NO126101B - - Google Patents

Description

Termoluminescerende måleelement til dosimetri.

Oppfinnelsen går ut på et termoluminescerende måleelement til dosimetri av ioniserende strålinger hvor måleelementet som termolumi-nescensaktiv bestanddel inneholder korn av aluminiumoksyd» AlgO^» som i en andel over 8o vektprosent foreligger i alfa-fase og inneholder et som krystallisator virkende element såvel som en aktivator som danner elektronfeller.

Radio-termoluminescehs er en egenskap som foreligger hos

mange materialer, og består i at der emitteres en lysende stråling når materialet efter på forhånd å være bestrålt bringes på en tilstrekkelig temperatur. Termoluminescens skyldes i forste rekke en eksitering som elektronene undergår, og som får dem til å utfore en overgang hvorved de kommer inn i "feller" hvor de befinner seg i en metastabil tilstand. Når materialet varmes opp, går disse elektroner tilbake til sin ikke-eksiterte tilstand, idet de emitterer en lysende stråling.

Mange termoluminescerende materialer har allerede vært benyttet som dosimetre for ioniserende strålinger. På grunn av sin store folsomhet har spesielt litium- og kalsiumklorid, dotert aad små inn-* hold av forurensninger som magnesium eller mangan, vært benyttet. Imidlertid har de materialer som hittil har vært benyttet, særlig som dosimetre til periodisk måling av bestrålingsdoser mottatt av perso-nale, visse ulemper og særlig den at de er ytterst kostbare. ;Likeledes er det for dosimetri av ioniserende stråling kjent å anvende aluminiumoksyd, særlig i form av rubin og safir, d.v.s. i Æorm av krystaller i alfa-fase, med en tilsetning av en aktivator av termoluminescerende materiale som danner elektronfeller, og i den for-bindelse å anvende aluminiumoksyd-krystaller med kornstorrelser opp til 76 /tun (jfr. "Health Physics", b. 13, 1967, s. 798 - 800; "Science" b. 117, 1953, nr. 3040, s. 345; "G-I-T-Fachzeitschrift fur das Labo-ratorium", 11. årgang 1967, nr. 10, s.970). Videre er det også kjent å anvende aluminiumoksyd som inneholder en andel over 80 vektprosent I alfa-fase ("Journal of Applied Physics", b. 33, 1962, nr. 12, s. 3389 - 3391)» De her anvendte syntetiske rubiner og safirer har imidlertid gitt utilfredsstillende resultater i praksis, da deres termolu-miniscehsmaksima befinner seg ved temperaturer under værelsetemperafeur. ;Ved litiumfluorid og kalsiumfluorid som termoluminescerende materialer er det kjent å anvende kornstorrelser mellom 40 og 200 /um ("Strahlentherapie", b. 132, I967, nr. 4, s. 553 - 557j "Kernenergie", 9. årgang, 1966, nr. 7, s. 228 - 232; "Zeitschrift fiir Naturforschung", b. 19a, 1964, nr. 7/8, s. 978 og 979). ;Det er også allerede kjent å forene korn- eller pulverformede termolumininescens-materialer til et fast legeme ved hjelp av forskjellige organiske eller anorganiske bindemidler ("Strahlentherapie", b. 132, I967, nr. 4, s. 553 - 557; <«>Kernenergie<»>, 8. årgang, I965, nr. 9, s. 544; "Nucleonics", b. 18, 1960, nr. 3, s. 92, 95, 96, 98, 100 og 102; "Kernenergie", 5. årgang, 1962, nr. 3, s. 173). ;Videre er det også allerede kjent å inneslutte korn av termoluminescerende materiale i et gjennomsiktig orahyllingsmateriale, f.eks. polytetrafluoreten (('Strahlentherapie", b 132, 1967, nr. 4, s. 553 - 557)» På denne måte kan dosimeter-materiale beskyttes mot forstyrrende værinnflytielser og mot kontaminasjon, Å anbringe slike dosimetre til bestemmelse av kontaminasjon av bygninger representerer ingen tilfredsstillende losning, for det er vanskelig ■ å avlede den kontaminasjon som mottas av en hel vegg,fra en dose registrert av etter-moluminescerende dosimeter anordnet i nærheten. Anbringelsen av et ;1 ;i ;vanlig dosimeter på en femdig vegg i en bygning forer ofte til at dosi-meteret blir utsatt for tallrike innflydelser som virker forstyrrende. ;Det er derfor oppfinnelsens oppgave å skaffe et termoluminescerende-dosimeterelement som egner seg til dosimetri av stråling og til å foyes inn som byggedel i vegger i vanlige bygninger, og som Juar den fornodne bestandighet mot atmosfæriskeinnflydelser,samt hvorfra det er mulig å få prover som kan tilgodegjores noyaktig for en kåta-st rofe-dosemåling. ;Ved et termoluminescerende måleelement av den innledningsvis angitte art blir denne oppgave lost ved at der som