DE3110943A1 - Verfahren und einrichtung zur quantitativen erfassung der dosisproportionalen radiophotolumineszenz von festkoerperdosimetern - Google Patents
Verfahren und einrichtung zur quantitativen erfassung der dosisproportionalen radiophotolumineszenz von festkoerperdosimeternInfo
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Description
GESELLSCHAFT FÜR STRAHLEN-UND Neuherberg, 17.03.1981
ÜMWELTFORFSCHUNG MBH,MÜNCHEN PLA 8111 Ga/hr
Verfahren und Einrichtung zur quantitativen Erfassung der dosisproportionalen Radiophotolumineszenz von Festkörperdosimetern.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur quantitativen Erfassung der dosisproportionalen
Radiophotolumineszenz eines Festkörperdosimeters bis in einen Dosisbereich, der der natürlichen
Umgebungsstrahlung entspricht, wobei das Festkörperdosimeter mittels einer Lumineszenz erzeugenden
Strahlung bestrahlt und die aus dem Festkörperdosimeter austretende Lumineszenzstrahlung erfaßt wird.
Die Radiophotolumineszenz (RPL) ist von parasitärer Lumineszenz überlagert, die nicht durch Ionisationsstrahlung erzeugt wird. Bei der CW-Anregung simuliert
diese Lumineszenz ein Dosissignal, die sogenannte Vordosis, das die Anwendung von z.B. Metaphosphatgläsern
im unteren Dosisbereich einschränkt. Die parasitären Signale erklären sich durch FluoreszenzZentren auf der
Glasoberfläche, während der RPL Ag° - oder Ag++ -Zentren
im Glasvolumen zugeordnet sind. Die Anregungs- und Emissionsspektren der Vordosis-Fluoreszenz und der RPL
überlappen sich und können daher mittels spektroskopischer Einrichtungen nicht voneinander getrennt werden.
Diese parasitäre Fluoreszenz konnte durch entsprechende Glaszusammensetzungen beachtlich reduziert werden
(R. Yokota et al, US-PS 3 463 664) .
Selbst bei "optimalen" Dosimeterproben (Y. Nishiwaki et al, 5th Int. Congr. Rad. Prot. Ass., Jerusalem (198O))
liegt die Vordosis immer noch im mGy-Bereich und ist
— 5 —
damit um 1 Größenordnung höher als der für die Personendosimetrie
interessante untere Dosisbereich von unter ca. 0/1 mGy, der auch der natürlichen monatlichen
Umgebungsstrahlung entspricht.Die RPL-Meßwerte
sind daher mit einer sehr großen Unsicherheit behaftet.
Auch die Einzelimpuls-Laser-Anregung (F. Hillenkamp, D.F. Regulla, 3rd Int. Congr. Lumin Dosimetry, Ris0
(1971)) hat zwar gezeigt, daß ein der Oberflächenlumineszenz zuzuordnendes Vordosis-Signal zeitlich
ca. 10 mal schneller abklingt als die RPL und bei zeitaufgelöster Signaldetektion von der RPL diskriminiert
werden kann; die Auswertung des analogen RPL-Meßsignals
(mit Hilfe eines Oszillographen) ist jedoch relativ ungenau. Außerdem schwankt das Meßsignal um ca. - 30 %
aufgrund der Schwankungen der Laserimpuls-Energie. Verläßliche quantitative Werte werden erst für Dosen oberhalb
0,1 mGy entsprechend etwa 100 mR erreicht.
Es liegt nahe, den Einfluß der schwankenden Laser-Impulsenergie
durch Mittelung oder Normierung zu eliminieren, wie von R. Yokota et al, 3rd.Int. Congr.Lumin.
Dosimetry, Ris0 , 1971; G. Dörger et al, 5th Int. Congr. Lumin. Dosimetry, Sao Paulo, 1977 vorgeschlagen. Die
Auswerteverfahren dieser Autoren ermöglichen jedoch keine zeitaufgelöste Signaldetektion, damit keine
Kompensation der Untergrundlumineszenz entsprechend der z.B. bei J. Barthe et al, Health Phys. ,29, 213
(1975) beschriebenen Komponenten und somit auch keine
quantitative Auswertung der RPL als Funktion der Dosis.
