DE69016038T2

DE69016038T2 - Verfahren zur bestimmung der strahlungsdosis unter verwendung von thermolumineszentem material.

Info

Publication number: DE69016038T2
Application number: DE69016038T
Authority: DE
Inventors: Fred N. Kennewick Wa 99336 Eichner; Joseph C. Pasco Wa 99301 Mcdonald; Steven D. Richland Wa 99352 Miller; Paul L. West Richland Wa 99352 Tomeraasen
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1989-10-11
Filing date: 1990-10-09
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2010-10-10
Also published as: CA2065332A1; EP0495890B1; WO1991006015A3; DE69016038D1; ES2067049T3; ATE117091T1; US5025159A; WO1991006015A2; RU2119177C1; CA2065332C; EP0495890A1; JP2886338B2; JPH05501010A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Strahlungsdosis unter Verwendung von thermolumineszentem Material sowie auf eine Vorrichtung zum Auslesen der Strahlungsdosis, welcher ein Feststoff-Thermolumineszenz-Dosimeter ausgesetzt wurde.
Dosimeter, welche thermolumineszente Materialien verwenden, werden seit vielen Jahren in großem Ausmaß verwendet.
Die US-A 3 835 329 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung des Flußes von schnellen Neutronen in einem Feld gemischter Strahlung durch Aussetzen eines thermolumineszenten Phosphors an dieses Feld und ein anschließendes Ausheilen des Phosphors bei hohen Temperaturen, typischerweise 500 ºC, um metastabile, durch Gamma-Strahlung induzierte Elektronenzustände (oder "Fallen") zu entfernen, um dadurch eine nachfolgende Messung von Fallen zu ermöglichen, welche durch einen Radionukleotid-Zerfall im Phosphor hervorgerufen werden, welcher mit einem Neutronenfluß in Beziehung gesetzt werden werden kann.
Die US-A 4 044 405 offenbart eine Heißpreßform zum Verarbeiten von Scheiben von pulverförmigem thermolumineszenten Phosphor, welcher in einer wasserstoffhaltigen Kunststoffmatrix eingebettet ist. Diese Scheiben können am Körper einer Person getragen werden, deren Strahlungsdosis (Gamma und schnelle Neutronen) gemessen werden soll. Die in diesen Vorrichtungen verwendeten, thermolumineszenten Materialien sind kristalline Verbindungen, welche Verunreinigungen und Strukturfehler verschiedenster Art, wie etwa fehlende Atome oder Ionen und Bereiche einer Falschausrichtung zwischen den Ebenen ihrer Kristallgitter, aufweisen. Einige dieser Fehler besitzen die Fähigkeit, Elektronen und/oder Löcher in angeregten Zuständen der Art, wie sie durch ein Aussetzen an ionisierende Strahlungen, wie etwa Gamma- oder Beta-Strahlung erzeugt werden, zu fangen oder zu "fixieren". Die Stärke, mit welcher die Elektronen und Löcher durch diese Fallen gebunden sind, hängt von der Natur der Falle und ihrer Tiefe ab.
Fallen werden üblicherweise durch ihre thermische Energie charakterisiert, wobei dies die Temperatur ist, auf welche das thermolumineszente Material erhitzt werden muß, um die Freigabe der von den Fallen gehaltenen Ladungen sicherzustellen. Wenn diese Ladungen freigegeben werden, tritt üblicherweise Lumineszenz auf. Die ausgesandten Lichtquanten können photometrisch bestimmt werden und zur Aussetzung an die Strahlung in bezug gebracht werden. Deshalb werden Dosimeter, welche thermolumineszente Materialien enthalten, üblicherweise durch ein Aufheizen auf etwa 533 K ausgelesen, während die Intensität des von dem Material abgestrahlten Lichtes in Form einer "Glühkurve" aufgezeichnet wird, deren Größe für die vom Dosimeter absorbierte Menge an ionisierender Strahlung repräsentativ ist.