krystallisator foreligger fluor i en andel av 0,01 til 1 vektprosent og som aktivator foreligger 0.01 til 1 vektprosent natrium i aluminiumoksydet, og at aluminiumoksydet foreligger i en kornstorrelse under 400 yum. ;Det tilstedeværende natrium i mengder over 0.01 vektprosent ;i aluminiumoksydet skaffer de elektronfeller som bevirker ;radio-termoluminescensen. Materialets folsomhet tiltar tilnærmel-sesvis lineært med natriuminnholdet i det minste opp til et maksimalt innhold av ca. 1% i alfa-aluminiumoksydet. Man soker derfor ikke å overstige denne verdi, så meget mere som der ovenfor denne grense opptrer natriumaluminat. ;For at aluminiumoksydet skal foreligge i alfa-fase,må man tilsette det en krystallisator. Til dette anvender man 0.01 til 1 vektprosent fluor, som under fremstillingen av aluminiumoksydet ved smeltning og efterfolgende stivning forer til dannelse av monokrystaller av stor dimensjon. Ved efterfolgende knusning av disse monokrystaller får man dermed korn som vesentlig utgjores av gjennomskinnelige fragmenter av monokrystaller av aluminium i alfa-fase (d.v.s. korund). I fravær av fluor ville aluminiumoksydet ha en stor andel i beta-fase, hvor kornene ville ligpe de relativt ugjennomsiktige korn av aluminiumoksyd som fremstilles ved rostning, og det lys som eventuelt ville bli emittert ved termoluminescens, ville bli absorbert i kornene, så materialet ville være uskikket for dosemåling. ;Den ovre grense på 400 mikroner for kornets dimensjon er en praktisk grense. Går man ut over den, blir det vanskelig å varme opp kornet homogent og inn til kjernen med sikte på avledning. Omvendt er det onskelig at materialet inneholder en andel av minst 60 vektprosent av korn med dimensjon over 10 mikroner. Under denne dimensjon kommer det lys som emitteres under oppvarmningen, dårlig ut av kornene for å påvirke "leserens" lysfolsomme organ. ;Aluminiumoksydets innhold av visse andre elementer som mangan og krom b5r være lavest mulig og fortrinnsvis under 20 ppm, for selv i små mengder har disse elementer en ugunstig innflytelse på materialets termoluminescens. ;F.eks. har man ved en elektrisk smeltemetode fremstilt et termoluminescerende materiale som egner seg for dosimetri. Materialet utgjores av omtrent 95 vektprosent i alfa-fase, mens innholdet ;av den interessante forurensning (natrium) er 0,7 vektprosent. Materialet inneholder likeledes spor av SiOg, Fe^ O^, Tl, V, Ge og F. ;Under mikroskop viser dette måleelement-materiale seg å bestå av gjennomsiktlige fragmenter med tydelige kanter. ;Når det således fremstilte termoluminescerende materiale en gang er bestrålt, viser det ved temperatursdigning en kurve for radio-termoluminscens med fire på hinannen folgende topper. Den fjerde ;(som frigjores ved hoyere temperatur) skyldes vesentlig dev feller som forårsakes av tilstedeværelsen av natrium. Bare Menne sistnevnte topp er stabil og kan utnyttes til dosemåling uten særskilte forholdsregler. De tre ovrige topper kan fjernes ved en enkel oppvarmning til 150°C ;i ca. 10 minutter. ;Måten hvorpå det termoluminescerende måleelement i henhold til oppfinnelsen reagerer på forskjellige typer av strålinger, kan sammenfattes som folger: a) Kurven for reaksjon på rontgen- og gamma-fotoner ligger mellom dem for litiumfluorid og kalsium-fluorid, men i betraktelig mindre grad har materialet en hyperfolsomhet overfor små energier. Således er reaksjonen på strålinger på 45 keV omtrent tre ganger hoyere enn den man får med en stråling på 1 MeV. Utover denne energi og opp til omtrent 10 MeV er folsomheten nesten konstant. b) Reaksjonen på hurtige neutroner er neglisjerbar for en energi under 8 MeV. Ved en energi over 8 MeV ytrer produksjonen av ^a24 se^ vec* en ^ke neglisjerbar reaksjon. Men det må erindres at andelen av neutroner med energi over 8 MeV er liten i neutronflukser som skriver seg fra fisjoner, så man i virkeligheten kan regne med at materialet har en neglisjerbar folsomhet for hurtige neutroner. c) Reaksjonen på termiske neutroner er av samme storrelsesorden som for gamma-strålinger. Nærmere bestemt er materialets reaksjon på en Rem av termiske neutronstrålinger ekvivalent med den som skyldes en tilsynelatende dose på 0,75 Rem av gammastrålinger. Denne særegenhet representerer en fordel fremfor andre materialer som f.eks.