Die der Erfindung gestellte Aufgabge besteht nunmehr darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung
des zeitaufgelösten Lumineszenznachweises zu bieten, das es ermöglicht, weitere Beiträge zur Vordosis
zu erfassen und somit die RPL mit erhöhter Genauigkeit bis in den 100/UGy-Bereich und darunter
quantitativ zu erfassen.
quantitativ zu erfassen.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 beschrieben.
Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Einrichtungen zur
Durchführung desselben wieder.
Die besonderen Vorteile der Erfindung beruhen demnach
u.a. auf folgenden Verfahrensschritten:
- Repetierendes Meßverfahren mit einer großen Zahl von
4 5
Einzelmessungen (typisch 10 - 10 ). Daraus resultiert eine gute Meßstatistik und eine Mittelung über die
schwankende Laserimpuls-Energie.
- Hohes Signal/Rausch-Verhältnis durch Einzel-Photonenzählung.
Digitale, zeitaufgelöste Erfassung der Einzelphotonen. Deren Aufsummierung ergibt die Fluoreszenz-Zerfallskurve.
Der Zeitbereich wird von etwa 75 ns bis 40,us nach der Laserimpuls-Anregung gewählt. Damit werden
sehr kurzlebige Komponenten (Vordosis-Beitrag durch Oberflächenlumineszenz, Laser-Streulicht) und sehr
langlebige Komponenten "abgeschnitten".
Anpassung der Meßkurve mittels Mikrocomputer durch Überlagerung mehrerer Exponentialkurven. Die Auswertung
ergibt 2 exponentielle Zerfälle, die der RPL bzw. den Störlumineszenzen des optischen Systems
zugeordnet werden können. Die Abklingzeiten von RPL und Störlumineszenzen betragen z.B. (3 - 1) ,us bzw.
(30 - 10) ,us und sind gegenüber den Angaben anderer
Autoren im Rahmen der hier verlangten Meßgenauigkeit dosisunabhängig (J.Barthe et al, Health Physics 29,
213-2T6, 1975).
Das dosisproportionale RPL-Signal wird vollständig von den Störlumineszenzen getrennt und integral über
die Zeit ausgewertet.
Zeitliche Diskriminierung aller Störlumineszenzen, d.h. der gesamten Vordosis, vom RPL-Signal.
Aufgrund der großen Zahl von Einzelmessungen und des hohen Signal/Rausch-Verhältnisses Beseitigung des die
untere Meßgrenze bestimmenden Faktors und Erhöhung der Meßgenauigkeit.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles
mittels der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt hierbei eine schematisierte Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Alle Messungen (siehe Figuren 2 bis 4) werden mit einem Metaphosphat-Dosimeter 1 (Typ D0§0_
Schott und Gen.,FRG) durchgeführt, welches auf einem automatischen Probenwechsler 2 aufliegen kann, der von
der noch zu beschreibenden Mikrocomputer-Steuerung (Steuerleitung 3) bedient wird. Die Größe der Dosimetergläser
1 beträgt 8x8x4,7 mm . Die Dosimetergläser
1 sind bestrahlt, so daß Fluoreszenzzentren in ihnen vorliegen.
Zur Erzeugung der Einzel- und Mehrfachphotonen 4 wird das Dosimeterglas 1 in eine lichtdichte Kammer
gelegt und mit Anregungsstrahlung 6 aus dem Impulslaser 5 angeregt(N2~Laser; Wellenlänge 337 nm; Impulsdauer
10 ns;Wiederholungsfrequenz 40 Hz). Verwendbar als Lichtquelle 5 ist auch eine N2-Blitzlampe .oder dergleichen.