Bei den oben beschriebenen Verfahren (welche allgemein als "TLD"-Techniken bezeichnet werden) kann festgestellt werden, daß sie eine Anzahl von wesentlichen Nachteilen aufweisen. Es können nur Fallen einer mittleren Energie zwischen 470 K und 570 K ausgelesen werden, da bei Temperaturen oberhalb dieses Bereiches beträchtliche Mengen an thermischen Löschungen, auf Grund eines nicht-lumineszenten Erzeugens von Übergängen, auftreten, wodurch die Quantenausbeuten beträchtlich herabgesetzt werden. Daraus resultierend wird die Information, welche durch eine große Anzahl von Hochenergie- Fallen repräsentiert wird, vollständig unbeachtet gelassen. Darüberhinaus erhöht die durch das thermolumineszente Material bei Temperaturen von über ungefähr 570 K erzeugte Glühstrahlung das Niveau des Hintergrundrauschens, wodurch die Signalqualität verringert wird. Zusätzlich beschränkt die Verwendung von erhöhten Temperaturen beim Auslesevorgang die Materialien, welche im Aufbau von Dosimetern verwendet werden können, und verhindert die Verwendung der meisten Polymermaterialien.
Es wäre wünschenswert, ein Dosimeter aus in Polymermaterial eingebettenen Teilchen aus thermolumineszentem Material, sowohl für Beta-Dosimetrie als auch für Neutronen-Dosimetrie, herzustellen. Im Fall eines Beta-Dosimeters kann das Polymermaterial ausgewählt werden, um ein nahezu gewebeähnliches Ansprechverhalten zu ergeben. In einem Neutronen- Dosimeter würde ein wasserstoffhaltiges Polymermaterial, beispielsweise Polyethylen, als eine Wasserstoffquelle dienen, wodurch eine Messung von schnellen Neutronen durch Proton-Rückstoßeffekte ermöglicht wird. Dies war jedoch bisher nicht durchführbar, da die meisten geeigneten Polymermaterialien bei Temperaturen unter denjenigen, welche für ein Auslesen erforderlich sind, schmelzen.
Zusätzlich zu der Fähigkeit, auf einfallende Strahlung in einer Weise zu antworten, welche nachfolgend ausgelesen werden kann, ist es für die Ausbildung eines auf thermolumineszentem Material basierenden, praktischen Dosimeters wichtig, daß es möglich ist, das thermolumineszente Material nach dem Auslesen zu löschen oder auszuheilen, so daß es in seinen ursprünglichen Zustand zurückgeführt wird und eine Wiederverwendung des Dosimeters ermöglicht wird.
Es ist bekannt, CaF&sub2;:Mn (eine bekanntes thermolumineszentes Material) durch eine Hitzebehandlung bei 673 K für eine Stunde und bei 373 K für zwei Stunden auszuheilen. Ein Ausheilen in dieser Art ist für ein Dosimeter, welches Polymermaterial enthält, nicht geeignet, da das Polymermaterial der Hitzebehandlung nicht widerstehen kann.
Der wesentliche Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist besonders in dem abschließenden Bereich dieser Beschreibung angeführt und genau beansprucht. Sowohl die Organisation als auch die Betriebsweise gemeinsam mit weiteren Vorteilen und Merkmalen derselben können jedoch am besten unter Bezugnähme auf die folgende Beschreibung verstanden werden, welche in Verbindung mit den beigeschlossenen Zeichnungen erfolgt, worin sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen.
Lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen folgt eine Beschreibung von Verfahren zur Durchführung der vorliegenden Erfindung.
In den Zeichnungen ist:
Fig.1 eine schematische Darstellung von mechanischen, elektrischen und optischen Komponenten, welche für die Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich sind;
Fig.2 ein Flußdiagramm der in den Verfahren gemäß der vorliegnden Erfindung eingesetzten Verfahrensschritte;
Fig.3 ein Diagramm, welches Niedrigtemperatur-Glühkurven illustriert, welche einem ansteigendem Aussetzen an Strahlung entsprechen, wie sie aus Proben von thermolumineszentem Material ausgelesen werden;
Fig.4 ein Diagramm, welches Glühkurven zeigt, welche nach einem Ausheilen bei unterschiedlichen Energieniveaus durch ultraviolettes Licht, welches von einem Helium-Cadmium-Laser ausgesandt wurde, erhalten wurden;
Fig.5 ein Diagramm, welches Glühkurven zeigt, welche nach einem Ausheilen bei unterschiedlichen Energieniveaus durch ultraviolettes Licht, welches von einer Bogenlampe ausgesandt wurde, erhalten wurden; und
Fig.6 ein Diagramm, welches die optische Absorptionskurve für ein thermolumineszentes Material zeigt.
