DE4213381A1

DE4213381A1 - Beta-szintillations-sonde

Info

Publication number: DE4213381A1
Application number: DE4213381A
Authority: DE
Inventors: Joseph G Bellian; Charles R Hurlbut
Original assignee: Bicron Corp
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1991-05-06
Filing date: 1992-04-23
Publication date: 1992-11-12
Anticipated expiration: 2012-04-24
Also published as: DE4213381C2; US5087818A; FR2676283B1; FR2676283A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Szintillations-Sonde zum Messen von Betastrahlungs-Intensitäten. Insbesondere minimiert die vorliegende Erfindung die Einflüsse höher energetischer Teilchen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen auf die Messung.

Die Beta-Hautgewebedosis wird durch das Nationale Strahlenschutzkomitee als die Dosis auf eine dünne Schicht basalen, epithelialen Gewebes einer durchschnittlichen Tiefe von 7 mg/cm² oder alternativ, durch die Internationale Strahlenschutzkommission als die Dosis auf eine Hautschicht zwischen 5 mg/cm² und 10 mg/cm², definiert.

Es ist bekannt, dünne Szintillatoren oder Leuchtstoffe durch aluminisierte Dupont MYLAR-Fenster abzudecken und so eine hautäquivalente Struktur zum Erfassen von Betateilchen bereitzustellen. Der Szintillator ist mit einem Sekundärelektronenvervielfacher (Photomultiplier) über einen gewebeäquivalenten Lichtleiter verbunden. Eine derartige Vorrichtung ist in Martz et al, Field Tests of a Portable Tissue Equivalent Survey Meter for Monitoring Mixed Beta/Gamma Radiation Fields, Office of Nuclear Regulatory Research, Division of Radiation Programs and Earth Sciences, U.S. Nuclear Regulatory Commission, NUREG/CR-4553, EGG-2448, May 1986, beschrieben, auf welcher hier in ihrer Gesamtheit Bezug genommen wird.

Leider beinhaltet das Ausgangssignal des Sekundärelektronenvervielfachers dieser bekannten Vorrichtung nicht nur die hautäquivalente Betastrahlungs-Intensität, sondern auch die Cerenkov-Strahlung höher energetischer Teilchen und Elektronen, welche in der Kathode des Sekundärelektronenvervielfachers unmittelbar durch Röntgenstrahlen und Gammastrahlen erzeugt wird.

Da die Cerenkov-Strahlung und die Gammastrahlungs- und Röntgenstrahlungskomponenten charakteristischerweise niedrige Impulsformen aufweisen, können verfeinerte elektronische Hochgeschwindigkeits-Vorrichtungen dazu verwendet werden, ihren Beitrag auf elektronischem Wege zu entfernen. Derartige elektronische Vorrichtungen erhöhen jedoch ganz wesentlich die Komplexizität und Kosten einer derartigen Vorrichtung.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Beta-Szintillations-Sonde zur Verfügung, welche die Cerenkov-Strahlung, die Gammastrahlungs- und Röntgenstrahlungskomponenten unmittelbar in der Sonde entfernt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit komplizierter und teuerer Hochgeschwindigkeits-Impulsfilter-Schaltkreise.

Die Sonde umfaßt ein lichtundurchlässiges Fenster und einen Leuchtstoff, welcher mit dem Fenster in Verbindung steht. Das Fenster und der Leuchtstoff bilden zusammen eine hautäquivalente Struktur zwischen 5 mg/cm² und 10 mg/cm². Der Leuchtstoff ist so ausgelegt, daß er in Anwesenheit von Betateilchen in einer Wellenlänge leuchtet, welche sich von der Wellenlänge des Cerenkov-Strahlungsanteiler unterscheidet.

Die Sonde umfaßt weiterhin einen mit dem Leuchtstoff in Verbindung stehenden Lichtleiter. Dieser Lichtleiter leitet das Licht von dem Leuchtstoff zu einem optischen Filter. Dieser Filter ist so ausgelegt, daß er Licht in der Wellenlänge des Cerenkov-Strahlungsanteiles unterdrückt.

Eine Lichterkennungsvorrichtung erkennt das gefilterte Licht aus dem Filter und erzeugt ein elektrisches Signal, welches der Betastrahlungs- Intensität entspricht.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fenster aus zumindest einer Lage einer aluminisierten Polyestermembran gebildet.

