Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchfüh- rung des Verfahrens.

2. Stand der Technik Es sind mehrere direkt anzeigende Personendosimeter be- kannt, die für Strahlenfelder geeignet sind, die aus- schließlich aus Photonen bestehen. Für Strahlenfelder, in denen Neutronen und Photonen gemischt auftreten, sind ge- genwärtig allerdings nur zwei Instrumente bekannt. Beide Instrumente liefern insbesondere für die Messung der Perso- nendosis von Neutronenstrahlung nur unbefriedigende Ergeb- nisse.

Eines dieser beiden Instrumente [1] nutzt für seine Messun- gen vier Halbleiterzähler. Hierbei variiert jedoch das An- sprechvermögen für die Neutronendosis, das im Energiebe- reich von einigen keV bis einigen MeV möglichst konstant sein sollte, um mehr als einen Faktor 100.

Das andere der beiden Instrumente [Siemens EPD-nMk2. 0 ; An- gaben sind dem Handbuch und der Beschriftung des Instru- ments selbst entnommen, Veröffentlichungen zum Aufbau sind nicht bekannt] nutzt drei Halbleiterzähler. Der Energiebe- reich für den Nachweis von Neutronen beschränkt sich hier auf den Bereich thermisch bis intermediär. Dieses Instru- ment ist damit in wesentlichen Anwendungsbereichen der Per- sonendosimetrie auf Neutronen nicht empfindlich.

Bei den benutzten Auswerteverfahren zur Bestimmung der Neutronendosis ist bekannt, dass die Hoch-Energie-Bereiche des Impulshöhenspektrums ausgewertet werden, die von durch Neutronen erzeugten geladenen Kernen hervorgerufen werden [2]. Dieses Verfahren ist jedoch nicht für die gleichzeiti- ge Auswertung einer Neutronen-und einer Photonendosis ge- eignet.

3. Aufgabe Hier setzt die Erfindung an. Es soll ein direkt anzeigendes Personendosimeter für gemischte Neutronen-/Photonenfelder entwickelt werden, das bei den in relevanten Arbeitsberei- chen auftretenden Strahlenfeldern eine richtige Dosisbe- stimmung für beide Strahlenarten getrennt und für die Ge- samtdosis ermöglicht. Darüber hinaus wurde ein Verfahren gewählt, das eine möglichst kleine und einfache Bauweise ermöglicht, da komplexere Aufbauten die Störanfälligkeit und den Anschaffungspreis erhöhen.

4. Lösung Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren der ein- gangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass nur ein Halbleiter- zähler sowohl zur Bestimmung der Neutronen-als auch der Pho- tonendosis benutzt wird und dass die Impulshöheninformation vom Halbleiterzähler für die Ermittlung von Neutronen-und Photonendosis benutzt wird, wobei die Impulse in einem geeig- neten Impulshöhenintervall aufsummiert und durch ein mittle- res Ansprechvermögen dividiert werden und dadurch gleichzei- tig sowohl die Neutronen-als auch die Photonendosis bestimmt wird.

Bevorzugt ist dabei, dass ein Halbleiterzähler verwendet wird, der mit einer empfindlichen Fläche zwischen 0,1 cm2 und 30 cm2 bei angelegter Spannung zwischen 1 V und 100 V eine empfindliche abgereicherte Schicht mit einer Dicke zwischen 1 um und 400 um sowie eine Totschicht mit einer Dicke zwischen 10 nm und 20 um vor der empfindlichen Schicht aufweist, bei

dem sich vor dem Detektor ein Luftspalt befindet, vor dem Luftspalt ein erster Konverter angebracht ist, der aus Mate- rialien mit 6Li oder'OB-Gehalt besteht und Dicken von 0,1 um bis 2,5 cm aufweist, vor dem ersten Konverter ein zweiter Konverter angebracht ist, der aus wasserstoffhaltigem Plastik mit einer Dicke von bis zu 2,5 cm besteht und ein Absorber, bestehend aus Materialien mit 6Li, l°B oder Cd-Gehalt und ei- ner Dicke von 0,1 mm bis 2 cm, den Halbleiterdetektor, den Luftspalt sowie den ersten und zweiten Konverter umgibt.