Fig.1 zeigt die Ausrüstung, welche zum Messen von Dosen von ionisierender Strahlung verwendet werden kann, und Fig.2 zeigt die Verfahrensschritte, mit welchen die Dosen gemessen werden können. Unter Bezugnahme auf Fig.1 dient ein Dewar- Gefäß 10 als eine Quelle für flüssigen Stickstoff (77 K), welcher durch das Ventil 12 und den Auslaß 14 abgegeben werden kann, wenn dies für ein Kühlen auf kryogene bzw. tiefe Temperaturen erforderlich ist. Die Kammer 20 zum Aussetzen der Probe weist Wände aus einem thermisch isolierenden Material, wie etwa geschäumtes Polystyrol, auf und ist mit einem Proben-Aufnahmebehälter 22 und einer Quelle 24 für ultraviolettes Licht 25, wie etwa einer Niederdruck- Quecksilberdampflampe 26 und einem schmalen Bandpaßfilter 28 zur Auswahl des ultravioletten Lichtes mit der Wellenlänge von 254 nm, ausgerüstet. Die Kammer 30 zum Auslesen der Probe umfaßt eine lichtdichte Ummantelung 32, welche mit einer Probenschale 34, einer Photomultiplier-Röhre 36 und einer Türe 38 versehen ist, durch welche ein Zutritt zur Schale 34 möglich ist.
Im Betrieb wird der Probenaufnahmebehälter 22 mit flüssigem Stickstoff 44 gefüllt. Eine Probe 40 eines thermolumineszenten Materials, wie etwa 30 mg CaF&sub2;:Mn in einem Dosimeter, wird ionisierender Strahlung (Fig.2, Schritt 68) ausgesetzt und darauf in dem flüssigen Stickstoff 44 im Behälter 22 angeordnet und ihr ermöglicht, einen Temperaturausgleich auf die kryogene Temperatur (Fig.2, Schritt 70) durchzuführen. Darauf wird die Probe ultraviolettem Licht (254 nm) aus der Lichtquelle 24 (Fig.2, Schritt 72) ausgesetzt und "optisch stimuliert". Eine 30 mg Probe von CaF&sub2;:Mn sollte vorzugsweise in einer Menge ultravioletten Lichtes ausgesetzt sein, welche einer Energiemenge in der Größenordnung von einigen mJ entspricht.
Die Probe 40 wird dann aus der Kammer 20 zum Aussetzen der Probe entfernt und rasch in die Kammer 30 zum Auslesen der Probe gebracht. Die Probe 40 wird auf der Probenschale 34 zentriert und auf Umgebungstemperatur (d.h. Raumtemperatur oder ungefähr 293 K) erwärmen gelassen. Die Probenschale ist speziell ausgebildet, um eine ausreichende thermische Masse aufzuweisen und über gute Wärmeübertragungs-Eigenschaften zu verfügen, so daß sich die Probe relativ rasch in den Bereich von Raumtemperatur aufwärmen wird, wie etwa innerhalb von 30 bis 40 Sekunden nach dem Anordnen in der Kammer 30. Wenn sich die Probe 40 auf immer höhere und höhere Temperaturen erwärmt und insbesondere, wenn sie das 200 K Temperaturniveau überschreitet, so sendet das thermolumineszente Material sichtbares Licht bei Wellenlängen im Bereich von 494 nm ± 50 nm aus. Eine beträchtliche Menge des ausgesandten Lichtes kann durch die Photoelektronen-Vervielfacherröhre 36 (Fig.2, Schritt 74) detektiert und vergrößert werden. Die Photoelektronen-Vervielfacherröhre 36 ist elektrisch mit einer Aufnahme- und Anzeigevorrichtung 50 verbunden, welche die vom Photomultiplier 36 gelieferte Signalinformation zählt und eine Anzeige der gesamten, von der Probe 40 ausgesandten Lichtmenge liefert (Fig.2, auch Schritt 74). Diese Gesamtmenge steht in Zusammenhang mit der Strahlungsdosis, welcher das thermolumineszente Material ausgesetzt war.