Der Anregungsstrahl 6 wird über einen Spiegel 7, ein Abschwächungsfilter 8 und ein Interferenzfilter
9 auf das Glasdosimeter 1 gerichtet. Das durch das Glasdosimeter 1 hindurchtretende Licht 10 nimmt ein
Lichtsumpf 11 auf. Die emittierte Strahlung 4 (senkrecht zur Anregungsstrahlung 6 aufgenommen) wird z.B.
durch zwei Breitband-Interferenzfilter 12, 13 (wobei
das zweite Filter 13 die Eigenfluoreszenz des ersten 12 weitgehend absorbiert), N2-Spiegel für selektive
Reflektion des Anregungslichtes 6 und ein Inter-' ferenzfilter für Emissionslicht 4 oder lichtstarke
Monochromatoren geführt, bevor sie auf den Photomultiplier 14 auftrifft.
Die Schaltungsanordnung zur Ermittlung der dosisproportionalen RPL sieht eine Erfassung des Anregungslichtes 6' über den Strahlteiler 15 und die Photodiode
16 sowie der Einzelphotonen-Fluoreszenz 17 (aus Emissionsstrahlung 4) über den Photomultiplier
14 vor. Anregungs- und Einzelemissionssignal 18, 19 werden getrennt den Start- und Stopkanälen 20, 21
des Zeit-zu-Impulshöhen-Wandlers 22 zugeführt. Dieser
Wandler 22 erzeugt Spannungsignale 23, die jeweils der Verzögerungszeit 2"zwischen ermittiertem Einzelphoton
17 und Anregungssignal 6' proportional sind.
Der dem Wandler 22 nachgeschaltete Vielkanal-Analysator
24 dient dem Sortieren und Aufsummieren der Spannungsimpulse 23 und ζμΓ Darstellung der Fluoreszenz-
Zerfallskurven, wie sie .z.B. in Figur 2 und 3 (für 0,3 mGy- bzw. 10 m Gy-Dosis) aufgezeigt sind. Sowohl
Anregungs- und Exnzelphotonenimpuls 18, 19 werden über einen Verstärker 25 bzw. 26 und einen Diskriminator
27 bzw. 28 dem Wandler 22 zugeführt. Im Start-Kanal 20 liegt jedoch noch eine Impulsverzögerungsleitung
29 (z.B. 75 ns), damit nur verzögerte Fluo-
- 10 -
röszena-Signcile 17 gemessen werden. Dadurch ist der
Anregungsstreulicht- und kurzlebige Vordosiseinfluß (Oberflächen-Lumineszenz) eliminierbar.
Ein Integrationsverstärker 30 und ein Einkanaldiskriminator
31 sind dem Stop-Kanal 21 parallelgeschaltet. Sie bilden den sogenannten "Strobe"-Kanal 32, der dafür
sorgt/ daß nur Einzelphotonen vom Wandler 22 registriert werden. Mehrphotonenprozesse, die quantitativ
nicht sinnvoll gemessen werden können, werden dabei eliminiert; ihr Beitrag zur Lumineszenz wird jedoch
mit Hilfe der PoissonrStatistik ermittelt. Die Zeitkonstante der Einrichtung nach Figur 1 ist besser als
2 ns.
Die Ermittlung der RPL und die Steuerung der Einrichtung nimmt ein Mikrocomuputer 33 für multiexponentielle
Anpassung vor, welcher dem Vielkanal-Analysator 24 nachgeschaltet ist und u.a. auch eine Datenausgabe
34 sowie eine Steuerung 35 der Impulslichtquelle 5 aufweist.
Die Figuren 2 und 3 zeigen Fluoreszenz-Zerfallskurven zweier Metaphosphatgläser 1, die mit Gamma-Dosen von
0,3 mGy und 10 mGy bestrahlt und von der Einrichtung nach Figur 1 als Zwischenergebnisse erstellt werden.
Bei beiden Zerfallkurven zeigen sich zwei Bereiche, denen über eine biexponentielle Anpassung (Mikrocomputer
33) zwei verschiedene Zerfallzeiten "C. =
(3 - 1) ,us und 'Z'2 = (30 - 10) ,us zugeordnet wurden.
- 11 -
Die Zerfallzeit ist der Oberflächenlumineszenz zuzuordnen, durch die Impulsverzögerung 29 (siehe
Figur 1) jedoch abgeschnitten.
