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Die vorliegende Erfindung betrifft die Zusammensetzung
einer Gasmischung zum Füllen von Lebendgewebeäquivalent-
Proportionalzählern sowie einen mit dieser Gasmischung gefüllten
Proportionalzähler
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Jede in einem Kernkraftwerk oder in der Nähe einer
radioaktiven Quelle arbeitende Person muß permanent ein Dosimeter
oder einen Meßzähler der Radioaktivität mit sich führen. Diese
Geräte ermöglichen, einerseits festzustellen, ob diese Person
Strahlungen ausgesetzt war oder nicht, und andererseits die
absorbierte Dosis und die absorbierte Äquivalentdosis bzw. das
Äquivalent der absorbierten Dosis in Abhängigkeit von der
empfangenen Strahlung zu quantifizieren. Bei diesen Zählern gibt
es zwei Typen, den sogenannten "passiven" Typ, der nur das
Aufzeichnen der empfangenen Strahlungsinenge ermöglicht und, um
Resultate zu erhalten, eine spätere Entwicklungsverarbeitung nötig
macht, sowie den sogenannten "aktiven" Typ, kombiniert mit einer
Anzeige, der ermöglicht, in Echtzeit die absorbierte
Strahlungsdosis zu erhalten.
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Unter diesen Zählern gibt es Lebendgewebeäquivalent-
Proprotionalzähler, d.h. Zähler, die dazu bestimmt sind, ein
Lebendgewebe von einigen Mikrometern zu simulieren. Wie
dargestellt in der beigefügten Figur 1, umfaßt dieser Zählertyp
einen durch eine zylindrische Hülle 3 begrenzten Behälter 1, in
dessen Zentrum eine Anode 5 vorgesehen ist. Die Hülle 3 bildet
eine Kathode und kann auch irgendeine andere Form aufweisen. Diese
Hülle 3 besteht aus einem Lebendgewebeäquivalent-Material,
generell ein Kunststoff, der unter der Bezeichnung SHONKA ALSO
bekannt ist und hauptsächlich aus Kohlenstoff, Wasserstoff,
Sauerstoff und Stickstoff besteht. Der Behälter 1 ist gefüllt mit einer
Gasmischung 7, die ihrerseits dem Lebendgewebe äquivalente
Eigenschaften aufweisen muß, damit die Wechselwirkungen, die in
diesem Zähler stattfinden, mit denen identisch sind, die sich in
dem Gewebe vollziehen. Schließlich ist die Anode 5 mit
Verstärkungseinrichtungen 9 des durch die genannte Anode gelieferten
elektrischen Signals verbunden.
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Wenn der Zähler einem gemischtem Strahlungsfeld
ausgesetzt ist, das Photonen und Neutronen enthält, kommt es in
der Kathode und in dem Gas zu einer Wechselwirkung, wobei geladene
Teilchen erzeugt werden. Ein Teil der in der Kathode erzeugten
geladenen Teilchen durchquert das Gas.
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Die zur Detektion genutzten physikalischen Phänomene
sind die lonisierung und die Erregung des Gases. Die
Wechselwirkung eines geladenen Teilchens mit den Atomen des Gases erzeugt
lokal eine bestimmte Anzahl von lonenpaaren, die sich bei Fehlen
des elektrischen Feldes (d.h. wenn das an die Anode gelegte
Potential das gleiche wie das an die Kathode gelegte ist)
rekombinieren. Wenn sich jedoch das Gas in einem elektrischen Feld
befindet (d.h. wenn das an die Anode gelegte Potential größer als
das an die Kathode gelegte ist), was der Fall des Zählers ist,
wandern die entstandenen positiven Ionen zur Kathode, indem sie
eine Zone durchqueren, wo das elektrische Feld immer schwächer
wird, und die entstandenen Elektronen wandern zur Anode, indem sie
eine Zone durchqueren, wo das elektrische Feld immer stärker wird.
