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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Einrichtung und ein sensitives Medium zum Messen einer absorbierten
Dosis in einem ionisierenden Strahlungsfeld. Insbesondere betrifft
die Erfindung eine Einrichtung zum Bestimmen der Größe der absorbierten
Dosis bei einem Spezifischen Punkt in einem Material, wo die Interaktion
der Strahlung mit dem Material der Interaktion der Strahlung mit
lebendem Gewebe gleicht. Die vorliegende Erfindung betrifft auch
die Verwendung eines sensitiven Mediums, beispielsweise einer geeigneten
Fluidmischung, in einer solchen Einrichtung.
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Mit absorbierter Dosis ist die Energie
gemeint, die durch die ionisierende Strahlung pro Masseneinheit
des bestrahlten Materials geliefert wird. Die Einheit einer absorbierten
Dosis ist Gy (J/kg).
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Hinsichtlich der Sicherheit der Patienten,
beispielsweise in Verbindung mit einer medizinischen Strahlungsbehandlung
und radiologischen Diagnosen, ist es sehr wichtig, die biologischen
Effekte auf lebendes menschliches Gewebe vorhersagen. zu können, das
einer Strahlung in einem ionisierenden Strahlungsfeld ausgesetzt
wird. In dieser Hinsicht ist es wünschenswert, die absorbierte
Dosis und ihre Verteilung in menschlichem Gewebe vorhersagen zu können; bevor
das Gewebe bestrahlt wird. Die Stärke der ionisierten Strahlung
soll in unterschiedlichen benachbarten Punkten gemessen werden,
um das ionisierende Strahlungsfeld zu kartieren. Die Sicherheit der
Patienten kann verbessert werden durch ein akurates und wiederholtes
Kartieren des Bestrahlungsfelds in einer Behandlungsvorrichtung.
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Beispiele von ionisierenden Photonenstrahlungsfeldern
und Elektronenstrahlungsfeldern, die bei der medizinischen Behandlung
und der radiologischen Diagnose relevant. sind, sind Photonen- und Elektronen-Strahlungsfelder
im Energiebereich von 30 keV bis 50 MeV. Ein relevantes Dosenratenintervall
bei der kontinuierlichen Bestrahlung betrrägt von 0,1 mGy/min bis 10 Gy/min
und im Fall der Impulsstrahlung mit μs Impulsen eine absorbierte
Dosis pro Impuls von bis zu 5 mGy/Impuls und eine Pulswiederholungsfrequenz
von bis zu 1000 Impulsen pro Minute. Mit Dosenrate ist die Rate
gemeint, mit welcher die Dosis anwächst, d. h. die pro Masseneinheit
und pro Zeiteinheit gelieferte Energie.
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Die abgelagerte Energie/von einem
Patienten absorbierte Dosis beispielsweise bei der Computertomographie
kann vorhergesagt werden, indem ein künstlicher Körper, der ein gewebeähnliches
Material beinhaltet (normalerweise Wasser), mit Detektoren versehen
wird und der Körper
dann dem ionisierenden Strahlungsfeld ausgesetzt wird. Mit der Verwendung
von guten Detektoren kann die absorbierte Dosis und ihre Verteilung
aus Signalen von den Detektoren interpretiert werden, kombiniert
mit der Kenntnis der Platzierungen der Detektoren. Wenn ein Patient
dann unter im wesentlichen den gleichen Bedingungen (u. a. Energie
und Zeit) dem gleichen Strahlungsfeld ausgesetzt wird, kann die
dem Patienten zugeführte
Dosis vorhergesagt werden.
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Die gängigste Art von Detektor in
dem beschriebenen Anwendungsgebiet ist eine Ionisierungskammer,
die ein Gas als empfindliches Medium verwendet. Die Ionisierungskammer
arbeitet mit dem Prinzip des Bestrahlens eines in der Kammer eingeschlossenen
sensitiven Mediums, in welchem Ionen in Proportion zu der zugeführten Energie
als Ergebnis der Interaktion der Strahlung mit dem Gas freigesetzt
werden. Die Ionen werden über
ein zwischen zwei Elektroden erzeugtes elektrisches Feld gefangen.