LiF,som er hyperfolsom for termiske neutroner.

d) Folsomheten for beta-stråling lar seg utnytte for store energier, over omtrent 1 MeV. I betraktning av beta-strålingens svake

inntrengning er det fordelaktig for dens dosimetri å anvende materiale med fin korning. I dette tilfelle blir reaksjonen likeverdig med den man får med en gamma-stråling.

Blant de mulige tilpasninger av det termoluminescerende element ifolge oppfinnelsen synes en av de mest interessante å bestå i at materialet innlemmes i et byggemateriale (byggestein, takstein, fliser o.l.) som kan benyttes sammen med tradisjonelle materialer for å danne eller kle veggene av rom samtidig som de gjor det mulig å bestemme den dose av ioniserende strålinger (som gamma- og neutronstrålinger) som mottas av veggen.

Det kan f.eks. være onskelig enten periodisk eller efter

et spesielt uhell å skulle bestemme den bestrålingsdose som er mottatt direkte på et gitt sted, eller den bestrålingsdose som er medfort av radioaktiv forurensning på vedkommende sted. Foruten tilfellet av kjerneeksplosjon kan en slik bestemmelse komme på tale i nærheten av en forsknings- eller kraftreaktor med sikte på periodisk å få bekref-tet fravær av bestrålingen. Således kan det være nyttig i tilfellet av at en reaktor blir utsatt for et uhell.'

Med sikte på slike muligheter er det hensiktsmessig å for-dele kornene av aluminiumoksyd jevnt i et stykke hvis kohesjon skaffes med et kjemisk, organisk, keramisk eller med vann avbindende bindemiddel.

Når stykket skal anvendes som byggemateriale, bor det til-fredsstille en rekke krav: det bruksferdige stykke bor ha form av en murstein, takstein etc. som enten har normale dimensjoner eller reduserte dimensjoner og lettvint egner seg for uttagning av sylindriske prover som er homo-gene i hele sin masse, foråt proven skal bli maken uansett hvor den tas ut,

den uttatte prove bor kunne benyttes direkte uten forutgå-ende sortering mellom bruddstykkene,

innholdet av aluminiumoksyd bor være så hoyt at folsomheten blir tilstrekkelig, en betingelse som kan antas oppfylt om der foreligger en konstaterbar reaksjon av fem Rad.

Egenskapene hos aluminiumoksydet som anvendes ifolge oppfinnelsen, gjor det mulig å oppfylle enda en betingelse: relasjonen mellom mottatt dose og den lysende emisjon som leveres til et avlesning sinstrument , skal være kjent opp til minst henved 10^ Rad og være lineær i det minste for svake doser.