Zur Lösung der genannten Aufgabe ist ferner eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art gekennzeichnet durch nur einen Halbleiterzähler und eine Auswerteeinrichtung für die Impuls- höheninformation vom Halbleiterzähler für die gleichzeitige Ermittlung von Neutronen-und Photonendosis durch Aufsummie- ren der Impulse in einem geeigneten Impulshöhenintervall und Dividieren durch ein mittleres Ansprechvermögen.

Bevorzugt ist dabei, dass a) der Halbleiterzähler mit einer empfindlichen Fläche zwischen 0,1 cm2 und 30 cm2 bei angelegter Spannung zwischen 1 V und 100 V eine empfindliche abgerei- cherte Schicht mit einer Dicke zwischen 1 um und 400 um aufweist sowie eine Totschicht mit einer Dicke zwischen lOnm und 20 um vor der empfindlichen Schicht, b) sich vor dem Detektor ein Luftspalt (bis zu 2 cm breit) befindet, c) vor dem Luftspalt ein erster Konverter angebracht ist, der aus Materialien mit 6Li oder'OB-Gehalt besteht und Dicken von 0,1 um bis 2,5 cm aufweist,

d) vor dem ersten Konverter ein zweiter Konverter an- gebracht ist, der aus wasserstoffhaltigem Plastik mit einer Dicke von bis zu 2,5 cm besteht und e) ein Adsorber, bestehend aus Materialien mit 6Li, loB oder Cd-Gehalt und einer Dicke von 0,1 mm bis 2 cm, den Halbleiterdetektor, den Luftspalt sowie die Konverter umgibt.

5. Offenbarung Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das entsprechende Ver- fahren machen sich zunutze, dass Photonen durch den relativ kleinen Energieverlust ihrer Sekundärelektronen vorwiegend Signale im Nieder-Energie-Bereich des Impulshöhenspektrums verursachen.

Die Möglichkeit der gleichzeitigen Bestimmung von Neutro- nen-und Photonendosis ist eine besondere Neuheit und er- möglicht den Bau einfacher, direkt anzeigender Dosimeter.

Die Sonde, das Photonenansprechvermögen, die untere Mess- schwelle und das Verhalten in gemischten Neutronen-% Photo- nenfeldern werden nachfolgend an einem Beispiel beschrieben und dann verallgemeinert :

Es wurden Untersuchungen mit der in Abb. 1 schematisch dar- gestellten Detektorsonde durchgeführt, die folgenden Aufbau hat : n-Siliziumdetektor (1) : 257 Um, 560 Qcm, 1 cm2 effektive Fläche, abgereicherte empfindliche Schicht (2) : 40 Um Dicke, Totschicht (3) : 50 nm Dicke, Luftspalt (4) : 0.4 mm Dicke, Konverter 1 (5) : 6LiF, 3.6 Mm Dicke, Konverter 2 (6) : Polyäthylen, 1 mm Dicke, Absorber (7) : Polyäthylene + 50% B4C, 2 mm Dicke, Spannung (8) : 9 V.

Die Konverter 1 und 2 (5,6) sind für den Neutronennachweis optimiert. Sie bestehen im wesentlichen aus Plastik, borhaltiger Plastik und einer dünnen 6LiF-Schicht vor dem Silizium-Detektor. Durch eine angelegte Spannung von 9 V wird eine abgereicherte empfindliche Schicht (2) von 40 Mm erzeugt. Diese dünne Schicht reduziert die Empfindlichkeit auf Photonenstrahlung so, dass sie bei der Bestimmung der Neutronendosis, für die der Hoch-Energie-Bereich des Im- pulshöhenspektrums benutzt wird (> 1,5 MeV), nicht stört.

Trotzdem gibt es eine hohe Empfindlichkeit für Photonen im Niedrig-Energie-Bereich des Impulshöhenspektrums. Für den Bau eines möglichst einfachen Dosimeters ist es möglich, die Signale der gleichen Detektorsonde zur Bestimmung der Photonendosis heranzuziehen und in gemischten Neutronen-/ Photonen-Feldern den Einfluss der durch Neutronen erzeugten Signale auf die Photonenanzeige zu minimieren.

