Anordnung zur Erfassung der integralen örtlichen Dosis umgebender energiereicher Strahlung

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Anordnung zur Erfassung der integralen örtlichen Dosis umgebender energiereicher Strahlung.

Die zunehmende industrielle Verwendung energiereicher Strahlen in den unterschiedlichsten Bereichen der Technik, sowie auch das unerwünschte Auftreten solcher Strahlung, z.B. bei Hochenergie-Teilchenbeschleunigern, haben schon lange Anlaß zu Überlegungen gegeben, geeignete Meßeinrichtungen zu entwickeln. Dabei kommt es vor allem darauf an, die Strahlendosis zu ermitteln, die ein Körper aufgenommen hat, um so Schlußfolgerungen auf mögliche Schäden infolge der Strahlenbelastung oder auch nur auf Qualitätseinbußen an bestimmten Produkten ziehen zu können.

In diesem Zusammenhang hat man bereits festgestellt ("Radiation Protection Dosimetry" Vol. 9 N .4 PP 227281 (1984) nuklear technology Publishing), daß eine Meßtechnik praktikabel ist, die auf den paramagnetischen Eigenschaften der Aminosäure Alanin beruht. Es hat sich nämlich gezeigt, daß im Alanin unter dem Einfluß energiereicher Strahlen langlebige freie Radikalstellen gebildet werden, die ein Maß für die jeweilige örtliche Strahlendosis darstellen.

Aus dieser Erkenntnis heraus:sind besonders einfach herzustellende und -damit vergleichsweise preiswerte; Vorrichtungen oder Anordnungen zur dosimetrischen Erfassung der Strahlenbelastung offenbar noch nicht vorgeschlagen worden, so daß noch immer häufig, beispielsweise in auf energiereiche Strahlung; angewiesenen- Fertigungsbetrieben oder Forschungsanlagen, Unklarheiten über die von der Umgebung aufgenommenen Strahlendosen an ganz bestimmten Stellen bzw. Volumenelementen bestehen und damit auch über die noch zu erwartende Lebensdauer von Einrichtungen und Geräten an diesen Stellen. In besonderem Maße gilt dies für Ver- oder Entsorgungseinrichtungen, etwa für elektrische Kabel, bei deren Beschädigung oder gar Ausfall mit erhöhten Nachfolgeschäden gerechnet werden muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, den aktuellen Stand der Strahlendosis an beliebigen Stellen eines Raumes oder Produktes zu ermitteln.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch einen selbsttragenden oder in langgestrecktes Gut, wie elektrische Kabel, Rohre und dergleichen, integrierbaren Formstrang aus extrudierten Werkstoffen, die Substanzen enthalten, welche unter dem Einfluß der energiereichen Strahlung eine optische Veränderung und/oder eine Änderung ihrer Molekularstruktur erfahren. Solche Formkörper sind in beliebigen Längen herstellbar, sie gestatten aber auch eine einfache Verlegung in Bereichen, in denen das Auftreten energiereicher Strahlung bekannt ist oder vermutet wird. Sie können z.B. in den für elektrische Kabel oder Ver- oder Entsorgungsleitungen vorgesehenen Führungschächten mit verlegt und in bestimmten Zeitabschnitten können aus diesen Formsträngen Abschnitte herausgetrennt, und an diesen Abschnitten können die bis zu dieser Zeit aufgenommenen Strahlendosen ermittelt werden. Auf die Einhaltung bestimmter Zeitabschnitte kann aber auch verzichtet werden, wenn, wie in der Erfindung

auch vorgesehen, der Werkstoff des Formstranges Substanzen enthält, die unter Strahleneinwirkung zu einer optischen Veränderung führen. Dann läßt sich anhand der optischen Veränderung feststellen, ob überhaupt eine Bestrahlung der erfindungsgemäßen Anordnung stattgefunden hat, und wenn ja, kann wie beschrieben, aus dem Formstrang ein Abschnitt oder mehrere herausgetrennt und zur quantitativen Feststellung der aufgenommenen Strahlendosis überprüft werden.