In dem Maße seiner Wanderbewegung wird das Elektron beschleunigt
und kann dann die Ionen des Gases ionisieren und erregen. Die
derart entstandenen Elektronen werden nun ihrerseits beschleunigt,
usw.. Um die Anode herum entsteht eine Townsend-Lawine. Die
Wechselwirkung eines Teilchens mit dem Zähler drückt sich also
durch einen an den Anschlüssen des Zählers empfangenen Impuls aus,
dessen Amplitude proportional zu der Anzahl der gesammelten
Elektronen ist.
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Man kann den Gasverstärkungsfaktor als das Verhältnis
zwischen der Zahl der an der Anode 5 gesammelten Elektronen und
der Zahl der bei der lonisierung des Gases erzeugten Elektronen
definieren. Je höher der Wert dieses Verstärkungsfaktors ist, um
so leistungsfähiger ist der Zähler. Der Wert des
Verstärkungsfaktors hängt ab von dem zwischen der Anode und der Kathode
vorhandenen elektrischen Feld, von der Art der Gasmischung 7 und
dem Fülldruck
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Schließlich ist festzustellen, daß die durch die Anode
5 gesammelte Energiemenge variiert in Abhängigkeit davon, ob der
Zähler Neutronen oder Photonen ausgesetzt ist. Durch die Analyse
des erhaltenen Signals ist es dann möglich, die großen
Energiemengen
entsprechenden Impulse (d.h. der Wechselwirkung der
Elektronen entsprechend) und die kleinen Energiemengen entsprechenden
Impulse (d.h. der Wechselwirkung der Photonen entsprechend) zu
zählen.
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Die Gasmischungen 7 in dem Behälter 1 des Zählers
müssen folgende Eigenschaften besitzen:
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- sie müssen selbst lebendgewebeäquivalent sein, d.h. sich
Strahlung gegenüber verhalten, wie sich ein derselben Strahlung
ausgesetztes Weichteilgewebe verhalten würde,
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- sie müssen einen hohen Gasverstärkungsfaktor aufweisen, d.h. daß
die Anzahl der an der an der Anode 5 gesammelten Elektronen sehr
viel höher sein muß, als die bei der lonisierung des Gases
erzeugten Ionen,
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- sie dürfen sich unter der Einwirkung der einfallenden Strahlung
nicht auflösen, und
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- sie dürfen keine chemische Wechselwirkung mit dem die Hülle 3
bildenden Material zulassen.
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Man kennt schon zwei Zusammensetzungen von
Lebendgewebeäquivalent-Gasmischungen nach der vorhergehenden
Technik, die Mischungen auf Methan- oder Propanbasis sind. Die
Zusammensetzungen dieser beiden existierenden Mischungen sind:
Zusammensetzung Nr. 1:
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- Methan: 40,5 Gew.%,
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- Stickstoff: 3,5 Gew.%,
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- Kohlendioxid: 56,0 Gew.%,
Zusammensetzung Nr. 2:
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- Propan: 56,2 %,
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- Stickstoff: 3,5 %,
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- Kohlendioxid: 40,3 %.
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Diese in den Zählern der vorhergehenden Technik
benutzten Gasmischungen weisen Nachteile auf. Sie müssen
periodisch erneuert werden aufgrund der Verschlechterung ihrer
Eigenschaften bei der Bestrahlung und aufgrund der chemischen
Wechselwirkung ihrer Komponenten mit den Wänden des Zählers. Wenn
nämlich die Neutronen oder die Photonen auf die Hülle 3 treffen,
führt dies zur Bildung von geladenen Sekundärteilchen, die in das
Gas eindringen, dieses erregen und ionisieren, dabei Elektronen
beseitigen und sogar die CO&sub2; oder Propan-Moleküle zerstören. Dies
hat die Wirkung, eine Polymersation zu erzeugen, die die Tendenz
hat, sich auf der Kollektoranode 5 festzusetzen. Außerdem erhöht
sich die Geschwindigkeit der Elektronen in dem Maße, wie sich die
Elektronen der Kollektoranode nähern. Dies hat die Auswirkung, zu
einer Zerstörung der Moleküle des Gases zu führen. Dieses letztere
verschlechtert sich daher schnell.