Dazu wurde die Dosimetersonde auf einem ISO-Wasser-Phantom mit Röntgen-Strahlung der N-Serie, mit l37Cs, 60Co, 4,4 MeV und 6 bis 7 MeV Gamma-Strahlung bestrahlt [3,4]. Die Sig- nale des Halbleiterdetektors wurden mit konventioneller nuklearer Elektronik verstärkt und ihr Impulshöhenspektrum aufgenommen. Die Energiekalibrierung wurde mit a-Teilchen einer 24lAm-Quelle durchgeführt. Die Energieauflösung be-

trug ca. 30 keV. Die gemessenen Impulshöhenspektren, nor- miert auf eine Photonen-Personendosis Hp (10) = 1 mSv sind in Abb. 2 dargestellt. Die Überschneidung der Kurven bei den Niedrig-Energie-Signalen der Impulshöhenspektren zeigt, dass die einfachste Lösung für ein fast konstantes An- sprechvermögen für Hp (10) eine Integration der Impulse in einem einzigen Intervall um etwa 100 keV ist. Da in diesem Intervall die Intensität bei Bestrahlung mit Photonen be- sonders hoch ist, wird der Einfluss von Neutronen auf die Photonenanzeige minimiert.

Abb. 3 zeigt das Ansprechvermögen als Funktion der mittle- ren Photonenenergie unter Benutzung einer Integration von Impulsen im Impulshöhenbereich von 60 keV bis 150 keV. Die Bestrahlungen wurden mit senkrechtem Einfall zur Detektor- oberfläche (0°) und-in einigen Fällen-bei 60° zur De- tektor-Normalen durchgeführt. Alle Werte weichen für Be- strahlungen mit Photonen im Energiebereich von 80 keV bis 7 MeV um weniger als 30 % (siehe gestrichelte Linien in Abb.

3) vom Mittelwert (323 Impulse pro pSv, siehe durchgezogene Linie in Abb. 3) ab. Der Abfall bei kleinen Photonenener- gien (N80, mittlere Energie 65 keV) wird wahrscheinlich durch die elektronische Schwelle-verursacht, die bei unge- fähr 70 keV gesetzt wurde, um den Untergrund bezüglich des elektronischen Rauschens zu minimieren.

Die untere Nachweisschwelle hängt sowohl vom Rauschen als auch von Untergrundsignalen (verursacht. durch die natürli- che terrestrische Strahlung) ab. Eine Messung über fünf Tage im Labor ergab eine Photonendosisanzeige von 2,6 pSv.

Dieser Wert ist für Anwendungen im Strahlenschutz fast ver- nachlässigbar, kann aber für genauere Messungen auch sub- trahiert werden. Eine untere Nachweisschwelle in der Grö- ßenordnung von 1 ßSv ist bei einer Messdauer von 8 Stunden leicht erreichbar.

In gemischten Neutronen-/Photonen-Feldern können Neutronen auch im Niedrig-Energie-Bereich des Impulshöhenspektrums Signale produzieren, vorwiegend als Resultat von elastisch gestreuten Neutronen am Silizium [5]. Da exakte Rechnungen für die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht vorliegen, wurde der mögliche Einfluss durch Messungen in verschiedenen Neutronen-Kalibrierfeldern untersucht. Abb. 4 zeigt eine Messung, die mit einer 241Am-Be-Neutronenquelle (1 mm Pb zur Abschirmung von niederenergetischen Photonen) durchge- führt wurde. Die Messung ist auf eine Neutronen- Personendosis Hp (10) = 1 mSv normiert.

Der Vergleich mit dem Ansprechvermögen für Photonen zeigt deutlich, dass mögliche Beiträge im Impulshöhenbereich um 100 keV niedriger als einige Prozent sind. Weiterhin sieht die Form der Verteilung im Niedrig-Energie- Impulshöhenbereich ähnlich aus wie das Photonenansprechver- mögen. Da in der Regel die Neutronen-Kalibrierfelder gerin- ge Anteile einer Photonendosis aufweisen und der Einfluss auch von dem Neutronenenergiespektrum abhängen kann, wurden Bestrahlungen mit Neutronen unterschiedlicher Quellen, die Neutronen mit Energie zwischen thermisch und 14,8 MeV pro- duzieren, durchgeführt und die Photonendosis, die unter Kenntnis des mittleren Ansprechvermögens aus den Impulse- hensignalen des Halbleiterdetektors bestimmt wird, mit den Ergebnissen eines GM-Zählers verglichen. Die Messungen mit dem GM-Zählrohr wurden frei in Luft durchgeführt und die Messwerte bezüglich Neutronen-Ansprechvermögen des GM- Zählrohrs korrigiert [6,7].