Bezugnehmend auf Fig.3 zeigt das Diagramm 52 Glühkurven 60, 61, 62 und 63 für vier unterschiedliche Proben von CaF&sub2; mit einer Standaragröße (0,318 cm x 0,318 cm x 0,089 cm), welche stark mit Mn bis zu einem Ausmaß von ungefähr 3 Mol-% dotiert waren. Die vier die Glühkurven 60, 61, 62 und 63 aufweisenden Proben wurden unterschiedlichen Mengen einer Gamma-Strahlung einer ¹³&sup7;Cs-Quelle, und zwar 2,6, 26,0 und 260,0 bzw. 0,0 uC/kg, ausgesetzt. Die Proben wurden mit flüssigem Stickstoff gekühlt und in Übereinstimmung mit den zuvor unter Bezugnahme auf Fig.2 beschriebenen Verfahren optisch stimuliert, obwohl in diesem Fall ein 351 nm Excimer- Laser-Licht verwendet wurde, um die Proben mit fünfzig Lichtpulsen zu stimulieren, welche auf die Proben mit 60 mJ/cm²/Puls angewandt wurden. Die Glühkurven 60, 61, 62 und 63 repräsentieren den Logarithmus der Photonen-Zählraten des sichtbaren Lichtes der Lumineszenz der Proben über die Zeit, wenn die Proben auf Umgebungstemperatur erwärmen gelassen werden. Die Peaks auf der äußerst linken Seite der Kurven entsprechen einem Rauschen und sollten für die vorliegenden Zwecke vernachlässigt werden. Die Darstellung 52 zeigt, daß sowohl die Zählraten als auch die Gesamtanzahl proportional zu den von den Proben absorbierten Strahlungsdosen sind.
Die der Lumineszenz beim Aufwärmen auf Umgebungstemperatur nach einer Stimulation mit ultraviolettem Licht zu Grunde liegenden Prinzipien umfassen die Festkörperphysik von "Fallen"-Zentren oder -Stellen, welche in thermolumineszenten Materialien bestehen. Wie vorher im Abschnitt zum Stand der Technik erläutert, wird angenommen, daß ein Aussetzen eines thermolumineszenten Materials an ionisierende Strahlung in einer Erzeugung von Elektronen und Löchern in erregten Zuständen resultiert, wobei diese Elektronen und Löcher in ihren erregten Zuständen an diesen Stellen für längere Zeitperioden "gefangen" werden können. Fallenstellen können bei vielen unterschiedlichen Energieniveaus auftreten, welche durch Temperaturen charakterisiert werden können, bei welchen die Fallen durch thermische Effekte entleert werden. Es soll festgehalten werden, daß Fallenstellen oft einfach als "Fallen" bezeichnet werden, wobei dieser Ausdruck auch verwendet wird, um solche Stellen zu bezeichnen, wenn sie Elektronen und Löcher in einem erregten Zustand zugeordnet sind. Fallen können auch von höheren zu niedrigeren Energieniveaus durch ein Aussetzen an Lichtstrahlung geeigneter Wellenlängen neu verteilt oder "photokonvertiert" werden, wenn die Niedrigenergie-Fallen stabil sind, wie dies durch die Temperatur des thermolumineszenten Materials bestimmt wird. Es wird angenommen, daß dieses Verfahren der Photoumwandlung die Absorption von Lichtquanten durch Elektronen und Löcher bei Hochenergie-Fallen durch elektrische Dipolübergänge beinhaltet. Diese Elektronen und Löcher werden dadurch in erregte Zustände ausreichender Energie angehoben, um sich im Leitungsband für das thermolumineszente Material zu befinden, wobei dies ermöglicht, daß sie beweglich werden und von ihren ursprünglichen Hochenergie-Fallen-Positionen wegdiffundieren. Eine große Anzahl dieser Elektronen und Löcher wird jedoch nachfolgend durch Niedrigenergie-Fallen wiederum eingefangen, wenn die Temperatur des Materials ausreichend niedrig ist.
Durch ein Abkühlen des thermolumineszenten Materials auf tiefe Temperaturen wird die Stabilität der Niedrigenergie- Fallen und insbesondere von Fallen um ungefähr 200 K sichergestellt. Ein Aussetzen an ausreichende Mengen an ultraviolettem Licht im Bereich von 200 bis 400 nm kann dann viele Hochenergie-Fallen in Niedrigenergie-Fallen photokonvertieren, welche normalerweise nicht stabil sein würden, da sie Temperaturen unter der Umgebungstemperatur entsprechen. Diese Niedrigenergie-Fallen können dann geleert werden, wenn das thermolumineszente Material nachfolgend aufgeheizt wird, wodurch die Abgabe von Licht bewirkt wird, welches detektiert und gezählt werden kann.