Die gefangene Ladung kann dann gemessen werden und verwendet werden,
um die Größe der in dem
sensitiven Medium absorbierten Dosis zu bestimmen.
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Ein Nachteil dieser Detektoren ist
ihre Größe, genauer
gesagt die Größe oder
das Volumen, die bzw. das erforderlich ist, um eine Verwendung des Gases
als sensitives Medium mit ausreichender Genauigkeit zu ermöglichen.
Da der Detektor außerdem auf
die gesamte Energiemenge antwortet, die in dem sensitiven Medium
abgelagert ist, werden lokale Energiespitzen in dem Bestrahlungsfeld
versteckt, wodurch der Detektor nicht verwendbar oder zumindest nicht
verlässlich- ist, wenn solche
Variationen der Energiedichte sich in dem ionisierenden Strahlungsfeld befinden.
Variationen, die in Strahlungsfeldern auftreten, ergeben sich aus
vielen heutzutage vorhandenen Strahlungsquellen. Beispielsweise
könnten Punkte
in dem Gewebe des Patienten auftreten, wo die tatsächlich absorbierte
Dosis stark von der vorhergesagten Dosis abweicht.
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Halbleiterdioden sind Beispiele für andere herkömmliche
Detektoren. Diese Detektoren arbeiten mit dem Prinzip, bei dem die
ionisierende Strahlung freie Ladungen in dem PN Übergang der Dioden erzeugt. Ähnlich wie
bei der Ionisierungskammer kann diese Ladung dann verwendet werden,
um die absolute Dosis zu bestimmen.
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Ein gemeinsames Merkmal dieser Art
von Detektoren ist, dass ein elektrischer Strom oder eine Ladung
gemessen wird, die proportional zu der Dosenrate bzw. der absorbierten
Dosis ist. Das Messergebnis kann so direkt während des Bestrahlens des Detektors
oder unmittelbar nachher registriert werden.
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Eine andere Art von Detektoren zum
Messen der absorbierten Dosis sind solche, die das Aufzeichnen einer
Verränderung
in dem Detektormaterial, verursacht durch die Strahlung, ermöglichen,
anschließend
an das Bestrahlendes Detektors. Ein Beispiel dieser Art von Detektor
ist das sogenannte Fricke Dosimeter, welches die spektrophotometrische Bewertung
der bestrahlten Flüssigkeit
verwendet. Ein Nachteil mit Detektoren dieser Art ist, dass sie nicht
ausreichend klein gemacht werden können mit der erforderlichen
Empfindlichkeit in der Anwendung, die wir in diesem Dokument beschrieben
haben.
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Eine andere Art von Detektor ist
das sogenannte Thermolumineszenz-Dosimeter, welches das Phänomen ausnutzt,
dass Bestrahlung bestimmter Materialien dazu führt, dass eine bestimmte Menge von
Elektronen durch die Strahlung so angeregt werden, dass sie in dem
Material in ihrem angeregten Zustand verbleiben. Wenn das bestrahlte
Material dann erhitzt wird, werden die Elektronen wieder deenergetisiert,
und die so erzeugte Lichtmenge ist proportional zu der von dem Material
unter bestimmten Bedingungen absorbierten Dosis.
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Diese Detektoren ermöglichen
kein direktes Ablesen einer Dosisantwort, und die Proportionalität zwischen
emittiertem Signal und absorbierter Dosis in Wasser variiert in
dem besten Fall um ungefähr 40%
in dem gegebenen Energiebereich. Der Halbleiterdetektor kann in
kleinen Einheiten (nur einige Millimeter) hergestellt werden und
hat eine Variation von ungefähr
500 in seiner Antwort in dem eben erwähnten relevanten Energiebereich.
Solche Variationen sind nicht zufriedenstellend.