Beide Kurven belegen, daß die Langzeitkomponente C2"2)' welche der Störlumineszenz (z.B. der optischen
Komponenten) zugeordnet ist, nicht von den Bestrahlungsdosis abhängt. Die Kurzzeitkomponente (2T1) wächst
jedoch monoton mit der absorbierten Dosis {0,3 mGy auf 10 mGy). Diese Komponente wird der sich dem Untergrund
überlagerten RPL zugeordnet. Die Fläche 36, welche sich durch ^1,^0, ~f durch den Mikrocomputer
33 bestimmen läßt, gibt das dosisproportionale Meßergebnis wieder.
In Figur 4 ist die integrierte Anzahl der RPL-Einzelphotonen,
ermittelt in einem Zeitintervall von 0.5 bis 6 ,us nach Laseranregung, als Funktion gegenüber
der absorbierten Dosis (mGy) aufgetragen. Die Ergebnisse sind untergrundstrahlungskorrigiert. Die Zählrate
ist sichtbar proportional der Dosis bis hinab zu 0.3 mGy. Eine Erhöhung der Impulsfrequenz der An-
4 -1 regungsquelle bis zu 5 χ 10 s bei für die Praxis vertretbaren Meßzeiten führt zu einer weiteren Reduktion
der quantitativ nachweisbaren Dosis (wie in Figur 4 durch Extrapolation angedeutet) und einer
noch besseren Meßgenauigkeit.
- 12 -
Leerseite
Claims (6)
1. Verfahren zur quantitativen Erfassung der dosisproportionalen
Radiophotolumineszenz (RPL) eines Festkörperdosimeters
bis in einen Dosisbereich, der der natürlichen Umgebungsstrahlung entspricht, wobei das
Festkörperdosimeter mittels einer Lumineszenz erzeugenden Strahlung bestrahlt und die aus dem Festkörperdosimeter
austretende Lumineszenzstrahlung erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörperdosimeter
(1) mit einer gepulsten repetierenden Anregungsstrahlung (6) bestrahlt und eine zeitaufgelöste
Einzelphotonenerfassung (17) der Lumineszenzstrahlung
(4) nach jedem Anregungsimpuls (6) durchgeführt wird, daß aus der Aufsummierung der
Einzelphotonen (17) eine Lumineszenz-Zerfallskurve aufgestellt wird und daß daraus zwei exponentielle
Zerfälle, die der Radiophotolumineszenz und einer Störlumineszenz zugeordnet sind, mittels eines
Rechners (33) separiert werden und das dosisproportionale Radiophotolumineszenzsignal integral über
die Zeit berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur Einzelphotonen (17) erfaßt werden, die gegen-
über dem Anregungsimpuls (6) zeitlich verzögert sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mehrphotonen-Prozesse bei der Messung
zwar unterdrückt, ihre Beiträge zum Radiophotolumineszenzsignal
jedoch statistisch erfaßt werden.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1 oder einer der folgenden, gekennzeichnet durch eine Impulslichtquelle (5), die das Festkörperdosimeter
(1) bestrahlt, durch einen Detektor (14), der die Einzelphotonen (17) erfaßt, durch einen
weiteren Detektor (16) für die Erfassung der Anregungsstrahlung (61) und durch eine Schaltungsanordnung
mit einem Zeit- zu- Impulshöhen-Wandler (22) und Vielkanalanalysator (24), die die Einzelphotonen
(17) und ihr zeitliches Auftreten nach der Anregung (6, 61) erfaßt.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Mikrocomputer (33) , der das dosisproportionale
Radiophotolumineszenzsignal ermittelt, die beschriebene Schaltungsanordnung sowie auch die Impulslichtquelle
(5) und den Probenwechsler (2) steuert.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch optische Elemente (7 bis 9, 12, 13, 15) im Strahlengang
(6, i) der Anregungsstrahlung und Lumineszenzstrahlung zur gezielten Anregung des Festkörperdosimeters
(1) und Selektion der RPL Einzelphotonen (17) sowie zur Strahlteilung (15) der Anregungsstrahlung
(6, 61).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: GSF - FORSCHUNGSZENTRUM FUER UMWELT UND GESUNDHEIT |
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| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |