial aus diesen Komponenten bereitzustellen, dessen Empfindlichkeit
und dessen Form der Glühkurve dem pulverförmigen Material CaSO4:Dy/(Tm) entspricht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung konnte dieses Problem gelöst werden; d.h. mit
der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung besonderer gesinteter Thermolumineszens-Detektormaterialien
auf der Basis von CaSO4 angegeben, welches mit Dy oder Tm aktiviert ist.
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Auch in diesem Falle konnte das Problem durch Zur gabe bestimmter
als Coaktivatoren dienender Dotierstoffe gelöst werden. Das Gemisch aus pulverförmigen
CaSO4 Dy oder Tm und ausgewähltem Coaktivator läßt sich zu Tabletten pressen, aus
denen nach Sinterung Sinterscheibchen erhalten werden. Die Wirkung des Coaktivators
auf der Basis eines Metallborates besteht darin, daß im Verlauf der Sinterung die
Empfindlichkeit des thermolumineszierendes Pulvers nicht ausgelöscht wird.
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Für diese Ausführungsform der Erfindung kommen die nachstehenden Komponenten
in Betracht: Basismaterial: Kalziumsulfat (CaSO4); Aktivator: Dysprosium (Dy) oder
Thullium (Tm), welche in Form ihrer Nitrate eingesetzt werden; Coaktivator: ein
Gemisch der Borate von Kalzium (Ca), Magnesium (Mg) und/oder Aluminium (Al); dieser
Coaktivator-Anteil kann 10 bis 30 Gew-% ausmachen. Weiterhin kann als Coaktivator
ein Gemisch aus Borsäure (10 bis 30 Gew-%) und Aluminiumoxyd (bis zu 10 Gew-%) verwendet
werden.
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In diesem Pulvergemisch hat der Coaktivator wenigstens zwei Funktionen:
Zum einen wirkt das Bor in der Borverbindung als Coaktivator und die Empfindlichkeit
steigerndes Mittel; weiterhin wirkt die Borverbindung als
Bindemittel
und ergibt eine glatte, weiße Tablette.
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Sinterkörper aus Ca04/ Dy und den genannten Coaktivatoren oder Sinterkörper
aus Ca04/ Tm und den genannten Coaktivatoren weisen die nämlichen Empfindlichkeiten
und die gleiche Form der Glühkurve auf, wie die entsprechenden pulverförmigen Materialien.
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Mit Fig. 2 ist eine reprasentative Glühkurve für solche Detektormaterialien
auf der Basis von CaS04 wiedergegeben. Die gesinterten Detektormaterialien sind
nicht hygroskopisch, besitzen gute mechanische Beständigkeit, zeigen lediglich einen
vernachlässigbaren Schwund, sind nicht lichtempfindlich und weisen etwa die zwanzigfach
größere Empfindlichkeit auf, als eine gleiche Menge LiF. Diese gesinterten Detektormaterialien
erlauben die Messung von Strahlungsdosen von ungefähr 0,5 mrad (5 x 106Gy).
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Die Anwendung der erfindungsgemäßen thermoluminesziehenden Detektormaterialien
auf der Basis von Magnesiumborat oder Calziumsulfat kann in einfacher Form erfolgen.
Beispielsweise sieht man dünne, kartenförmige Aluminiumplatten mit einer Stärke
von etwa 1 mm vor, in welche zwei oder drei durchgehende Löcher mit einem Durchmesser
von etwa 10 mm gebohrt werden. In diesen Löchern werden die thermolumineszierenden
Scheibchen befestigt. Zur Befestigung kann ein druckempfindliches Klebeband dienen,
beispielsweise Klebeband der Sorte 2245-2 oder 2045-3, das eine Hauptfläche der
Scheibchen bedeckt und mit den überstehenden Abschnitten an der Aluminiumplatte
anliegt. Die gegenüberliegende Hauptfläche der Scheibchen
wird
mit einer durchsichtigen Folie aus Fluorpolymerisat bedeckt und geschützt. Als Fluorpolymerisate
kommen beispielsweise Polytetrafluoräthylen oder Fluoräthylen-Copolymerisat in Betracht,
wie sie unter der Handelsbezeichnung "Teflon" bekannt sind.
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Eine solche Fluorpolymerisat-Folie erlaubt die ungeschwächte Lichtausstrahlung
im Verlauf der Erwärmung der Thermolumineszens-Dosimeter auf eine Temperatur von
etwa 3400 C. Auf diese Weise kann die automatische Bestimmung der vom Thermolumineszens-Dosimeter
aufgenommenen Strahlungsdosis erfolgen, indem wie dargelegt, die thermolumineszierenden
Sinterkörper auf einfache und preiswerte Weise an den Thermolumineszens-Dosimeter-Karten
befestigt werden.
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