In einer weiteren Ausführungsform wird ein Leuchtstoff verwendet, welcher grünes Licht beim Auftreffen von Betateilchen erzeugt. Beispielsweise kann ein Bicron Corporation BC-428 Leuchtstoff mit einer Dicke von ungefähr 0,05 mm verwendet werden. Der Filter kann beispielsweise ein Eastman Kodak Company WRATTEN #3 Filter oder ein äquivalenter Filter mit einer Grenzwellenlänge von 455 nm sein.

Eine weitere Ausführungsform umfaßt einen Leuchtstoff, welcher beim Auftreffen von Betateilchen oranges Licht erzeugt. Beispielsweise kann ein Bicron Corporation BC-430 Leuchtstoff mit einer Dicke von ungefähr 0,05 mm verwendet werden. Der Filter kann beispielsweise ein Eastman Kodak Company WRATTEN Filter #12 oder ein äquivalenter Filter mit einer Grenzwellenlänge von 515 nm sein.

In einer Ausführungsform besteht der Lichtleiter aus einem Kunststoff, welcher für die Betateilchen-Szintillationen aus dem Leuchtstoff durchlässig ist, jedoch das ultraviolette Licht absorbiert. Wenn ein Lichtleiter verwendet wird, welcher das nicht-ultraviolette Licht absorbiert, wird ein zusätzlicher Filter zwischen dem Leuchtstoff und dem Lichtleiter verwendet.

Falls eine Lichterkennungsvorrichtung wie z. B. eine Sekundärelektronenvervielfacherröhre verwendet wird, muß der Lichtleiter lang genug ausgelegt werden, um den Anteil der Gammastrahlen und Röntgenstrahlen, welche auf die Kathode des Sekundärelektronenvervielfachers treffen, auf einen geeigneten Wert zu reduzieren. Zustätzlich kann ein Abschnitt des Lichtleiters aus einem Bleiglas hergestellt sein, um die Gamma- und Röntgenstrahlen zu absorbieren. Weiterhin kann die Sonde einen lichtundurchlässigen Ring mit einer coaxialen Bohrung, umfassen, welche den Leuchtstoff und den Lichtleiter enthält. Ein Teil des Ringes kann aus Blei gefertigt sein, um die Sonde zusätzlich abzuschirmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, welche folgendes zeigt:

Fig. 1 ist eine Seiten-Teilschnittdarstellung der Beta- Szintillations-Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine Unteransicht der Sonde aus Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Teilschnittansicht der Sonde aus Fig. 1 in vergrößerter Darstellung.

Fig. 4 ist eine Teilschnittansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 ist eine Teilschnittansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 6 ist eine Teilschnittansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung.

Eine Beta-Szintillations-Sonde 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Eine Sekundärelektronenvervielfacherröhre 12 ist in einem leichten Gehäuse bzw. einer Abschirmung 14 untergebracht. Die Röhre 12 ist mit nicht dargestellten elektronischen Meß- und Stromversorgungsvorrichtungen über einen BNC-Stecker 16 verbunden. Die Röhre 12 kann z. B. einen Durchmesser von 2,9 cm und eine Länge von 10,8 cm aufweisen. In der bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Röhre 12 eine Wicklung aus zwei Lagen einer µ-Metall-Abschirmung.

Die Stirnfläche 18 der Röhre 12 weist drei im gleichen Abstand voneinander angeordnete Distanzstücke 20 auf, welche um ihren Umfang geklebt sind. Die Distanzstücke 20 können beispielsweise aus einem 0,25 mm dicken Kunststoff bestehen.

Ein Leuchtstoff 22 ist an einem Ende des Lichtleiters 24 mit diesem verklebt. Der Lichtleiter 24 und der Leuchtstoff 22 haben beispielsweise einen zylindrischen Querschnitt von 1 cm². Dadurch weist die Sonde einen großen Sichtwinkel auf. Der Klebstoff kann Epoxydharz wie Bicron Corporation BC-620 sein.

Der Lichtleiter 24 kann beispielsweise aus Methylmetacrylatkunststoff wie Dupont LUCITE sein. Gammastrahlen und Röntgenstrahlen, welche in den Lichtleiter 24 eintreten, verlieren mit dem Quadrat der zurückgelegten Entfernung an Intensität. Es hat sich gezeigt, daß ein Lichtleiter 24 von ungefähr 10,2 cm Länge eine ausreichende Isolation der Sekundärelektronenvervielfältigerröhre 12 vor Gammastrahlen und Röntgenstrahlen darstellt, wodurch auch eine Sonde von annehmbarer Länge erzielt wird. Alternativ kann ein optischer Spiegel oder ein Prisma in dem Lichtpfad verwendet werden, wobei die Gammastrahlen und Röntgenstrahlen sich weiterhin entlang einem geraden Weg fortbewegen.