Die Erfindung erlaubt in einfacher Weise aber auch die Kontrolle bzw. Überwachung von mit energiereichen Strahlen arbeitenden Anlagen und Einrichtungen, beispielsweise von sogenannten Strahlenvernetzungsanlagen für elektrische Kabel und Leitungen. Hierzu kann man so vorgehen, daß die gemäß der Erfindung ausgebildeten Formstränge zusammen mit dem zu vernetzenden Kabel durch die Anlage geführt und anschließend die vom Formstrang aufgenommene Strahlendosis ermittelt wird. So sind auf einfachem Wege Rückschlüsse auf das einwandfreie Arbeiten der Anlage ebenso möglich, wie eine Optimierung der zur Vernetzung erforderlichen Strahlendosis bei unterschiedlichen äußeren Abmessungen und/oder Werkstoffen.

Ein anderes Beispiel sind Bestrahlungsanlagen, z.B. sogenannte Co-Quellen als 'Y ^' -Strahler zur Sterilisierung großflächiger Teile oder ausgelegter Materialien.

Als Substanzen, die unter dem Einfluß energiereicher Strahlen eine Änderung ihrer Molekularstruktur erfahren, können beliebige verwendet werden, wenn sie sich nur zusammen mit den Werkstoffen für den Formstrang extrudieren lassen. Von den bisher bekannten Substanzen scheint jedoch Alanin ein besonders geeignetes Material zu sein, so daß diesem bei Durchführung der Erfindung der Vorzug gegeben wird.

Für die Darstellung optischer. Veränderungen an dem erfindungsgemäßen Formstrang wird: man.- orteilhaft strahlensensitive Farbstoffe verwenden, die in das Material des Formstranges eingemischt, mit diesem zusammen extrudiert werden. Als besonders geeignete Farbstoffe- haben sich z.B. Triphenyl-methyl-cyanide erwiesen.. .

Um die Effektivität des nach der Erfindung ausgebildeten Formstranges weiter zu erhöhen, ist es erforderlich, als Basismaterial für den extrudierten Werkstoff eine mit Alanin hochgefüllte Mischung zu verwenden. So kann als Basismaterial für den extrudierten Werkstoff ein thermoplastischer Kautschuk (TPR) oder auch ein Ethylen- Prophylen-Kautschuk verwendet- werden, dem, bezogen auf 100 Teile Polymeres , 30 - 800 Teile Alanin zugegeben werden. Mit 30 - 800 Teilen, vorzugsweise

100 - 200 Teilen Alanin können aber auch ein Polyolefin oder ein Olefinmischpolymerisat, Verschnitte mit elastifizierenden Komponenten, ggf. mit geringen Mengen geeigneter Weichmacher, Stabilisatoren usw. verwendet werden.

Für den Fall, daß die optische Veränderung des erfindungsgemäßen Formstranges allein oder in Kombination mit einer Änderung der Molekularstruktur als Hinweis auf eine erfolgte energiereiche Strahlung herangezogen werden soll , wird man als Basismaterial für den extrudierten Werkstoff ein Polymer allein oder ein Polymerblend verwenden, das aufgrund seiner gezielt eingestellten Polarität die Empfindlichkeit des durch die Strahlung ausgelösten Farbumschlages des Farbstoffes , der in Mengen von bis zu 10% in der Gesamtmischung enthalten sein kann, weiter verbessert.

Der Formstrang nach der Erfindung, der ^' entweder allein oder in Verbindung mit anderem langgestrecktem Gut verwendet werden kann, kann z.B. als Vollprofil ausgebildet sein. Dabei spielt die Form des Querschnittes

keine Rolle, der Querschnitt kann rund, quadratisch, mehreckig oder beliebig ausgebildet sein, entscheidend ist, daß der Formstrang durch Extrusion hergestellt werden kann. Der Formstrang kann auch als Rohr ausgebildet sein. Entscheidend für die Querschnittsform oder die Art des Profiles wird der jeweilige Anwendungszweck sein.