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Die Notwendigkeit von verlässlichen
und sensitiven Detektoren im Photonenenergiebereich von 30–200 keV,
die auch eine begrenzte Erstreckung im Raum haben, ist insbesondere offensichtlich,
wenn es der Zweck solcher Detektoren ist, absorbierte Dosen und
Dosenverteilungen um kleine radioaktive Strahlungsquellen herum
zu bestimmen, die für
die Implantierung in Krebstumoren für die Strahlungstherapie (interstitiale
Strahlungstherapie) verwendet werden, eine Tumorbehandlungsart,
die in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen hat.
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Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet
ist das Bestimmen der Größe der absorbierten
Dosis und ihrer Verteilung bei Patienten, die sich einer Computertomographie
unterziehen. In Schweden ist es, wie auch in den meisten anderen
Ländern,
gesetzlich vorgeschrieben, dass Dosen in regelmäßigen Zeitabständen gemessen
werden, um die Sicherheit der Patienten zu garantieren.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Einrichtung zum Messen von in einem Material, das einer
ionisierenden Strahlung ausgesetzt wird, insbesondere einem ein
Gewebe imitierenden Material, absorbierten Dosen.
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Ein weiteres Ziel ist es, eine Einrichtung
zu schaffen, die
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- a) ein strahlungsempfindliches Volumen hat,
das klein ist bezüglich
der Variation der absorbierten Dosis im Raum. In der Praxis heißt das,
dass das empfindliche Volumen des Detektors vorzugsweise in keiner
Richtung eine Erstreckung hat, die ein Paar Millimeter überschreitet.
Bestimmte Anwendungen erfordern es, dass das sensitive Volumen eine
Erstreckung von weniger als einigen Zehnteln eines Millimeters in
zumindest einer Richtung hat;
- b) durch ihre Anwesenheit in einem bestrahlten Material, das
Strahlungsfeld, das sonst erhältlich wäre, nur
vernachlässigbar
stört oder
beeinträchtigt;
- c) sicherstellt, dass die Proportionalität zwischen dem Messsignal und
der absorbierten Dosis in dem Material, wo die Messung stattfinden
soll, sich nicht spürbar
mit Variationen in dem Energiespektrum der Strahlung (Variationen
der Strahlungsqualität)
verändert;
- d) nicht erlaubt, dass sich die Proportionalität zwischen
dem Messsignal und der absorbierten Dosis bemerkenswert mit der
Dosenrate oder der Größe der absorbierten
Dosis ändert;
und die
- e) sicherstellt, dass die Genauigkeit bei der Bestimmung der
absorbierten Dosis, insbesondere im Fall von Messungen, auf welchen
eine Strahlungstherapie basieren soll, größer als einige Prozent ist.
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Wenn die Bedingung c) nicht erfüllt ist,
ist eine genaue Kenntnis des Strahlungsenergiespektrums erforderlich,
um die Dosis verlässlich
zu messen. Energiespektren verändern
sich oft in den Leerräumen
in einem bestrahlten Objekt und sind genauso schwierig zu bestimmen
wie die absorbierte Dosis.
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Diese und weitere Ziele der Erfindung
werden mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung
erzielt, wie sie in den kennzeichnenden Teilen der jeweiligen Ansprüche definiert
ist.
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Eine erfindungsgemäße Einrichtung
zum Messen von absorbierten Dosen in einem ionisierenden Strahlungsfeld
weist einen ionisationskammerartigen Detektorkörper mit zwei wechselseitig
beabstandeten Elektrodenelementen auf sowie Mittel, die zusammen
mit den Elektrodenelementen in dem Detektorkörper eine messende erste Kammer
zum Unterbringen eines sensitiven Mediums begrenzen. Sie ist gekennzeichnet
durch eine zweite Kammer, welche in beabstandeter Beziehung zu der
messenden Kammer angeordnet ist, und durch einen Durchflusskanal,
der sich durch eines der Elektrodenelemente hindurch erstreckt und
dadurch die messende erste Kammer mit dieser zweiten Kammer verbindet,
wobei das sensitive Medium eine Flüssigkeit
ist.
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In der zweiten Kammer können sich
Mittel zum Aufnehmen von Volumenveränderungen des sensitiven Mediums
befinden.