Da der GM-Zähler im Photonenfeld einer 60Co-Quelle kalib- riert wurde, aber keine Korrekturen bezüglich Photonen- Energie gemacht wurden, können im Fall der 241Am-Be-Quelle, bei der Photonen mit höheren Energien emittiert werden (4,45 MeV), wegen des höheren Ansprechvermögens des GM- Zählers bei diesen Energien bis zu einem Faktor 1,7 zu hohe Werte angezeigt werden.

Die Ergebnisse der relativen Photonen-zu-Neutronendosis sind in Tabelle 1 angegeben. Mit Ausnahme der Messung an der 241Am-Be-Quelle sind die relativen Photonen-zu- Neutronen-Dosisverhältnisse, die mit dem Halbleiterzähler bestimmt wurden, leicht höher als die Ergebnisse des GM- Zählers (bis zu 2%). Diese höheren Werte können sowohl durch direkte Quellphotonen als auch durch von Neutronen im Phantom erzeugten Photonen hervorgerufen werden. In allen Fällen ist der Einfluss jedoch klein und akzeptabel.

Tabelle 1 : Vergleich des Verhältnisses von Photonen-zu-Neutronen Äqui- valentdosis, gemessen mit dem Halbleiterdosimeter (Hy/Hn) Mess. mit Werten gemessen mit dem GM-Zähler (Hr/Hn) GM für verschiedene Neutronen-Kalibrierfelder.

Neutronenfeld (H «/Hn) GM (H «/Hn) Mess.

252C f 0.038 0.046 252 Cf (mod) 0. 13 0.151 241 Ara-Be 0. 034 0.015 14.8 MeV0. 00120. 0055 Für einen zusätzlichen Photonennachweis muss die bereits für ein Neutronendosimeter entwickelte"low power"- Elektronik (Verstärker, ADC, Mikroprozessor) nach bekann- ten Methoden modifiziert werden, um eine bessere Auflösung im Niedrig-Energie-Impulshöhenbereich zu erreichen.

Es wurde anhand eines Beispiels gezeigt, dass unter Benut- zung eines einzigen Halbleiterdetektors mit speziellen Kon- vertern und Absorbern, optimiert für die Bestimmung einer Neutronendosis, und der Impulshöheninformation ein Dosime- ter aufgebaut werden kann, mit dem sowohl die Neutronendo- sis als auch die Photonendosis bestimmt werden kann. Wäh- rend die Neutronendosis auf der Basis von Signalen, die E- nergiedepositionen oberhalb von 1,5 MeV verursachen, be- stimmt wird, werden für die Bestimmung der Photonendosis Impulshöhensignale von 80 keV bis 150 keV benutzt.

Auf diese Weise erhält man ein Ansprechvermögen, das im Photonenenergiebereich von 80 keV bis 7 MeV für Bestrahlun- gen bei senkrechtem Einfall zur Detektoroberfläche und bei 60° zur Detektornormalen um weniger als 30 % variiert. Die untere Nachweisgrenze liegt in der Größenordnung von 1 pSv.

Neutronen tragen in gemischten Neutronen-/Photonen-Feldern zur Photonenanzeige mit weniger als 2 % bei.

Allgemein ist eine Lösung nach dem im Beispiel beschriebe- nen Prinzip auch möglich, wenn die Parameter des Sondenauf- baus und die Bereiche der Pulhöhenspektrums in gewissen Grenzen variiert werden : Mögliche Veränderungen des Sondenaufbaus : Halbleiterdetektor (1) : 0,1 cm2 bis 30 cm2 Fläche Abgereicherte Schicht (2) : l m bis 400 ßm Dicke Totschicht (3) : 10 nm bis 20 MM Dicke Luftspalt (4) : 0 bis 2 cm Konverter 1 (5) : Materialien mit 6Li oder loB Konverter 2 (6) : Wasserstoffhaltige Plastik : 0 bis 2,5 cm Absorber (7) : Materialien mit 6Li, 1OB oder Cd, 0, 1 mm bis 2 cm Dicke Spannung (8) : 1 V bis 100 V Ebenfalls möglich sind dabei folgende Veränderungen der Bereiche des Impulshöhenspektrums : Photonen : 10 keV bis 2 MeV Neutronen : > 300 keV Durch die aufgezeigten möglichen Veränderungen der Sonden- parameter sowie die Veränderungen in den Bereichen des Im- pulshöhenspektrums wird es möglich, die Sonde auch in ande- ren Strahlenfeldern, z. B. bei Myonen und Elektronen, ein- zusetzen und dabei andere Messgrößen, z. B. Umgebungsäqui- valentdosis, Kerma, biologische Dosis, zu bestimmen.