Die in dem Lichtleiter 24 erzeugte Cerenkov-Strahlung liegt hauptsächlich im ultravioletten Bereich. Um die Eliminierung der Cerenkov-Strahlung zu unterstützen, kann der Lichtleiter 24 ultraviolettes Licht absorbierend ausgebildet sein.

Um das aus dem Leuchtstoff 22 austretende Licht von der Cerenkov-Strahlung zu unterscheiden, wird ein Leuchtstoff 22 verwendet, der in einer Wellenlänge strahlt, welche sich von der Wellenlänge der Cerenkov-Strahlung unterscheidet. Beispielsweise kann ein grüner Leuchtstoff (z. B. Bicron Corporation BC-428 Leuchtstoff) oder ein oranger Leuchtstoff (z. B. Bicron Corporation BC-430) verwendet werden.

Die aus dem Lichtleiter 24 und dem Leuchtstoff 22 bestehende Baugruppe kann beispielsweise mit einer lichtundurchlässigen Farbe gestrichen sein, jedoch mit Ausnahme des dem Leuchtstoff 22 gegenüberliegenden Endes des Lichtleiters 24. Diese Farbe kann beispielsweise Bicron Corporation BC-620 sein.

Die aus dem Lichtleiter 24 und dem Leuchtstoff 22 bestehende Baugruppe kann beispielsweise auch mit einem lichtundurchlässigen Kunststoffring 26 verklebt sein, welcher einen Innendurchmesser aufweist, der mit der Baugruppe zusammenpaßt und der einen Außendurchmesser von beispielsweise 2,9 cm aufweist. Der Leuchtstoff 22 liegt an der Oberfläche des einen Endes des Ringes 26 und das ungestrichene Ende des Lichtleiters 24 liegt an dem anderen Ende des Ringes 26 an. Der Ring 26 kann beispielsweise aus schwarzem Dupont LUCITE bestehen.

Der Ring 26 bewirkt eine Rückstreuung, welche der Rückstreuung der umgebenden Muskelfasern entspricht und stellt so das notwendige Elektronengleichgewicht her.

Drei im gleichen Abstand angeordnete Distanzstücke 28 sind um den Umfang des einen Endes des Ringes 26 so nahe wie möglich zu der Röhre 12 verklebt. Des weiteren sind drei im gleichen Abstand angeordnete Distanzstücke 30 um den Umfang des einen Endes des Ringes 26 verklebt. Die Distanzstücke 28 und 30 können beispielsweise aus einem 0,25 mm dicken Kunststoff bestehen.

Ein Filter 32 ist zwischen den Distanzstücken 20 und den Distanzstücken 28 angeordnet. Der Filter 32 kann in seiner Lage mit einem Klebstoff wie z. B. Silikonkautschuk gesichert werden. Der Filter 32 ist so ausgewählt, daß er die Cerenkov-Strahlung herausfiltert, jedoch das von dem Leuchtstoff 22 ausgesandte Licht durchläßt. Beispielsweise kann ein Eastman Kodak Company WRATTEN Filter #3 für einen BC-428 Leuchtstoff oder ein WRATTEN #7 für einen BC-428 Leuchtstoff verwendet werden. Im allgemeinen sollte der Filter 32 zumindest blaues Licht und solches kürzerer Wellenlänge zurückhalten. Der Filter 32 kann beispielsweise 2,8 cm Durchmesser aufweisen.

Ein Fenster 34 ist mit einem Fensterring 36 verklebt, welcher wiederum mit einer Endkappe 38 verklebt ist. Die Endkappe 38 umfaßt das Fenster 34 und den Fensterring 36 und ist mit dem Ende des Gehäuses 14 verklebt. Das Fenster 34 liegt an den Distanzstücken 30 an. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Fensterring 36 und die Endkappe 38 aus Kunststoff gebildet.

Das Fenster 34 kann vorteilhafterweise aus fünf Lagen einer aluminisierten Polyestermembran wie z. B. Polyethylenterephtalat (z. B. Dupont MYLAR) gebildet sein. Jede Schicht der Membran kann beispielsweise einen Durchmesser von 2,9 cm und eine Dicke aufweisen, welche äquivalent zu einer Tiefe von 0,96 mg/cm² ist. Die Aluminiumbeschichtung macht das Fenster 34 lichtundurchlässig und bewirkt eine elektrische Abschirmung.