Diese Betriebsweise ist sehr wünschenswert, da sie eine größere Anzahl von Fallen, wobei viele Hochenergie-Fallen, wie etwa die bekannte 658 K Falle in CaF&sub2;:Mn, mitumfaßt sind, ermöglicht, welche unter TLD-Techniken, welche zum Auslesen von Energiedosen verwendet werden, nach dem bekannten Stand der Technik nicht zugänglich sind. Darüberhinaus werden die Quantenausbeuten stark verbessert, da das thermische Löschen reduziert ist, wenn ein Auslesen bei geringeren Temperaturen erfolgt, und da das Rauschen auf Grund der Glühstrahlung aus den Proben während des Auslesens wesentlich reduziert ist. Da zusätzlich die Photoumwandlung im allgemeinen in begrenzten Stufen erfolgt, kann ein mehrfaches Auslesen für ein einzelnes Aussetzen eines Zieldosimeters an Strahlung vorgenommen werden. Dies erlaubt eine Überprüfung von Dosimeterergebnissen in einer bisher nicht möglichen Weise.
Das oben beschriebene Verfahren ist am wirkungsvollsten, wenn das thermolumineszente Material stark mit einem metallischen Element dotiert ist. Die exakte Menge des Dotationselementes wird in Abhängigkeit von der Type des thermolumineszenten Materials und von der Art des Dotationselementes variieren. Es wird jedoch angenommen, daß ungefähr 3 Mol-% des Dotationselementes optimal sind, während Mengen zwischen 1 und 15 Mol-% auch eine zufriedenstellende Empfindlichkeit für die Bestimmung der Dosis ergeben sollten. Diese Mengen an Dotationselement sind hoch im Vergleich zu den Konzentrationen des Dotationselementes, welche in thermolumineszenten Materialien, welche für bekannte Dosimetrie verwendet wurden, eingesetzt wurden, in welchen die Konzentrationen des Dotationselementes üblicherweise im Bereich von einigen Zehntel Gewichtsprozent liegen. Die Konzentrationen des Dotationselementes wurden in der Vergangenheit begrenzt, um ein "Konzentrationsquenchen" und einen damit verbundenen Empfindlichkeitsverlust bei bekannten TLD-Techniken zu vermeiden.
Das oben beschriebene Verfahren ermöglicht, daß viele nützliche Kunststoffmaterialien, welche während der Aufheizphase früherer TLD-Techniken geschmolzen wären, in der Konstruktion eines Dosimeters eingesetzt werden können. Derartige Kunststoffe können günstigerweise als Träger für die thermolumineszenten Materialien dienen. Insbesondere ist es wünschenswert, sehr dünne Schichten von thermolumineszentem Material bei der Beta-Dosimetrie zur Verfügung zu stellen, wobei Kunststoffe ein exzellentes Medium zur Bildung von dünnen Schichten von thermolumineszenten Materialien schaffen. In ählicher Weise können Kunststoffe, wie etwa Polyethylen, zur Ausbildung von hoch wasserstoffhaltigen Matrizen verwendet werden, in welchen 0,1 bis 100 um große Partikel von großen, eine Bandlücke aufweisenden, thermolumineszenten Kristallen (wie etwa CaF&sub2;:Mn) für eine Dosimetrie schneller Neutronen eingebettet werden können. Der im Kunststoff vorhandene Wasserstoff ermöglicht, daß die Neutronen durch Proton-Rückstoßeffekte detektiert werden, während die Unterscheidung zwischen Gamma- und Neutronenstrahlung durch die Verwendung von kleinen Korngrößen durchgeführt werden kann.
Das Verfahren kann auch in einer Anzahl von Anwendungsgebieten verwendet werden, in welchen TLD-Techniken früher Begrenzungen unterworfen waren, wie etwa Neutronen-Radiographie und -Abbilung, Fernsteuer-Überwachung, Gefechtsfeld- Dosimetrie und Umwelt-Dosimetrie. Das Verfahren kann insbesondere auf Grund seiner Schnelligkeit und Genauigkeit in der Gefechtsfeld-Dosimetrie und auf Grund seiner Genauigkeit und großen Empfindlichkeit in der Umwelt-Dosimetrie sehr wirkungsvoll sein.