Besonders vorteilhaft ist es auch, den Formstrang, sei es als Voll- oder Hohlprofil, mehrschichtig oder mehrlagig aufzubauen. Dabei können die einzelnen Schichten oder Lagen konzentrisch zueinander angeordnet sein, dies wird dort der Fall sein, wo es sich um kreisförmige Querschnitte des Formstranges handelt. Liegt der Formstrang aber beispielsweise in Form eines Bandes vor, dann wird man, falls erforderlich, die einzelnen Schichten übereinander anordnen. Der Vorteil der Mehrschichtigkeit oder Mehrlagigkeit des Formkörpers ist vor allem darin zu sehen, daß in einer einzigen Anordnung zur Erfassung der integralen örtlichen Dosis umgebender energiereicher Strahlung sowohl die optische Veränderung als auch die Änderung der Molekularstruktur berücksichtigt werden kann. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise so vorgehen, daß von den Schichten des Formkörpers mindestens jeweils eine Alanin und eine zweite strahlensensitive Farbstoffe enthält.

Um den bereits erfolgten Einfluß energiereicher Strahlung sichtbar zu machen, wird bei mehrschichtigem Aufbau die äußere Schicht die strahlensensitiven Farbstoffe enthalten. In diesem Fall hat es sich als zweckmäßig erwiesen, über dieser Schicht eine zusätzliche transparente Deckschicht anzuordnen, die ggf. zusätzlich einen UV-Absorber enthält. Auf diese Weise lassen sich nachteilige Auswirkungen auf die Farbstoffe enthaltende Schicht vermeiden.

Aber nicht nur ganze Schichten- oder Lagen eines, erfindungsgemäßen Formstranges"können die von; einer energiereichen Strahlung beeinflußbaren Substanzen enthalten, man kann in Weiterführung der Erfindung auch so. vorgehen, daß der Alanin und/oder s rahlensensitive . Farbstoff enthaltende Werkstoff in Form von- extrudierte Streifen am oder im Formstrang angeordnet ist. Diese Streifen können längs des Formstranges oder wendeiförmig zu diesem verlaufen, sie können auch als in sich geschlossene Ringe ausgebildet sein, die längs des Formstranges in Achsrichtung nebeneinander und in Abstand zueinander angeordnet sind.

Soll der Formstrang selbsttragend ausgebildet sein, hat es sich in Durchführung der Erfindung als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Formstrang eine dünnwandige geschlossenen Hülle aus einem mechanisch besonders festen Polymermaterial erhält. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diese Hülle, etwa durch Extrusion aufgebracht, eine glatte Oberfläche aufweist, die insbesondere auch beim Verlegen solcher Formstränge in engen Schächten oder auf Kabelpritschen von Nutzen ist. In diesem Zusammenhang kann es weiterhin oft zweckmäßig sein, wenn die dünnwandige Hülle aus einem extrudierbaren Werkstoff erhöhter ^"" Abriebfestigkeit besteht, etwa auf Basis Hartpolyethylen, Polypropylen, Polyurethan und dergleichen allein oder in Mischung.

Kommt es bei der Verlegung der erfindungsgemäßen Formstränge auf eine besonders hohe Zugfestigkeit dieser Elemente an, kann man die Formstränge auch mit längsverlaufenden Fäden oder Strängen erhöhter Zugfestigkeit ausrüsten; dies können beispielsweise Kunststoffäden auf der Basis Polyamide oder -aramide sein, wie sie z.B. unter dem Handelsnamen "Kevlar" bekannt sind.

Werden die Formstränge nach der Erfindung nicht in selbsttragender Ausführung, sondern in der Form verwendet, daß sie in anderes langgestrecktes Gut integriert werden, dann ist es besonders vorteilhaft, wenn der Formstrang am das langgestreckte Gut nach außen abschließenden Mantel als längsverlaufende Noppe oder längsverlaufender Steg angeordnet ist. Diese Noppen oder Stege können in einfachster Weise durch gleichzeitige Extrusion mit dem Mantelmaterial gebildet werden. Auch ein nachträgliches Anspritzen kann für die notwendige Noppen- oder Stegbildung herangezogen werden.