Um eine hautäquivalente Struktur zu bilden, sollten der Leuchtstoff 22 und das Fenster 34 eine kombinierte Tiefe zwischen 5 mg/cm² und 10 mg/cm² aufweisen. Um zumindest ein Äquivalent von 9 mg/cm² zu erreichen, muß der Leuchtstoff 22 aus Bicron Corporation BC-428 Material eine Dicke von 5 mg/cm² (d. h. 0,05 mm) aufweisen, wenn dieser mit einem Fenster 34 aus fünf Lagen von 0,96 mg/cm² MYLAR verwendet wird.

Während des Betriebes passieren die Betateilchen das Fenster 34 und geben ihre Energie an den Leuchtstoff 22 ab. Die Energie dieser Teilchen veranlaßt, den Leuchtstoff 22 zur Abgabe von Licht einer Wellenlänge (z. B. grün), welche sich von der Wellenlänge der Cerenkov-Strahlung (z. B. blau bis ultraviolett) unterscheidet.

Das von dem Leuchtstoff 22 ausgesandte Licht breitet sich durch den Lichtleiter 24 bis zum Filter 32 aus. Das von dem Leuchtstoff 22 ausgesandte Licht tritt dann in die Stirnfläche 18 der Röhre 12 ein und erzeugt dort ein elektrisches Signal, welches für das in die Röhre 12 eintretende Licht kennzeichnend ist.

Die in dem Lichtleiter 24 durch höher energetische Teilchen und Photonen erzeugte Cerenkov-Strahlung wird zum Teil von der das ultraviolette Licht absorbierenden Charakteristik des Lichtleiters 24 absorbiert. Die verbleibende Cerenkov-Strahlung wird durch den Filter 32 absorbiert. Die in den Lichtleiter 24 eintretenden Gammastrahlen und Röntgenstrahlen werden vor dem Auftreffen auf die Kathode der Röhre 12 auf einen geeigneten Betrag gedämpft. Der Lichtleiter 24 dient dazu, sowohl die Rückstreuung bereitzustellen, welche äquivalent der Rückstreuung des tieferen Gewebes ist, als auch um die Stromstärke zu minimieren, welche in der Röhre 12 unmittelbar durch höher ernergetische Teilchen, Gammastrahlen und Röntgenstrahlen erzeugt wird.

Da die Cerenkov-Strahlung vor der Messung durch die Röhre 12 entfernt wird und da der durch Gammastrahlen und Röntgenstrahlen direkt erzeugte Strom minimiert wird, ist es nicht notwendig, elektronische lmpulsfilter einzusetzen, um das elektrische Signal der Röhre 12 zu verarbeiten. Anstelle dessen ermöglicht das elektrische Ausgangssignal der Röhre 12 eine direkte Messung der erfaßten Betateilchen. Beispielsweise kann die Betastrahlungs-Intensität mit der Sonde 10 und einem Schaltkreis gemäß US-Patent 48 80 981 gemessen werden, auf welche hier in ihrer Gesamtheit Bezug genommen wird.

In Abb. 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Beta-Szintillations-Sonde 10′ gemäß der vorliegenden Erfindung abgebildet.

Der Lichtleiter 24′ ist aus einem nicht-ultraviolette Strahlung absorbierenden Kunststoff, z. B. Dupont LUCITE, ohne irgendwelche ultraviolette Strahlung absorbierende Additive hergestellt.

Zusätzlich zu dem Filter 32 ist ein weiterer Filter 40 (z. B. ein Eastman Kodak Company WRATTEN Filter #3) zwischen dem Leuchtstoff 22 und dem Lichtleiter 24 angebracht. Der Leuchtstoff 22 und der Filter 40 können miteinander und mit dem Lichtleiter 24 verklebt sein. Der Klebstoff kann beispielsweise ein Epoxydharz wie Bicron Corporation BC-620 sein.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform einer Beta-Szintillations-Sonde 10′′ gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Sonde 10′′ ist ähnlich wie die in Fig. 1 bis 3 gezeigte Sonde 10 aufgebaut, außer daß der lichtundurchlässige Kunststoffring 26′ in der Länge gekürzt (z. B. 2,93 cm) und der Rest des Lichtleiters 24 von einem Metallring 42 umgeben ist, welcher vorzugsweise aus Blei oder einer Bleilegierung besteht. Diese Konstruktion stellt eine gewebeäquivalente Struktur bestehend aus dem Fenster 34 und dem Leuchtstoff 22, ein muskelgewebeähnliches Rückstreuvermögen des Kunststoffringes 26′ und die Abschirmung des Lichtleiters 24 und der Sekundärelektronenvervielfacherröhre 12 durch den Metallring 42 bereit, um die Effekte zu minimieren, die durch höher energetische Röntgenstrahlen und Gammastrahlen hervorgerufen werden, welche in die Sonde 10′′ quer zu der Achse des Lichtleiters 24 eintreten.