Es ist wünschenswert, daß ein Ausheilen des Dosimeters möglich ist, so daß es in seinen ursprünglichen Zustand (vor der Aussetzung) zurück geführt werden kann und wieder verwendet werden kann. Derzeit besteht eine Standardtechnik zum Ausheilen eines Calziumfluorid-Detektors, welcher mit Mangan-Verunreinigungen dotiert ist, darin, ihn eine Stunde auf 673 K aufzuheizen und dann für zwei Stunden auf 373 K zu erwärmen. Naturgemäß kann dieses Ausheilverfahren nicht für ein Dosimeter verwendet werden, in welchem das thermolumineszente Material in einer Polyethylen-Matrix eingebettet ist, da Polyethylen bei einer Temperatur von beträchtlich unter 673 K schmelzen wird.
Fig.2 illustriert ein alternatives Ausheilungsverfahren. Wie in Schritt 76 in Fig.2 gezeigt ist, wird das thermolumineszente Material nach dem Auslesen an ultraviolettes Licht bei Raumtemperatur ausgesetzt. Dies kann unter Verwendung der in Fig.1 gezeigten Ausrüstung erfolgen. Die eine Probe aus thermolumineszentem Material enthaltende Probenschale 34 wird aus der Kammer 30 zum Auslesen der Probe entfernt und in der Kammer 20 zum Aussetzen der Probe angeordnet. Die Probe befindet sich auf Raumtemperatur und wird in der Kammer 20 ultraviolettem Licht aus der Quelle 24 ausgesetzt. Wenn das Ausheilen abgeschlossen ist, kann die Probe wiederum ionisierender Strahlung ausgesetzt werden.
Proben mit einer Standardgröße (0,318 cm x 0,318 cm x 0,089 cm) aus Calziumfluorid, welche mit Mangan-Verunreinigungen mit einer Konzentration von 3 Mol-% dotiert waren und eine Masse von 30 mg aufwiesen, wurden bei 673 K für eine Stunde und bei 373 K für zwei Stunden hitzebehandelt. Eine Aussetzung an natürliche Hintergrundstrahlung, welche einer ¹³&sup7;Cs Gamma-Bestrahlung von 2,6 uC/kg äquivalent war, wurde auf dem Proben akkumulieren gelassen, während die Proben von einer Bestrahlung durch Licht abgeschirmt waren.
Die bestrahlten Proben wurden in zwei Gruppen unterteilt. Die Proben der einen Gruppe wurden ultraviolettem Licht aus einem He/Cd UV-Laser ausgesetzt, welcher eine Leistung von 30 mW bei 326 nm aussendet. Die Proben der anderen Gruppe wurden Licht aus einer 1,0 kW Xe-Bogenlampe in einem Schöffel 151 N/2 Lampengehäuse ausgesetzt. Ein Jabin Yvon DH-10 Doppelmonochromator Set für eine mittlere Wellenlänge von 325 nm und mit einer Bandbreite von 12 nm wurde verwendet, um das von der Bogenlampe ausgesandte Licht spektral aufzulösen. Ein Linsensystem wurde verwendet, um die durch den Monochromator durchgetretene Strahlung auf eine Probe zu fokussieren und die auf die Probe auftreffende optische Leistung wurde mit einem Laser Precision Rs 5900 Radiometer gemessen, wobei gefunden wurde, daß sie bei ungefähr 3 mW lag.
Die Aussetzungszeit unter Verwendung des He/Cd-Lasers wurde unter Verwendung eines Uniblitz-Verschlusses und einer Zeitsteuerung gesteuert. Die Aussetzungszeiten an das Bogenlampensystem waren, auf Grund der von der Bogenlampe zu Verfügung gestellten geringeren optischen Leistung, beträchtlich länger als jene an den Laser, so daß eine präzise Zeitsteuerung nicht erforderlich war. Die Aussetzungszeiten wurden unter Verwendung eines digitalen Zeitmeßgerätes gemessen und es wurde entsprechend ein händisch zu betätigender Verschluß betätigt. Während des Aussetzens wurden die Proben mit einem schwarzen Tuch bedeckt, so daß nur das ausheilende ultraviolette Licht die Proben erreichte.