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Schließlich weisen die mit diesen Gasmischungen
hergestellten Zähler einen schwachen Verstärkungsfaktor auf. Die
Verstärkungseinrichtungen 9 des Signais müssen also sehr
leistungsstark und teuer sein.
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Es wäre daher vorteilhaft, eine Lebendgewebeäquivalent-
Gasmischung zu entwickeln, die in einem Proportionalzähler benutzt
werden kann und keinen der vorhergehend erwähnten Nachteile
aufweist.
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Außerdem wurden die bisher benutzten
Lebendgewebeäquivalent-Proportionalzähler in einem Raum angeordnet, um die
Strahlungen in seinem Innern zu messen, und wurden nicht durch
Einzelpersonen getragen. Es war also möglich, diese Zähler mit
einer Gasreserve auszustatten, die die Erneuerung der Gasmischung
ermöglichte, die sich im Innern des jeweiligen Zählers befand, ehe
das Gas sich zu sehr verschlechtert hatte. Jedoch ist es
unmöglich, einen tragbaren Zähler mit einer solchen Gasflasche
auszustatten, da diese die Bewegungsfreiheit des Benutzers
einschränken würde. Der erfindungsgemäße Zähler muß also ziemlich
klein sein, um leicht in der Tasche eines Bekleidungsstücks des
Benutzers mitgeführt werden zu können.
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Schließlich müssen die Gasmischungen eine
Zusammensetzung aufweisen, die bestmöglich den Lebendgewebe-Normen wie
definiert durch die ICRU (International Commission Radioprotection
Unit) entsprechend. In anderen Worten ist es nötig, daß eine
stoffliche Kontinuität zwischen der benutzten Gasmischung und der
Hülle 3 des Zählers besteht, so daß die Reaktionen eines
Lebendgewebes korrekt simuliert werden.
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Die Zusammensetzung eines durch die ICRU definierten
Lebendgewebes ist in atomaren Massenanteilen ausgedrückt die
folgende:
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- Wasserstoff : 10,20 %
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- Magnesium : 0,02 %,
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- Kohlenstoff : 12,30 %
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- Phosphor : 0,20 %,
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- Stickstoff : 3,50 %
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- Schwefel : 0,50 %,
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- Sauerstoff : 72,90 %
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- Kalium : 0,30 %,
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- Natrium : 0,08 %
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- Kalzium : 0,07 %.
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Die Art der in den Zählern benutzbaren Gase ermöglichen
jedoch nicht, die ICRU-Vorschriften genau einzuhalten. Jedoch muß
man die Wasserstoff- und Stickstoffzusammensetzungen einhalten, um
die Lebendgewebeäquivalenz gegenüber den Neutronen zu erhalten.
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Um diesen zahlreichen Forderungen zu entsprechen,
betrifft die Erfindung eine Gasmischung zum Füllen eines
Lebendgewebeäquivalent-Proportionalzählers, der wenigstens
Kohlendioxid, Propan und Stickstoff enthält.
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Nach den Charakteristika der Erfindung enthält diese
Mischung auch Argon.
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Vorzugsweise umfaßt die erfindungsgemäße Gasmischung
ungefähr zwischen 3 und 4 Gew.% Stickstoff, zwischen 46 und 66
Gew.% Propan und zwischen 30 und 50 Gew.% einer Mischung, die
zwischen 5 und 80 Gew.% CO&sub2; und zwischen 20 und 95 Gew.% Argon
enthält.
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Eine noch bessere erfindungsgemäße Gasmischung umfaßt
ungefähr 3,5 Gew.% Stickstoff, 56,2 Gew.% Propan, 35,3 Gew.% Argon
und 5 Gew.% CO&sub2;.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls einen
Lebendgewebeäquivalent-Proportionalzähler mit einer Anode, einer Kathode und
einem Behälter, definiert durch besagte Kathode, wobei diese aus
einem dem Lebendgewebe äquivalenten Material hergestellt wird und
der Behälter eine Gasmischung wie die vorhergehend definierte
enthält.