In Fig. 6 ist eine Beta-Szintillations-Sonde 10′′′ ähnlich der Sonde 10′′ der Fig. 5 dargestellt. In der Sonde 10′′′ ist ein Lichtleiter 24′′ aus einem ultraviolette Strahlung absorbierenden Kunststoff mit einer Länge von beispielsweise 2,93 cm und einem damit verbundenen Bleiglas 44 mit einer Länge von beispielsweise 6,15 cm, welches beispielsweise SF-1 Schott Optisches Glas sein kann, gebildet. Diese Anordnung ermöglicht die Minimierung des direkten Einflusses von Gamma- und Röntgenstrahlen auf die Sekundärelektronenvervielfacherröhre 12, welche in die Sonde 10′′′ in axialer Richtung eintreten. Das Bleiglas 44 absorbiert die unerwünschten Röntgen- und Gammastrahlen und läßt das von dem Leuchtstoff 22 ausgesandte Licht zu dem Sekundärelektronenvervielfältiger 12 hindurchtreten.

Claims

1. Beta-Szintillations-Sonde, welche, den Anteil der Cerenkov-Strahlung zurückhält, wobei die Sonde (10; 10′; 10′′; 10′′′) folgendes umfaßt:
Ein lichtundurchlässiges Fenster (34);
einen mit dem Fenster (34) in Verbindung stehenden Leuchtstoff (22), wobei das Fenster (34) und der Leuchtstoff (22) zusammen eine hautgewebeähnliche Struktur zwischen 5 mg/cm² und 10 mg/cm² bilden und wobei der Leuchtstoff (22) so ausgelegt ist, daß er in Abwesenheit von Betateilchen in einer Wellenlänge leuchtet, welche sich von der Wellenlänge des Cerenkov-Strahlungsanteiles unterscheidet;
einen Lichtleiter (24; 24′; 24′′), der so ausgelegt ist, daß er einen Lichtpfad für Licht aus dem Leuchtstoff (22) bereitstellt;
mindestens einen optischen Filter (32; 40), der so ausgelegt ist, daß er Licht in einer Wellenlänge des Cerenkov-Strahlungsanteiles in dem Lichtpfad zurückhält;
eine Lichterkennungsvorrichtung (12) in dem Lichtpfad, welche ein elektrisches Signal erzeugt, das die in das Fenster (34) eintretenden Betateilchen repräsentiert.

2. Sonde gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (34) wenigstens eine Lage einer aluminisierten Polyestermembran umfaßt.

3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstoff (22) beim Auftreffen von Betateilchen grünes Licht erzeugt.

4. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstoff (22) ein Bicron Corporation BC-428 Leuchtstoff mit einer Dicke von ungefähr 0,05 mm ist.

5. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstoff (22) beim Auftreffen von Betateilchen oranges Licht erzeugt.

6. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstoff (22) ein Bicron Corporation BC-430 Leuchtstoff mit einer Dicke von ungefähr 0,05 mm ist.

7. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Filter (32; 40) vorgesehen ist, der einem Eastman Kodak Company WRATTEN Filter #3 entspricht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Filter (32; 40) vorgesehen ist, der einem Eastman Kodak Company WRATTEN Filter ¢12 entspricht.

9. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (22) aus einem Kunststoff besteht, welcher für die Szintillationen des Leuchtstoffes (22) durchlässig, jedoch für ultraviolettes Licht undurchlässig ist.

10. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (24; 24′, 24′′) einen Kunststoffabschnitt (24′′), welcher für die Szintillationen des Leuchtstoffes (22) durchlässig, jedoch ultraviolettes Licht absorbiert, und einen Bleiglasabschnitt (44) aufweist.

11. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein lichtundurchlässiger Ring (26, 26′) mit einer Bohrung vorgesehen ist, wobei die Bohrung coaxial den Leuchtstoff (22) und den Lichtleiter (24; 24′; 24′′) aufnimmt.

12. Sonde nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtundurchlässige Ring (26; 26′) einen Kunststoffabschnitt (26′) und einen Metallabschnitt (42) umfaßt.

13. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichet, daß zumindest ein Filter (32; 40) zwischen dem Lichtleiter (24; 24′, 24′′) und der Lichterkennungsvorrichtung (12) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Filter (32; 40) zwischen dem Leuchtstoff (22) und dem Lichtableiter (24; 24′; 24′′) angeordnet ist.