Alle vorstehend genannten Energien beziehen sich-auf eine Energiekalibrierung mit a-Strahlung aus einer 241Am-Quelle.

Bevorzugte Anwendungen Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren einge- setzt, um an Arbeitsplätzen, in denen gemischte Strahlung von Photonen und Neutronen auftritt, die Personendosis zu ermitteln. Die geringe Energieabhängigkeit des Geräts, die direkte Anzeige der Dosis und der Einbau von Alarmschwellen führen zu deutlichen Verbesserungen im Strahlenschutz. Mög- liche Anwendungsgebiete sind die Messung der Personendosis von Begleitpersonen für Transportbehälter von Brennelemen- ten (z. B. CASTOR), Arbeitern in Kernkraftwerken, Beschäf- tigten an hochenergetischen Teilchenbeschleunigern, Piloten und Bordpersonäl von Flugzeugen.

Erläuterung der Zeichnungen Abbildung 1 : Schematischer Aufbau der Dosimeter-Sonde : 1. n-Siliziumdetektor : 257 ßm, 560 Hern, 1 cm2 effektive Fläche 2. Abgereicherte empfindliche Schicht : 40 Mm.

3. Totschicht : 50 nm 4. Luftspalt : 0,4 mm 5. Konverter 1 : 6LiF, 3, 6 Mm 6. Konverter 2 : Polyäthylen, 1 mm 7. Absorber : Polyäthylen + 50% B4C, 2 mm 8. Spannung : 9 V Abbildung 2 : Impulshöhenspektren, gemessen für Photonenspektren ver- schiedener Strahlenqualitäten. Die Strahlenqualitäten sind in der Abbildung angegeben (mittlere Energien in Klammern).

Alle Messungen wurden auf Hp (10)-im normiert. Die be- nutzte elektronische Schwelle entspricht einer deponierten Energie von 70 keV (Kalibrierung mit 24lAm a-Quelle).

Abbildung 3 : Relatives Ansprechvermögen des Dosimeters auf Hp (10) für die gleichen Photonen wie in Abbildung 2, angegeben als Funktion der mittleren Photonen-Energie. Die gestrichelten Linien zeigen Abweichungen von 30 % vom Mittelwert (durch- gezogene Linie) an.

Abb. 4 : Impulshöhenspektren, gemessen mit einer 241Am-Be-Neutronen- Quelle. Zum Vergleich sind die Impulshöhenspektren der Pho- tonenmessungen aus Abbildung 2 hinzugefügt.

Literatur l. Aoyama, K., Nagase, Y. Suzuki, T., Watanabe, S., Tani- guchi, K., Muramatsu, K. Fujita, M. and Fuji, Y. The Development of New Generation Electronic Personal Dosi- meters. Proceedings of IRPA-10, 10th International Congress of the International Radiation Protection As- sociation, CD-ROM, IRPA, Hiroshima (2000).

2. Luszik-Bhadra, M., A Prototype Personal Neutron Doseme- ter with one Silicon Diode. Contribution to European Workshop on Individual Monitoring of External Radiati- on", 4-6 September 2000, Helsinki, Radiat. Prot. Dosim.

(im Druck).

3. Ankerhold, U., Behrens, R., Ambrosi, P. X-ray spectro- metry of low energy photons for determining conversion coefficients from air kerma, Ka, to personal dose equi- valent, Hp (10), for radiation qualities of the ISO nar- row spectrum series. Radiat. Prot. Dosim. 81,247-258 (1999).

4. Guldbakke, S., Rossiter, M. J., Schäffler, D. and Wil- liams, T. T. The Calibration of Secondary Standard Io- nisation Chambers in High Energy Photon Fields. Radiat.

Prot. Dosim. 35, 237-240 (1991).

5. Fehrenbacher, G., Biersack, J., Cordes, E. and Wahl, W.

Response of Converter Semiconductor Detectors on Neut- ron Radiation. Radiat. Meäs. 28,429-434, 1997.

6. Kluge, H. Irradiation Facility with Radioactive Refe- rence Neutron Sources : Basic Principles. Report PTB-N- 34 (1998).

7. Neumann, S., Guldbakke, S., Matzke, M. and Sosaat, W.

Photon Spectrometry in Monoenergetic Neutron Fields.

PTB-report (im Druck).