Die Erfindung sei anhand nachstehender Mischungsbeispiele sowie der in den Fig. 1-10 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

Beispiel I

Thermoplastischer Kautschuk 100 Teile

Alanin 100 Teile

Beispiel II

Polyethylen-Copoly er 100 Teile

(Dichte 0,92, Vinylacetatgehalt 8%)

Alanin 100 Teile

Beispiel III

Copolymerisat aus Alpha-Olefinen (VLDPE) 100 Teile

(Dichte 0,895)

Alanin 200 Teile

Beispiel IV

Ethylen-Prophylen-Kautschuk 100 Teile

Weichmacher 30 Teile

Stabilisator 4 Teile

Alanin ^"' 200 Teile

Beispiel V

Polyethylen-Copolymer 100 Teile

Triphenyl-methyl-cyanid ^' . 0,1 - 0,6 Teile

Mögliche Ausführungsformen= der Erfindung, veranschaulichen . die Figuren. So zeigt Fig.- 1- einen z.B. aus der Mischung. II extrudierten Formstrang- 1 , der gemeinsam mit dem zu . . überwachenden elektrischen Kabel oder in der Nähe des zu überwachenden Objektes verlegt, oder in der Nähe des dem Einfluß energiereicher Strahlung ausgesetzten Gerätes angeordnet wird. Der Kunststoffsträng 1 kann neben dem zu überwachenden Gut angeordnet sein, im Falle eines elektrischen Kabels oder einer anderen Versorgungsleitung beispielsweise, kann der Formstrang das Kabel oder die betreffende Leitung aber auch wendeiförmig umgeben. In festlegbaren Zeitintervallen wird ein Teilstück 2 aus dem Kunststoffstrang 1 herausgetrennt und die zwischenzeitlich aufgenommene Strahlendosis auf bekanntem Wege ermittelt.

Das in der Fig. 2 dargestellte strangförmige Gut weist an seinem Umfang eine sich in Längsrichtung erstreckende Noppe 4 auf. Diese Noppe 4, auf beliebige Weise, etwa durch in Abständen vorgesehene Klebverbindungen am Umfang des Gutes 3 befestigt, kann ein Formstrang entsprechend dem Mischungsbeispiel I sein. Das strangförmige Gut 3 kann ein elektrisches Kabel sein, geeignet für die Energie¬ oder Nachrichtenübertragung, aber auch eine Versorgungs¬ bzw. Entsorgungsrohrleitung. Auch von der Noppe 4 werden in festlegbaren Zeitabschnitten Proben 5 zur Messung der aufgenommen Strahlendosis entnommen.

Eine fertigungstechnisch besonders günstige Festlegung von Noppen oder Stegen am Umfang des zu überwachenden Gutes zeigt die Fig.3. Die Seele 6 z.B. eines

Energieübertragungskabels ist von dem Kunststoffmantel 7 umgeben. Bei der Extrusion des Mantels werden gleichzeitig die längsverlaufenden Stege 8 angeformt. Diese etwa aus einer Mischung nach Beispiel III hergestellten, Alanine enthaltenden Formstränge, dienen als Dosimeter für die

energiereichen Strahlen. Die Messung bzw. die in Zeitintervallen erfolgende Kontrolle wird wie oben beschrieben durchgeführt.

Die Fig. 4 zeigt eine Möglichkeit, die mechanische Stabilität aus einer mit Alanin hochgefüllten Mischung hergestellten Formstränge zu erhöhen. Hierzu dient eine, den eigentlichen Formstrang 9 umgebende dünnwandige Hülle 10. Diese Hülle, etwa aus einem abriebfestem Kunststoff, ist nur als äußere Haut zu betrachten, sie wird daher in der Regel weniger als 30% betragen, bezogen auf den Durchmesser des gesamten Stranges.

In der Fig. 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der zur optimalen Kraftübertragung beim Einziehen in enge Kanäle oder ähnliches in den Formstrang 11 ein Faden 12 eingelegt ist. Dieser Faden 12 ist geeignet, die wesentlichen Kräfte bei Zugbeanspruchung aufzunehmen. Zusätzlich kann eine abriebfeste Hülle 13 wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein.

Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen war darauf hingewiesen, daß nach bestimmten Zeitintervallen Abschnitte aus dem erfindungsgemäßen Formstrang herausgetrennt und der Überprüfung unterzogen werden. Diese Festlegung bestimmter Zeitintervalle und Überprüfung möglicherweise noch nicht meßbar durch Strahlung beeinflußter Substanzen läßt sich vermeiden, wenn man, wie nach der Erfindung auch vorgesehen, zusätzlich Substanzen verwendet, die unter dem Einfluß einer energiereichen Bestrahlung bereits optisch eine Reaktion anzeigen. Solche Ausführungsformen der Erfindung zeigen die Fig. 6 - 10.

