Strahlenschutz am Arbeitsplatz VII: Technik und Handhabu ... / 2 Dosisleistungsmessgeräte zur Erfassung der Ortsdosis

2.1 Detektorarten

2.1.1 Energie- und Messbereich als Kenngrößen

Entscheidend für den Einsatz und die Eignung eines Dosis- oder Dosisleistungsmessgeräts für eine vorgegebene Anwendung sind 2 Kenngrößen: Der Energiebereich, in dem die zu messende Strahlung erfasst werden soll, und der Intensitätsbereich, in dem die Strahlung auftreten kann. Von speziellen Ausnahmen abgesehen, reicht der in der Praxis vorkommende Energiebereich von etwa 10 keV (Röntgengeräte) bis 10 MeV (manche Radionuklide, Beschleuniger), also über 3 Dekaden. Der Intensitätsbereich geht von einigen 10 nSv/h (natürliche Umgebungsstrahlung) bis im Extremfall mehreren Sv/h (Unfälle). Maßgebend für das Erfassen dieser Bereiche ist die Art des Detektors.

Da kein heute bekannter Detektor diese Bereiche vollständig abdecken kann, sondern immer nur bestimmte Teile davon, muss man je nach Anwendung unterschiedliche Gerätearten in teils sehr verschiedenen Preisklassen einsetzen.

Wichtig

Angaben zum Energie- und Messbereich

Wenn der Anwender heute ein neues Messgerät erwirbt, kann er sich darauf verlassen, dass Energie- und Messbereich auf dem Gerät vermerkt sind. Insofern braucht er keine weiteren Kenntnisse über die Art des Detektors.

Auf die Physik der Detektoren soll hier nicht näher eingegangen werden. Nur zum besseren Verständnis der unterschiedlichen Geräteeigenschaften folgen hier noch einige prinzipielle Erläuterungen.

2.1.2 Ionisationskammern

Die – im Strahlenschutz interessierende – Äquivalent-Dosis ist definiert als absorbierte Energie pro Masse oder Joule/kg. Es gibt jedoch die unterschiedlichsten Effekte, durch die Strahlungsenergie an Materie übertragen werden kann. Sie hängen ihrerseits je nach der atomaren Zusammensetzung der absorbierenden Materie von Art und Eintrittsenergie der Strahlung ab. Dabei ist die atomare Ordnungszahl die ausschlaggebende Größe.

Bei der Bestimmung der Körperdosis interessiert in erster Linie die Dosis im Gewebe.

Der ideale Detektor für Dosismessungen wäre demnach "gewebeäquivalent", d. h., er bestünde aus Material gleicher N-, O-, C- und H-Anteile wie Gewebe. Dann folgt die Energieabhängigkeit des Detektorsignals genau derjenigen der Energieabsorption.

Damit allerdings im Detektor ein auswertbares elektrisches Signal infolge einer Ladungstrennung ("Ionisation") entsteht, muss das gewebeäquivalente Material gasförmig vorliegen, umschlossen natürlich von einer ebenfalls gewebeäquivalenten festen Wand. Die unterschiedliche Dichte kann mit einem Faktor korrigiert werden.

Da Luft sich in ihren Absorptionseigenschaften für Photonenstrahlung nicht sehr stark von Gewebe unterscheidet, gilt das Gleiche auch für luftäquivalente Detektoren. Solche Detektoren gibt es in Form von gewebe- oder luftäquivalenten Ionisationskammern, deren Ausgangsstrom ein direktes Maß für die in den Kammern pro Zeiteinheit freigesetzte Ladung ist.

Der Zusammenhang zwischen der Energieabsorption durch Ionisation und durch die im Gewebe ablaufenden Prozesse wird ebenfalls durch einen Faktor berücksichtigt. Dieser Faktor hängt nur so geringfügig von der Strahlungsenergie ab, dass er für die praktischen Messungen als konstant gesehen wird.

Die Energieabhängigkeit des Ausgangssignals einer luftäquivalenten Ionisationskammer im Verhältnis zur äquivalenten Dosis ist in Abb. 3 als Kurve A dargestellt. Bei sehr niederen Energien (unterhalb ca. 10 keV) vermag die Strahlung die Detektorwand nicht mehr zu durchdringen und die Anzeige wird zu klein. Dieser "Wandeffekt" besteht grundsätzlich auch bei fast allen anderen Detektoren.

Abb. 3: Typische Energieabhängigkeitskurven verschiedener Detektortypen (A: luftäquivalente Ionisationskammer; B: kompensiertes GM-Zählrohr; C: kompensiertes Proportionalzählrohr; D: unkompensiertes GM-Zählrohr)

2.1.3 Zählrohre

Bei Verwendung von Zählrohren anstelle einer Ionisationskammer als Detektor überlagern sich 3 störende Effekte:

1. Das ausgewertete Signal ist nicht ein Strom, sondern eine Impulsrate. Damit ist keine Proportionalität zur absorbierten Energie mehr gegeben.
2. Bei der Konstruktion von Zählrohren werden fast durchweg Materialien wie Stahl, Messing, Glas etc. verwendet, deren Ordnungszahl weit über denen von Luft oder Gewebe (Mittelwerte) liegt. Hier erfolgt bei mittlerer Strahlenenergie eine stärkere Absorption, was zu Überhöhung der Energieabhängigkeit zwischen 30 und 200 keV führt (Kurve D in Abb. 3).
3. Die Wand ist gewöhnlich dicker, was einen Abfall der Kurven bei niedrigen Energien bedingt. Die beiden letztgenannten Effekte treten auch bei Ionisationskammern mit Metallwänden auf.

Nur durch konstruktive Tricks, die sog. Energiefilter, gelingt es, die Energieabhängigkeitskurven von Zählrohren einigermaßen zu "glätten". Dabei sind Proportionalzählrohre gegenüber GM-Zählrohren im Vorteil (Kurven B und C in Abb. 3).

Weitgehend energieunabhängige Zählrohre zu bauen, gehört zum wohlgehüteten Know-how der Hersteller. Trotzdem: Im Regelfall reicht der Energiebereich bei GM-Zählrohren nicht tiefer als etwa 50 keV, bei Proportionalzählrohren bis etwa 15 keV.

2.1.4 Szintillationsdetektoren

Sowohl Ionisationskammern wie Zählrohre sind relativ unempfindlich, d. h., sie k...