Alle disse betingelser forer til at man i praksis bor velge et vektinnhold av A120^ i materialet mellom 70 og 98% og fortrinnsvis av størrelsesorden S6%.

Bindemiddelet skal tjene til å gi stykket de mekaniske egenskaper som gjor det mulig å anvende det som byggemateriale (tilstrekkelig mekanisk kohesjon, såvel som motstand mot smuldring, vær-innflytelser og trykk). Det er dette kriterium som bestemmer den praktiske grense for innholdet av aluminiumoksyd. Blant de bindemidler som egner seg til formålet, kan særlig nevnes: kjemiske bindemidler, som epoksydharpikser, glass, MgOCl, AlPO^...

organiske varmebindemidler, som silikoner keramiske bindemidler, som kaolin, feltspat m.v. hydrauliske bindemidler, særlig sement.

Måten stykket skal produseres på, avhenger selvsagt fremfor alt av art.av anvendt bindemiddel når blandingen av Alg<O>^ og bindemiddel en gang er foretatt og gjort så homogen som mulig.

Bruker man et organisk varmebindemiddel, blir dette karbonisert etter å være blandet med AlgO^ og stykket er bragt i brikettform. Produktene av rostningen (henimot 500°C for silikoner) bevirker en innbyrdes sammensveising av aluminiumoksydkornene (ved frigjoring av kisel, som i nærvær av et basisk element innfort i liten mengde i blandingen gir et silikat). Denne sveisevirkning meddeler materialet dets mekaniske ko.-hesjon og knusningsmotstand. I tilfelle av et keramisk bindemiddel blir stykket fremstilt ved bakning av blandingen av krystallisert aluminiumoksyd i pulverform og bindemiddel (f.eks. kaolin eller feltspat), hvortil man setter et lite innhold, av størrelses-orden 1$, av organisk koldbindemiddel, f.eks. dekstrin, melasse eller papirmasse, for å sikre kohesjon etter presning, samt 0, 1% av et fuktemiddel til å senke overflatespenningen. Man må huske at baketempe-raturen folger av et kompromis: Er den for lav, blir kohesjonen mellom kornene i aggregatet ikke realisert i tilstrekkelig grad. Er den for hoy, kveler den fenomenet termoluminescens. I alminnelighet

vil man arbeide ved temperatur mellom 1000 og 1500°C.

Man har spesielt fremstilt stykker ved fSigende metoder: krystallisert aluminiumoksyd knuses til en korning under 200^u og tilblandes så en grot, som utgjor bindemiddelet og består av kaolin og feltspat i kolloidal tilstand i vann med et tilsatt fuktemiddel.

De respektive vektandeler kan være S6fo aluminiumoksyd, 3% feltspat

og 1% kaolin for den ferdigs stein når man ikke regner vannet med.

I blandingen blir der for bakningen innfort 1$ dekstrin, som for-svinner ved bakningen. Den oppnådde deig presses i en mursteinsform og torkes. Råstéinen som kommer fra pressen, bakes i to etapper ved temperaturer av størrelsesorden henholdsvis 124-0 og 1450°C. Denne fremstillingsteknikk er relativt konvensjonell, og en beskrivelse av den kan finnes i boken "La technologie des produits céramiques réfractaires" av A. Jourdain (Gauthier Villars - Paris 1966).

Den således fremstilte byggestein kan benyttes sammen

med byggesteiner av samme eller annet format for å danne vegger, skott eller gulv. For siden å bestemme den integrerte dose som er mottatt av veggen eller gulvet, tar man en sylindrisk prove av steinen.

Er denne massiv, gjores dette med et diamantbor. Fra denne sylindriske prove kapper man en eller flere skiver, som man anbringer i et av-le sningsapparat for termoluminescerende dosimetre etterat apparatet på forhånd er utstyrt av prover av materialet av samme type, som har vært utsatt for kjente strålingsdoser. Den avleste verdi på leseapparatet oppfores på en kalibreringskurve, som gir den mottatte dose.

Som ikke-begrensende eksempeler vil der nå under hen-visning til tegningen bli beskrevet noen utforelseseksempeler på dosimeterstykker i henhold til oppfinnelsen.

Fig. 1 viser perspektivisk en byggestein utfort med

sikte på å lette uttagning av prover.

Fig. 2 viser sentralt horisontalsnitt av det samme, som antydet ved linjen II-II på fig. 1. Fig. 3 viser et tilsvarende snitt av en lignende stein, men kledd med emalje. Fig. 4 °6 5 viser henholdsvis i partielt og i fullt horisontalsnitt et par ytterligere varianter, likeledes utformet for å lette uttagning av prover. Fig. 6 er et perspektivriss av enda en variant.

Steinen eller briketten på fig. 1 og 2 utgjores av et massivt parti 4 med sylinderformede uttagninger 6. Disse uttagninger 6 opptas av fortsettelser 8, som etter bakningen danner ett stykke med steinen forovrig og har form av en stabel av skiver 10 med slik diameter og tykkelse at de kan anbringes i et leseapparat (eventuelt etter oppdeling), og innbyrdes forbundet ved tappformede partier 12. For å ta utoen prove behover man bare å brekke los en av f oifcsettelsene 8 og skille skivene 10 fra hverandre. Denne form av steinene har blant annet fordelen av å gjore det'mulig å bestemme bestrålingsdoser motsatt i forskjellige dybder og derav avlede verdier for mottatt strålingsenergi.

Steinen kan fremstilles på folgende måte: I et forste trinn presser man det massive parti, idet man utformer forsenkninger av passende diameter i bunnen av uttagningene 6 (som vist strekpunktert på fig. 2). Man fremstiller særskilt en rund stav av samme materiale og utformer ringformede spor i denne som skille mellom skivene. De således fremstilte forlengelser innsettes så i sine leier, og råsteinen bakes som antydet ovenfor, hvorved det massive parti 4 forbinder seg med fortsettelsene 8.

Skal steinen på fig. 1 og 2 bli utsatt for vær og vind, for forurensende eller korroderende agenser eller for radioaktivt st5v, ville det kunne innvendes at steinen kan bli utsatt for forurensning på overflaten eller i uttagningene.

For å rydde denne fare av veien er det nok å kle den

side som er blotlagt mot atmosfæren eller mot smittekildene, med •

en emalje eller plastisk kledning som er glatt og ikke angripes under de påtenkte forhold.

Steinen pa fig. 3 er maken til den på fig. 1 og 2, men

er på forsiden kledd med et tynt og glatt belegg 14 av en emalje som er motstandsdyktig overfor korroderende stoffer som denne flate kan tenkes å bli utsatt for. Belegget danner bro. mellom flaten 7 og stammen av skiver 10, som slutter i samme plan, og forhindrer derved stov og væske i å komme inn i uttagningene 6. Den anvendte emalje, som selvsagt må være forlikelig med aggregat og bindemiddel, kan fremstilles på vilkårlig konvensjonell måte og bakes sammen med steinen. Det vil innses at den blant annet gjor det mulig

å redusere eventuelle farer for permanent forurensning med radioaktive nedfall, idet den forhindrer inntrengen av st6v i

uttagningene og,gir en glatt overflate som er litt utsatt for ved-heftning av stdv,

å unngå at fuktighet trenger inn i steinens porer, særlig hvis emaljen også dekker steinens sideflater i tilstrekkelig lengde

innover fra forsiden; i praksis er en lengde av 1 - 2 cm tilstrekkelig for steiner med en dybde av 5 - 6 cm og forbundet ved hjelp av sement-mortel; det er å foretrekke ikke å dekke sideflatene helt for å mulig-gjøre god forankring av mortelen; og

å unngå at påkastet sementgrot trenger inn i porene i fortsettelsene som skal tjene som prover.

For emaljen kan der velges en slik sammensetning og tykkelse at den foruten å danne beskyttelse fyller funksjonen som filtér for strålingene. Spesielt kan man bedre materialets spektrale reaksjon ved å redusere aggregatets hyperfolsomhet for gammastråler med lav energi.