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Die vorliegende Erfindung wird besser veständlich durch
die nachfolgende, beispielhafte und nicht einschränkende
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung,
bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
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- die Figur 1 ist ein Schema, das einen erfindungsgemäßen
Lebendgewebeäquivalent-Proportionalzähler darstellt,
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- die Figur 2 zeigt das Verhältnis zwischen dem linearen
Energieübertragungsvermögen (TLE) der die erfindungsgemäße Gasmischung
durchquerenden und ein durch die ICRU definiertes
Lebendgewebeäquivalent-Medium durchquerenden Protonen in
Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Protonen,
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- die Figur 3 zeigt das Verhältnis zwischen dem linearen
Energieübertragungsvermögen (TLE) der die erfindungsgemäße Gasmischung
durchquerenden und ein durch die ICRU definiertes
Lebendgewebeäquivalent-Medium durchquerenden Elektronen in
Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Elektronen,
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- die Figur 4 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem
Energieabsorptionskoeffizienten von jeweils der
erfindungsgemäßen Gasmischung und einem durch die ICRU definierten
Lebendgewebeäquivalent-Medium in Abhängigkeit von der
kinetischen Energie der Photonen darstellt,
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- die Figur 5 ist eine Kurve, die das Verhältnis zwischen dem
Kerma der erfindungsgemäßen Gasmischung und dem eines durch die
ICRU definierten Gewebeäquivalentmediums in Abhängigkeit von der
kinetischen Energie der Neutronen darstellt, und
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- die Figur 6 ist eine Kurve, die die Alpha-Spektren darstellt,
die mit der erfindungsgemäßen Gasmischung und mit einer
Gasmischung auf Propanbasis der vorhergehenden Technik erzielt
wurden.
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Der erfindungsgemäße
Lebendgewebeäquivalent-Proportionalzähler ist dem ähnlich, der vorhergehend mit Bezug auf die
Figur 1 beschrieben wurde, wobei er die spezifische Gasmischung
der Erfindung enthält.
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Man hat festgestellt, daß die Beigabe von Argon zu der
Gasmischung die Eigenschaften des diese Mischung enthaltenden
Zählers deutlich verbessert. Die erfindungsgemäße Gasmischung
weist folgende Zusammensetzung auf:
- Stickstoff:
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ungefähr 3 bis 4 Gew.%, vorzugsweise ungefähr 3,4
bis 3,6 Gew.%,
- Propan:
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ungefähr 46 bis 66 Gew.%, vorzugsweise ungefähr 53,6 bis
59,4 Gew.%,
- CO&sub2;- und Argonmischung:
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ungefähr 30 bis 50 Gew.%, vorzugsweise
zwischen 37 und 43 Gew.%, wobei die Mischung ungefähr zwischen
20 und 95 Gew.% Argon und zwischen 5 und 80 Gew.% CO&sub2; und
vorzugsweise zwischen 70 und 90 Gew.% Argon und zwischen 10 und
30 Gew.% CO&sub2; enthält.
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Die bevorzugten Gesamt-Gewichtsprozentsätze der
Mischung sind ungefähr die folgenden: 35,3% Argon, 5% CO&sub2;, 56,2%
Propan und 3,5% Stickstoff.
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Die Propan- und Stickstoffanteile wurden so definiert,
daß die Äquivalenz mit dem Lebendgewebe für die Neutronen
eingehalten wird. Das Kohlenioxid wurde beigemischt, da es das Altern
der Gasmischung unter Bestrahlung verlangsamt, wobei man
festgestellt hat, daß ein kleiner Anteil dieses Gases genügt, um den
erwünschten Effekt zu erzielen.
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Überraschenderweise konnt man feststellen, daß es
möglich war, Argon beizumischen, während bzw. obwohl dieses nicht
zu der Weichteilgewebe-Zusammensetzung gehört. Das Argon
ermöglicht, den Gasverstärkungsfaktor und die zeitliche Stabilität der
Mischung zu verbessern.
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Um zu überprüfen, ob die Beigabe von Argon nicht nur
ermöglicht, die Eigenschaften der Gasmischung zu verbessern,
sondern auch ihren Lebendgewebeaquivalent-Charakter zu
konservieren, wurden eine bestimmte Anzahl Messungen und Berechnungen
durchgeführt.