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Beim Vergleich zwischen Gas und Flüssigkeit
ermöglicht
die hohe Dichte der Flüssigkeit
ein Volumen, das einige hundert Mal geringer ist mit der gleichen
Empfindlichkeit, wenn sie als sensitives Medium in dem Detektor
verwendet wird; dieses Volumen ist ein kritischer Faktor für. die Genauigkeit
der Detektoren, wie schon beschrieben. Der Nachteil mit jenen Flüssigkeiten,
die in Ionisationskammern getestet worden sind, ist, dass sie keine
Signale mit ausreichender Stabilität über die Zeit liefern und durch
den gesamten relevanten Energiebereich. Außerdem haben sie auch keine
stabilen Kalibrierungsfaktoren über
diesen gesamten Bereich hinweg gezeigt.
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Wir haben nun eine Flüssigkeitsmischung entdeckt,
die überraschend
alle diese Faktoren verbessert. Das sensitive Medium ist eine Flüssigkeit, die
Isooktan, ISO, (2-2-4-Trimethylpentan,
C8H18) und Tetramethylsilan,
TMS (Si(CH3)4) beinhaltet. Eine
besonders bevorzugte Mischung weist zwei Teile ISO und einen Teil
TMS auf. Mit Eilen sind Volumenanteile gemeint.
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Die Erfindung wird nun genauer mit
Bezug auf bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen und mit Bezug
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen entsprechende
Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen. versehen sind.
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1 ist
eine Schnittansicht eines Detektors gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine Schnittansicht eines Detektors gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 und 4 sind Graphen, die die Ergebnisse
von Versuchen darstellen, in denen unterschiedliche Flüssigkeitsmischungen
als sensitives Medium verwendet wurde, und die mit dem in 2 gezeigten Detektor durchgeführt wurden.
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1 zeigt
einen Ionisationskammerdetektor 10 gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung. Der Detektor beinhaltet einen im wesentlichen zylindrischen
Körper 11,
der eine erste planare Endfläche 12 hat.
Zwei allgemein scheibenförmige Elektroden 20 und 30 sind
geringfügig
einwärts
der Oberfläche
und parallel dazu angebracht. Die beiden Elektroden sind plan parallel
und voneinander beabstandet. Das ionisierende Strahlungsfeld soll
auf die Endfläche 12 fallen;
siehe Pfeil F.
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Zwischen den Elektroden befindet
sich eine Kammer 40, die das sensitive Medium des Detektors beinhaltet.
Die Kammer 40 ist durch eine gekrümmte Wand 50 beschränkt, die
sich zwischen den Elektroden 20, 30 erstreckt
und die aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht. Das
Wandmaterial widersteht auch den chemischen Auswirkungen des sensitiven
Mediums und der ionisierenden Strahlung. Das Wandmaterial ist vorzugsweise
ein isolierendes Styrencopolymer, beispielsweise Rexolit®.
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Die Elektroden sind mit einer bekannten
Vorrichtung verbunden, die Spannung an die Elektroden anlegen kann,
durch das Medium von jeweiligen Leitern 25 und 35,
die sich durch den Körper
hindurch erstrecken, und die die Antwort von einer gelieferten Dosis
lesen kann. Da eine solche Vorrichtung in der Ionisationskammer-Technologie
wohlbekannt ist, wird sie hier nicht weiter beschrieben.
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Die Elektrode 20, die zuerst
von dem ionisierenden Feld getroffen wird, links in der Figur, ist
eine Hochspannungselektrode, und die andere Elektrode 30 ist
eine Sammelelektrode. Die Feldstärke
zwischen den Elektroden variiert von 0,3 bis 3 MV/m. Bezüglich der
Messpräzision
ist diese Feldstärke
optimal bezüglich
der Dosenrate und der Dicke der Flüssigkeitsschicht.
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Der Körper beinhaltet auch eine weitere Kammer 60,
in der sich das sensitive Medium befindet. Die zweite Kammer befindet
sich einwärts
der ersten Kammer 40, gesehen von der Endwand 12 aus.