In der Fig. 6 ist ein Formstrang mit rundem Querschnitt dargestellt, der aus einem Alanin enthaltenden extrudierten Kern 14 und einer darüber extrudierten Schicht 15 besteht, die zur optischen Anzeige einer aufgetretenen Strahlendosis einen strahlensensitiven Farbstoff enthält, beispielsweise ein Triphenyl-methyl-

cyanid, wie es im Mischungsbeispiel V angegeben ist. Die zunächst z.B. farblose Farbschicht 15 erfährt unter dem Einfluß energiereicher Strahlung eine Einfärbung, wobei die Intensität der Einfärbung bereits ein ungefähres Maß für die aufgenommene Strahlendosis sein kann. Erst wenn' durch die Farbveränderung der Schicht 15 überhaupt energiereiche Strahlen nachgewiesen sind, wird man, um die tatsächliche quantitative Strahlendosis zu ermitteln, von dem Formstrang wie beschrieben, Teilabschnitte heraustrennen und einer Messung unterziehen.

Abweichend von dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 6 zeigt die Fig. 7 eine Ausführungsform, bei der über dem Alanin oder eine andere geeignete Substanz enthaltenden extrudierten Kern 16 die Schicht 17 konzentrisch zum Kern angeordnet ist, die strahlensensitive Farbstoffe, z.B. in einer Größenordnung von 0,5 - 2 Teilen auf 100 Teilen Polymeres enthält. Darüber ist als äußere Deckschicht die weitgehend transparente, konzentrische Schicht 18 vorgesehen, die einmal als mechanischer Schutz für die darunter befindliche Schicht 17 dient, gleichzeitig aber auch dazu verwendet werden kann, die Farbschicht 17 vor dem Einfluß ultravioletter Strahlen zu schützen, indem sie einen UV-Absorber enthält.

Die eine Strahlendosis anzeigende, strahlensensitive Farbstoffe enthaltende Schicht muß aber nicht als konzentrische Schicht bei einem kreisrunden Querschnitt angeordnet sein. Man kann, wie die Fig. 8 zeigt, auch so vorgehen, daß in dem Formstrang 19, dessen extrudierter Werkstoff z.B. Alanin oder ähnliches enthält, mit der Formgebung gleichzeitig ein längsverlaufender Streifen 20 eingeformt wird, der die strahlensensitiven Farbstoffe enthält. Der weitere Aufbau kann dann beispielsweise entsprechend Fig. 7 erfolgen.

Ausgeführt wurde bereits , daß die Querschnittsform des erfindungsgemäßen Formstranges unerheblich ist. Neben den z.B. beschriebenen kreisförmigen Querschnittsformen des

Formstranges kann dieser auch eine Bandform aufweisen. Ein solches Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 9. Die Schichten oder Lagen 21 bzw. 22 sind hier übereinander gelagert, wobei die Schicht 21 gleichsam als Träger Alanin enthält und etwa aus dem Werkstoff entsprechend Beispiel II hergestellt ist, während die Schicht oder Lage 22, hergestellt nach dem Mischungsbeispiel V, die Farbkomponente enthält. Selbstverständlich können auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung weitere Schichten vorgesehen sein, die entweder zur mechanischen Stabilisierung des Formstranges dienen, die Verlegung dieses Formstranges erleichtern oder auch dazu dienen, die strahlensensitive Schicht 22 vor mechanischer Beanspruchung zu schützen. Ebenso können, wie anhand des Ausführungsbeispieles der Fig. 5 erläutert, auch im Querschnitt rechteckförmige Profilstränge mit Zugelementen und dergleichen versehen sein. , _;

Die Fig. 10 schließlich zeigt eine Ausführungsform, bei der auch im Falle eines Formstranges 23 mit rechteckförmigem Querschnitt bei der Herstellung ein längsverlaufender Streifen 24 eingeformt wird. Je nach Dimensionierung der Teilstränge 23 und 24 wird man entweder den längsverlaufenden Streifen oder den übrigen Teil des Formstranges mit den strahlensensitiven Farbstoffen oder mit Alanin oder ähnlichem versetzen, um deren Eigenschaften für die Messung energiereicher Strahlen nutzbar zu machen.