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Die Resultate dieser Messungen und dieser Berechnungen
sind in dem nachfolgenden Beispiel angegeben.
Beispiel 1
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Wenn ein ionisierendes Teilchen die in dem Zähler
enthaltene Gasmischung durchquert, ist es sukzessiven
Zusammenstöße mit den Molkülen des gasförmigen Mediums ausgesetzt, was die
Wirkung hat, Ionen entstehen zu lassen, an die dieses Teilchen
eine bestimmte Energie überträgt. Das Energieübertragungsvermögen
(TLE) ist das mittlere Verhältnis zwischen der an die Moleküle des
gasförmigen Mediums bei diesen Stößen übertragenen Energie und der
Länge der Bahn in diesem Medium. Die biologischen Effekte einer
ionisierenden Strahlung hängen im allgemeinen von dem TLE-Wert in
den Lebendgeweben ab.
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Die beigefügte Figur 2 zeigt das Verhältnis zwischen
den verschiedenen TLE der die erfindungsgemäße Gasmischung und das
durch die ICRU definierte Lebendgewebeäquivalent durchquerenden
Protonen in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Protonen.
Die Kurven 1, 2 und 3 der Figur 2 sowie diejenigen der Figuren 3
bis 5 wurden mit Gasmischungen erzielt, die jeweils 35% Argon und
5,3% CO&sub2;, 20% Argon und 20,3% CO&sub2; und 10% Argon und 30,3% CO&sub2;
enthielten; die Propan- und Stickstoffanteile waren konstant
(56,2% Propan und 3,5% Stickstoff).
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Man sieht, daß die Werte um 1 herum schwingen, was
anzeigt, daß die erfindungsgemäße Gasmischung sich den Protonen
gegenüber wie ein Lebendgewebe verhält. Jedoch ist festzustellen,
daß die erfindungsgemäße Gasmischung für die eintreffenden
Photonen eine Hypersensibilität aufweist, die sich in dem
Energiebereich zwischen 5.10&supmin;² und 0,5 MeV bewegt. Jedoch ist
diese Hypersensibiltät nicht nachteilig, solange das
Dichteverhältnis der beiden Medien, gebildet durch die Hülle 3 und
das Gas 7, ungefähr 1000 beträgt und die durch einen
Photonenstrahl an den Zähler abgegebene Energie beinahe ganz von der
Kathode (Hülle 3) absorbiert wird. Folglich ist dann der Beitrag
des Gases zur Reaktion des Zählers auf die Photonen
vernachlässigbar.
Beispiel 2
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Es wurde ein ähnlicher Versuch wie in Beispiel 1
durchgeführt, aber mit Berechnung der linearen
Energieübertragungsvermögen der eintreffenden Elektronen. Die erzielten
Resultate sind in Figur 3 dargestellt.
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Da die übliche Energie eines Elektrons generell
niedriger als 1 oder 2 MeV ist, kann man feststellen, daß für
diese Werte die Verhältnisse der beiden TLE relativ nahe bei 1
sind (linker Teil der Kurve). Die Gasmischungen, die ungefähr 20%
Argon aufweist, scheint die besten Resultate zu erzielen (Kurve
2).
Beispiel 3
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Bei diesem Beispiel wurde der Massenenergie-
Absorptionskoeffizient bzw. Massenschwächungskoeffizient (u in /)
der Photonen berechnet. Die Kurven (Figur 4) zeigen in
Abhängigkeit von der kinetischen Energie dieser Photonen den Wert des
Verhältnisses zwischen dem Absorptionskoeffizienten der
erfindungsgemäßen Gasmischung und dem eines
Lebendgewebeäquivalents nach den ICRU-Normen.
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Selbst im Falle der Kurve 1, wo man Verhältniswerte
erzielt, die 5 bis 6 erreichen können, stellt man fest, daß die
erfindungsgemäße Gasmischung noch ohne weiteres akzeptabel ist und
daß der hergestellte Zähler nicht zu hypersensibel gegenüber
gewissen Strahlungen ist.
Beispiel 4
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Das Kerma repräsentiert das Verhältnis zwischen der
Summe der anfänglichen kinetischen Energien aller ionisierenden
Teilchen, die eine ein Volumenelement der Gasmischung
durchquerende Strahlung freisetzt, und der Masse dieses
Volumenelements. Das Kerma ermöglicht, die indirekt ionisierenden
Strahlungen in quantitativer Hinsicht zu charakterisieren.
Folglich werden Werte dieser Kermas geliefert, um die Normen der
ICRU-Lebendgewebe zu respektieren. Der Versuch bestand darin, das
Kerma der erfindungsgemäßen Gasmischung mit dem der ICRU zu
vergleichen. Die Kurve der Figur 5 zeigt das Verhältnis zwischen
den beiden Kermas als Funktion der kinetischen Energie der
Neutronen. Man sieht, daß bis 0,1 MeV die Werte des Verhältnisses
sehr nahe bei 1 sind.
Beispiel 5
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Ein Test wurde durchgeführt mit einem Gewebeäquivalent-
Proportionalzähler, wobei zwei verschiedene Gasmischungen
verwendet wurden. Die erste erfindungsgemäße Gasmischung enthielt
5% CO&sub2;, 3,5% Stickstoff, 56,2% Propan und 35,3% Argon. Die andere
Gasmischung entsprach einer klassischen Mischung auf Propanbasis
mit 56,2% Propan, 3,5% Stickstoff und 40,3% CO&sub2; Die Tests wurden
mit einer im Zähler befindlichen Alphateilchenquelle durchgeführt,
wobei diese Quelle ermöglichte, Alphateilchen ins Innere der
Gasmischung zu senden und anschließend die Anzahl der erhaltenen
elektrischen Impulse zu zählen. Noch genauer: man hat gezählt, wie
oft man einen Impuls einer bestimmten Amplitude erhielt.
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Der Peak Nº1 entspricht dem Resultat, das man mit der
Gasmischung auf Propanbasis der vorhergehenden Technik erzielt und
der Peak Nº2 demjenigen, das man mit der erfindungsgemäßen
Gasmischung erzielte. Nach der Berechnung stellte man fest, daß
die Anzahl der gesammelten Impulse für die beiden Peaks gleich ist
und daß die Auflösung der beiden Peaks ähnlich ist.
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Jedoch ist die Amplitude der mit der erfindungsgemäßen
Gasmischung erhaltenen Impulse dreimal größer als diejenige, die
mit der Gasmischung der vorhergehenden Technik erzielt wurde. Der
Verstärkungsfaktor ist also dreimal größer. Bei der Gasmischung
der vorhergehenden Technik war der Verstärkungsfaktor ziemlich
klein und es war nötig, am Ausgang des Gasbehälters und
insbesondere der Kollektoranode 5 komplizierte elektronische
Verstärkungseinrichtungen des erhaltenen Signals zu haben, um ein
auswertbares Resultat zu erzielen. Mit der erfindungsgemäßen
Gasmischung hingegen ist die durch die Gasmischung selbst gelieferte
Verstärkung dreimal größer, was ermöglicht, weniger
leistungsfähige und folglich billigere, weniger komplizierte und kleinere
Verstärkungseinrichtungen 9 vorzusehen. Diese Charakteristika sind
vorteilhaft, denn der Zähler soll tragbar und nicht teuer sein.
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Nach den vorangehenden Beispielen 1 bis 5 kann man
feststellen, daß die Schwankung der verschiedenen berechneten
Parameter in bezug auf das IRCU-Bezugsgewebe ungef 4hr 12% nicht
überschreitet, außer bei den Photonen. Eine solche Schwankung ist
kompatibel mit den Zielen des Strahlenschutzes. Es ist möglich,
den höchsten Argon-Prozentsatz zu verwenden. Die gewählten
Stickstoff- und Propan-Gewichtungen erm:glichen, die Wasserstoff- und
Stickstoff-Gewichtungen des durch die ICRU definierten Gewebes
genauestens einzuhalten.