Die beiden Kammern 40 und 60 sind in Flussverbindung
miteinander durch das Medium eines Flusskanals 61. In der
dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der
Kanal durch die Sammelelektrode 30 hindurch.
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Das in der vorliegenden Erfindung
verwendete sensitive Medium ist eine Flüssigkeit, die in der dargestellten
Ausführungsform
in die Einrichtung hinein durch einen Kanal 62 hindurch
geführt
wird, der sich von dem hinteren Teil des Detektorkörpers aus erstreckt.
Die Einlassöffnung
des Kanals ist vorzugsweise durch einen
Gewichtverschluss verschlossen.
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Weil der Detektor im Betrieb Temperaturvariationen
unterliegt, erzeugen temperaturbezogene Variationen im Volumen der
eingeschlossenen Flüssigkeit
ein Problem. Ein deutlicher Anstieg des Volumens kann den Detektorkörper unter
Druck setzen und zu einem Leck führen.
Dieses Problem wird gelöst
durch Vorsehen einer Gasblase 64 in der in dem zweiten
Raum 60 vorgesehenen Flüssigkeit.
Die Gasblase nimmt Variationen im Volumen der Flüssigkeit auf und eliminiert
so das Leckagerisiko.
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Um zu verhindern, dass die Gasblase
in die erste Kammer eindringt, ist eine Gassperre 65 in
dem Flusskanal vorgesehen, vorzugsweise bei der oder um die Kanalöffnung in
die zweite Kammer herum. Die Gassperre kann beispielsweise die Form
einer Begrenzung haben, die verhindert, dass die Gasblase in den
Flusskanal 61 eintritt.
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In dem Fall der vorliegenden Erfindung
ist der Detektorkörper
rotationssymmetrisch um eine Mittelachse herum, mit der Ausnahme
des Kanals 62 und den Leiteranschlüssen 25 und 35.
Andere Konfigurationen sind jedoch innerhalb des Bereichs der Erfindung
denkbar. Der Körper 1 kann
aus einer beliebigen Anzahl von Teilen bestehen, beispielsweise eine
einstöckige
geformte Struktur sein oder, wie im Fall der Ausführungsform
der 1, aus mehreren Einzelteilen
aus eventuell verschiedenen Materialien zusammengefügt sein.
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Der Körper 1 der Ausführungsform
der 1 besteht aus vier
bearbeiteten Teilen, die alle aus dem gleichen Material, Rexolite®,
bestehen.
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Die Elektroden 20 und 30 sind
Graphitelektroden, das sensitive Medium ist eine Flüssigkeit,
und das Gas in der Blase 64 ist Luft.
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Die 2 zeigt
eine andere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Detektors.
Der Detektor dieser Ausführungsform
beinhaltet auch einen Körper 2,
der im allgemeinen rotationssymmetrisch um eine Mittelachse herum
ist und aus mehreren Teilen besteht. Die Elektroden sind koaxial
angeordnet und weisen eine auswärts
positionierte Hochspannungselektrode 20 und eine im wesentlichen
stangenförmige
Sammelelektrode 30 auf. Die Hochspannungselektrode 20 beinhaltet
eine Öffnung
oder ein Loch, die bzw. das sich koaxial mit der Mittelachse erstreckt
und in welche bzw. welches sich die stangenförmige Sammelelektrode 30 hinein
erstreckt. Auf diese Art und Weise ist zwischen den Elektroden eine im
wesentlichen röhrenförmige erste
Kammer 40 zum Aufnehmen des sensitiven Mediums in der Einrichtung
ausgeformt. Die Sammelelektrode erstreckt sich nicht bis zum Boden
der Ausnehmung, und das sensitiven Medium wird daher auch die Spitze
der Sammelelektrode 30 umgeben, die in die Kammer hervorsteht.
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Genau wie in der vorangehenden Ausführungsform
beinhaltet die Einrichtung Leiter zum Anschließen der Elektroden an eine
für diesen
Zweck geeignete Vorrichtung.
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Eine zweite Kammer 60 zur
Aufnahme des sensitiven Mediums, die von der ersten Kammer 50 in
Richtung der Mittelachse beabstandet ist. Im Fall der dargestellten
Ausführungsform
befindet sich die zweite Kammer 60 vor der Kammer 20,
gesehen von der Sammelelektrode 30 aus. Ein Flusskanal 61 erstreckt
sich zwischen den beiden Kammern. Eine Blasensperre 65 ist
in der Nähe
des Stromkanals vorgesehen und dient dazu, zu verhindern, dass eine
in dem sensitiven Medium in der zweiten Kammer 60 vorhandene
Gasblase 62 in die erste Kammer 40 wandert. In
dieser Ausführungsform
erstreckt sich der Flusskanal durch die Hochspannungselektrode 20 hindurch.
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Diese Ausführungsform soll ein Strahlungsfeld
empfangen, das auf die erste Kammer 40 im wesentlichen
im rechten Winkel zu der Mittelachse des Detektorkörpers fällt, aber
in irgendeinem Punkt, um den Außenumfang
des Körpers
herum. Demzufolge wird die Körperoberfläche, auf
welcher das Strahlungsfeld auftreffen kann, ein Band um den Detektorkörper herum
bilden.
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Die beschriebenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind rein beispielhaft, und die Erfindung
umfasst auch Detektoren mit beispielsweise Spiegelbildkonstruktionen
sowie Detektoren, die mit anderen geometrischen, Konfigurationen
aufgebaut sind.
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Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, das sensitive Medium eine Flüssigkeit,
die Isooktan, ISO, (C8H18)
und Tetramethylsilan, TMS, (Si(CH3)4) beinhaltet. In Versuchen, die mit sensitiven
Media durchgeführt
wurden, die aus Mischungen aus TMS und ISO bestanden, erreichten
wird ein praktisch konstantes Verhältnis zwischen Messsignal und
absorbierter Dosis durch den gesamten Photonenenergiebereich von
30–200
keV hindurch, der für
medizinische Zwecke relevant ist, wobei der Detektor verwendet wurde,
um die von einem wässrigen
Körper
und von Körpern
aus anderem Gewebe imitierendem Material absorbierte Dosis zu bestimmen.
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Die Kurven in 3 zeigen die Energieabhängigkeit
eines Kalibrierungsfaktors N(D, V), auf der Y-Achse, innerhalb eines
niedrigen Energiephotonenbereichs von 30 bis 120 keV, der X-Achse, für vier unterschiedliche
Flüssigkeiten
als sensitiven Media. Der Kalibrierungsfaktor N(D, V) ist als von
Wasser absorbierte Dosen geteilt durch die Menge der gesammelten
Ladung ausgedrückt.
Bezüglich
der Nützlichkeit
und Verlässlichkeit
des Detektors wird ein sensitives Medium bevorzugt, das einen Kalibrierungsfaktor
hat, der unempfindlich bezüglich
Energievariationen ist. Aus der Zeichnung ergibt sieh, dass eine
Mischung von 65% ISO und 35% TMS besonders gute Eigenschaften hat.
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Die optimale Mischung wurde einem
Reproduzierbarkeitstest in einem erfindungsgemäßen Detektor unterzogen, wobei
herausgefunden wurde, dass die Mischung auch unerwartet ein besseres
Ergebnis ergab als andere Mischungen aus ISO und TMS. 4 zeigt das Ergebnis eines
solchen Tests, wobei die relative Änderung in der Antwort, Net-Signal,
von einem erfindungsgemäßen sensitiven
Medium aus 65% ISO und 35% TMS über
einen Zeitraum von 150 Kalendertagen getestet wurde. Die verwendete
Polarisierungsspannung war –300V,
und die Messungen wurden in Luft mit Co-60 als Strahlungsquelle
und bei einer Dosenrate von ungefähr 1 mGy/min beim Messpunkt
durchgeführt:
Die relative Veränderung
in der Antwort lag innerhalb von ±0,2% während des Versuchszeitraums,
was als sehr gering angesehen werden muss.