Die Proben in jeder Gruppe wurden in Sätze von jeweils drei Proben unterteilt. Ein Satz in jeder Gruppe wurde nicht ultraviolettem Licht ausgesetzt. In jeder Gruppe wurden die anderen Sätze an 50, 125, 250, 375, 750 bzw. 1500 mJ ausgesetzt. Das Auslesen wurde dann für beide Gruppen der Proben unter Verwendung der Schritte 70, 72 und 74 vorgenommen, welche unter Bezugnahme auf Fig.2 beschrieben wurden. Im Schritt 72 wurde der He/Cd-Laser für die optische Stimulation der beiden Gruppen verwendet, wobei ein neutrales Dichtefilter mit einer Durchlässigkeit von 1 % verwendet wurde, um die nominelle Strahlungsleistung auf 0,3 mW zu reduzieren. Für jede Probe betrug die Aussetzungszeit 50 Sekunden, wobei dies 15 mJ an ultraviolettem Licht lieferte.
Die Fig. 4 und 5 illustrieren die Resultate des Auslesens für das Ausheilen mit dem Laser bzw. das Ausheilen mit der Bogenlampe. Die Formen der Glühkurven sind für die zwei Quellen ultravioletten Lichtes gleich. Die Peaks der Kurven der Sätze, welche nicht dem ultravioletten Licht ausgesetzt wurden, weisen unterschiedliche Höhen auf, da die Auslesevorrichtung zwischen dem Auslesen der Fig.4 und dem Auslesen der Fig.5 nicht rekalibriert wurde. Das Ausheilen ist zufriedenstellend, wenn die ausgelesene Intensität niemals die ursprüngliche Intensität übersteigt, wobei unter dieser Bedingung die Glühkurven für 1500 mJ an ultravioletter Energie zeigen, daß ein zufriedenstellendes Ausheilen mit jeder der beiden Lichtquellen erzielt werden kann. Die Laserlichtquelle hat jedoch den Vorteil, daß das Ausheilen mit 1500 mJ nur 50 Sekunden erfordert, im Gegensatz zu 1,5 Stunden für das Ausheilen mit der Bogenlampe.
Um den Mechanismus des optischen Ausheilens zu untersuchen, wurde eine optische Absorptionskurve für eine bestrahlte Probe von CaF&sub2;:Mn gemessen, welche an 26,0 C/kg &sup6;&sup0;Co ausgesetzt wurde. Dieses Aussetzen an eine große Strahlungsmenge war notwendig, um ein meßbares optisches Absorptionsspektrum zu erhalten. Die optische Absorptionskurve ist in Fig.6 gezeigt, wobei drei Hauptpeaks nahe 320 nm, 400 nm und 570 nm deutlich gezeigt sind. Es wird angenommen, daß die für das optische Ausheilen gewählten Wellenlängenbänder optimal waren, da sie im wesentlichen mit dem Hauptpeak in der optischen Absorptionskurve zusammenfallen. Die anderen zwei wesentlichen Peaks wurden auch für Ausheilzwecke untersucht, wobei jedoch keiner so wirkungsvoll wie ultraviolettes Licht bei 1500 mJ war. Die 413 nm-Linie eines Krypton-Ionen-Lasers bewirkte eine 50 %-ige Ausheilung bei 1500 mJ, während die 569 nm-Linie kein Ausheilen bei 1500 mJ bewirkte.
Die oben beschriebenen Experimente zeigen, daß der vollständige Zyklus der Stimulation (Schritt 72) des Auslesens (Schritt 74) und des Ausheilens (Schritt 76) in weniger als zwei Minuten unter Verwendung des 30 mW He/Cd-Lasers vorgenommen werden kann. Da es nicht notwendig ist, das thermolumineszente Material über Raumtemperatur aufzuheizen, kann ein Dosimeter, welches Teilchen von thermolumineszentem Material enthält, welche in einer Matrix aus synthetischem Polymermaterial eingebettet sind, ausgeheilt und wiederverwendet werden.