Som ikke-begrensende eksempel kan anfores at steiner fremstilt av pulver av krystallisert aluminiumoksyd sammenfoyd med et keramisk bindemiddel av den ovenfor omtalte type, ble kledd med en emalje med folgende sammensetning, regnet etter vekt:

For et belegg med en tykkelse av storrelsesorden 0,5 mm har denne emalje et blyinnhold på 60 mg/cm , som allerede i en viss grad avboter aluminiumoksydets hyperfolsomhet for lavenergetiske strålinger.

Steinen kan få annen form enn vist på figurene 1-3.

To eksempeler er vist på fig. 4 og 5. Steinen på fig. 4 har sylindriske provestykker oppdelt i en rekke sirkelrunde skiver 10' som er innbyrdes forbundet ved en soyle 12<»> på siden. Steinen på fig. 5

har tomme sylindriske uttagninger 6<»»> hvis bunn 10" kan tas ut med at enkelt verktoy for å danne en rund skive til avlesning i et lese-

>

apparat.

Det er også mulig å forsyne steinen med en eller flere sylindriske prefabrikerte prøvestykker som kan tas ut rett og slett ved trykk fra en loftestang som innfores i den sirkelrunde fuge som omgir sylinderen. Disse sylindre blir så tilpasset den benyttede type av avlesningsapparat. Spesielt kan de kappes opp i skiver eller findeles til pulver.

Man kan også benytte massive parallellepipediske steiner. De prSver man skal ta fra en stein for å måle termoluminescensen, tas direkte i form av pulver ved hjelp av et steibor eller i sylindrisk form ved hjelp av et sirkelrundt verktoy. Sluttelig kan man også utforme spor 14 ved .hjornene av en massiv stein som vist på fig. 6

for å gjore det mulig å fjerne bruddstykker som kan brukes som prover.

De benyttede betegnelser "stein" og "brikett" blir selvsagt å oppfatte i vid forstand slik at de ikke bare dekker hva man vanligvis forstår ved disse betegnelser, men også hvilke som helst andre som egner seg for byggeelementer, f.eks. takstein eller fliser. Denne sistnevnte type av materialet i henhold til oppfinnelsen, for-synt med en emalje, kan benyttes i dekorative veggpaneler og i gulv-kledninger. Emaljen vil da kunne være farvet. F.eks. kan man til den ovennevnte sammensetning foye 0, 2% Cr^ O^ for å skaffe en gul farve, eller spor av krom, kobolt og sink for å skaffe en gronn farve. I de ovrige tilfeller vil det imidlertid være onskelig å anvende materialet i form av et stykke hvor i det minste en av dimensjonene er et mål for en dimensjon av de kurante materialer det skal settes sammen med.

I en takkledning vil man fordelaktig anbringe den takstein som danner dosimetrimaterialet, med kanten, av taket for å kunne la det ha reduserte dimensjoner.

Claims (4)

1. Termoluminescerende måleelement til dosimetri av ioniserende strålinger hvor måleelementet som termoluminescens-aktiv bestanddel inneholder kor? av aluminiumoksyd, AlgO^, som i en andel over 8o vektprosent foreligger i alfa-fase og inneholder et som krystallisator virkende element såvel som en aktivator som danner elektronfeller, karakterisert ved at der som krystallisator foreligger fluor i en andel av 0,001 - 1 vektprosent og som aktivator foreligger 0,01 - 1 vektprosent natrium i aluminiumoksydet, og at aluminiumoksydet foreligger i en kornstorrelse under /\ O0 yum.

2. Måleelement som angitt i krav 1, karakterisert ved at andelen av korn med dimensjon over 10 ai minst er 60$.

3. Måleelement som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at aluminiumoksydkornene er jevnt fordelt i et stykke hvor kohesjonen er tilveiebragt med et kjemisk, organisk, keramisk eller hydraulisk bindemiddel.

4. Måleelement som angitt i krav 3»karakterisert ved at aluminiumoksydet er homogent fordelt i en andel av 70 - 9^# i måleelementet og dette er utformet som arbeidsstykke eller byggesten.