Es wird erkannt werden, daß die Erfindung nicht auf die spezielle, oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist und daß Abänderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung, wie er in den angeschlossenen Ansprüchen definiert ist, zu verlassen. Obwohl beispielsweise die Erfindung unter Bezugnahme auf CaF&sub2;:Mn beschrieben wurde, wird angenommen, daß es möglich ist, ein beliebiges bekanntes polykristallines thermolumineszentes Material, wie etwa CaF&sub2;, LiF, NaCl und CaSO&sub4;, welche geeignet mit metallischen Elementen dotiert sind, in der vorliegenden Erfindung zu verwenden. Jedes der bekannten Dotierungselemente, wie etwa Mn, Mg, Ti, Ag, Ce, Pb und Dy, kann verwendet werden. Wie oben erwähnt, sollte die Konzentration des Dotierungselementes jedoch relativ hoch im Vergleich zu der Konzentration des Dotierungselementes sein, wie sie für thermolumineszente Materialien für bekannte Dosimetrie verwendet wurde. Das Ausmaß, in welchem das thermolumineszente Material vor der Wiederverwendung ausgeheilt werden muß, hängt von der zu messenden Dosis ab. Um eine kleine Dosis zu messen, muß das thermolumineszente Material ausgeheilt werden, so daß im wesentlichen alle Fallen geleert sind, wobei jedoch, wenn es nicht notwendig ist, kleine Strahlungsdosen messen zu können, das Material nicht so vollständig ausgeheilt werden muß.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Strahlungsdosis von ionisierender Strahlung, welcher ein thermolumineszentes Material ausgesetzt wurde, wobei das optische Absorptionsspektrum des thermolumineszenten Materials einen Peak im Ultraviolett-Bereich aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

a) Abkühlen des thermolumineszenten Materials auf eine Temperatur von wesentlich unter 200 K,

b) Aussetzen des thermolumineszenten Materials an eine Lichtstrahlung, um eine Photoumwandlung von Hochtemperatur- Fallen in Niedrigtemperatur-Fallen durchzuführen,

c) Bestimmung des Lichts, welches vom thermolumineszenten Material abgegeben wird, wenn es erwärmen gelassen wird, und danach

d) ausreichendes Aussetzen des thermolumineszenten Materials an ultraviolettes Licht, um ein Ausheilen bzw. Ausheizen des thermolumineszenten Materials zu bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ultraviolette Licht eine Wellenlänge aufweist, welche innerhalb von 10 nm der Wellenlänge des Peaks des optischen Absorptionsspektrums des thermolumineszenten Materials liegt, wobei das Aussetzen an ultraviolettes Licht bei einer Temperatur von wesentlich über 200 K erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aussetzen an ultraviolettes Licht bei einer Temperatur von ungefähr 293 K erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß weiteres ein Aussetzen des thermolumineszenten Materials an ionisierende Strahlung und eine Bestimmung des vom thermolumineszenten Material abgegebenen Lichts erfolgt, wobei eine Erwärmung des thermolumineszenten Materials auf eine Temperatur von wesentlich über 200 K zugelassen wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Aussetzen des thermolumineszenten Materials an wenigstens 25 mJ ultravioletter Energie pro mg des thermolumineszenten Materials.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Aussetzen des thermolumineszenten Materials an etwa 50 mJ ultravioletter Energie pro mg des thermolumineszenten Materials.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Aussetzen des thermolumineszenten Materials an ultraviolettes Licht bei einem Energieniveau von wesentlich über 0,033 mW pro mg des thermolumineszenten Materials.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Aussetzen des thermolumineszenten Materials an ultraviolettes Licht bei einem Energieniveau von etwa 1 mW pro mg des thermolumineszenten Materials.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Aussetzen des thermolumineszenten Materials an ultraviolettes Licht bei einem Energieniveau von etwa 1 mW pro mg des thermolumineszenten Materials.

10. Vorrichtung zum Auslesen der Strahlungsdosis, welcher ein Feststoff-Thermolumineszenz-Dosimeter ausgesetzt wurde, umfassend:

a) eine Einrichtung zum Kühlen des Dosimeters auf kryogene Temperatur

b) eine Einrichtung zum Aussetzen des Dosimeters an Lichtstrahlung, um eine Photoumwandlung von Hochtemperatur-Fallen in Niedrigtemperatur-Fallen durchzuführen,

c) eine Einrichtung zur Bestimmung und Zählung des Lichts, welches vom Dosimeter abgegeben wird, wenn ihm eine Erwärmung ermöglicht wird, und

d) eine Einrichtung zum Aussetzen des Dosimeters an ultraviolettes Licht, um das thermolumineszente Material auszuheilen, bzw. auszuheizen um eine Wiederverwendung des Dosimeters zu ermöglichen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Einrichtung zum Aussetzen des Dosimeters an ultraviolettes Licht eine Quelle umfaßt, welche ultraviolette Strahlung bei einem Energieniveau von wenigstens 0,33 mw pro mg des thermolumineszenten Materials abgibt.