专利名称：用于检测中子辐射的剂量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前述部分的用于检测在0.025eV到几百GeV能量区内的中子辐射的剂量仪。
背景技术：
以研究为目的和用于工业和医疗领域的加速器设备用于将粒子加速到非常高的能量。例如，在现代重离子加速器中，离子被加速直到几百GeV的能量。这种高能量离子在与物质进行相互作用时产生二次辐射，即带电粒子和中子。所产生的中子的能谱从0.025eV到几百GeV，因为所产生的中子的最大能量可以具有与初级离子辐射相同的能量区。为了防护辐射，需要检测所产生的中子，以便这样确定辐射防护措施、尤其是屏蔽的大小，使得能够遵守预定的极限值。由于高能量中子在物质中具有大的平均行程，因此其也可以穿透非常强的屏蔽。因此，尤其是在重离子治疗设备中，测量和监控中子强度(环境监控)是必要的而且有着重要的意义。对于辐射防护监控，重要的是开发可用于中子辐射的从热中子区(0.025eV)到几百GeV能量的整个能量区中的、用于指示中子辐射的剂量仪。
在此所使用的剂量仪具有由含氢材料制成的基体，该基体基本上是球形的。在基体的中央设置检测入射辐射的检测元件。为了也能检测具有非常高能量的中子辐射，设置包含金属原子的中子转换器。金属原子将待检测的中子转换为位于0.025eV到1keV的合适能量区中的减慢的中子，从而这些减慢的中子可以被检测元件记录。为了对所检测的辐射进行分析，必须拆卸检测元件。由此可见，传统剂量仪的结构复杂，并且因此只能以相对较高的成本进行环境监控。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是实现一种用于检测中子辐射的剂量仪，其构造简单，并因此允许成本经济的环境监控，即中子辐射的剂量测定估计。
为了解决该技术问题，提出了一种具有权利要求1所述技术特征的剂量仪。该剂量仪具有基本上呈球形的基体，在其中心设置检测元件。该检测元件被具有金属原子的中子转换器包围。该剂量仪的特征在于，基体具有通道，通过该通道可以达到检测元件。通过这种方式，可以将检测元件设置到中子转换器中以及从中子转换器中取出。中子转换器优选被构成为圆柱形，从而可以容易地达到检测元件。
其它实施方式由从属权利要求给出。
下面借助附图详细解释本发明。附图中图1以横截面示出剂量仪的第一实施例的原理图，图2以透视图示出剂量仪的第二实施例的原理图。
具体实施例方式
图1示出了剂量仪1的一个实施例，该剂量仪包括基体3。这里，基体被构造为球形。也可以考虑采用外表面由多个平面区域组成的多面体形状基体。起决定作用的是，基体3优选被这样构造，使得其为来自不同空间方向的辐射具有基本上相同的减速性能(Moderationsverhalten)。
即，基体被用作为减速体(Moderationskoerper)并具有含氢材料。优选地，基体由这种含氢材料制成。作为基本材料，可以采用含氢塑料，尤其是聚乙烯(PE)和/或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，但也可以采用水等。
在基体3的中心设置检测元件5，该检测元件5可以包括至少一个存储元件和至少一个记录元件。该检测元件5用于检测穿透基体3的辐射。
检测元件5被中子转换器7包围，其中中子转换器7基本上被构造为圆柱形并包围检测元件5。中子转换器7还包括填料9，检测元件5被内嵌在填料9中。为方便更换，优选地，检测元件5被设置在填料9中的缝隙内。
填料9也可以被构造为减速体，并包括上述类型的含氢材料或由该含氢材料构成。
中子转换器7具有含有金属原子的壁11，其中金属原子的核电荷数Z＞15，优选Z＞20。壁可以包含钛原子、铬原子、钒原子、铁原子、铜原子、钨原子、铅原子和/或铋原子。重要的是，金属原子在放射性方面是稳定的。可以考虑在壁11中设置包含不同核电荷数的金属原子。也可以采用合金的金属原子。
优选地，中子转换器至少包括两个具有核电荷数Z不同的金属原子的层，其中这些层可以被这样构造，使得基本上每一层只具有一种特定核电荷数的金属原子。
优选地，这样选择和定向金属原子层，使得从剂量仪朝向中子辐射的那一侧来看，这些层包含核电荷数逐渐降低的金属原子。
也可以考虑，至少一个层被构造为金属薄膜、优选被构造为经过轧制的金属薄膜，或者被构造为用金属蒸镀的聚合物薄膜。
具有不同核电荷数的金属原子的层的顺序优选与应当由检测元件5检测的中子辐射的能谱匹配。
在一个特别优选的实施例中，中子转换器7的壁11由铅制成，厚度为0.5到2.0cm。中子转换器7的高度优选为8.0到15cm，其外直径优选为1.0到5.0cm。
在剂量仪1的基体3中设置例如被实现为孔的通道13。通过该通道，将检测元件5设置到剂量仪1的内部，在此是中子转换器7的内部。该通道还用于将检测元件5取出以进行分析。
在通道13和中子转换器7之间的过渡区域中设置开口15，通过该开口15可以到达中子转换器7的内部。优选地，填料9被这样构成，使得填料9在开口15的区域内包括金属原子，从而大致实现了与中子转换器7的壁11相同构造的盖子17。
在使用剂量仪1的过程中，为通道13配备优选将通道完全填充的闭锁体19。闭锁体19优选具有与基体3相同的材料，或者由该材料制成，以便对入射到通道13区域内的辐射进行减速(Moderation)，如其它基体3区域内一样。
从图1还可以看出，可以附加地设置中子吸收器21，其被设置在基体3和检测元件5之间。在这里示出的实施例中，中子吸收器21在中子转换器7外被实现为吸收层，并用虚线表示。
但是，原则上，也可以将中子吸收器21设置在中子转换器7内部，例如设置在其内壁上。
优选地，中子吸收器21包括硼原子。但也可以用镉原子代替或附加地包含镉原子。
中子吸收器21也可以具有设置在中子转换器7的壁11外或内的多层。
检测元件5可以包括至少一个存储元件和至少一个记录元件，其中优选地，至少一个元件被构造为无源元件。例如，可以这样构造检测元件7，使得所述至少一个记录元件将中子转换为带电粒子，然后由所述至少一个存储元件检测该带电粒子。
存储元件例如是无机晶体，优选为热发光晶体(Thermolumineszenzkristall)。优选地，使用LiF晶体。存储元件也可以被构造为核粒子径迹检测器(Kernspurdetektor)，并且优选包括有机高聚物，尤其是聚碳酸酯薄膜或CR39。最后，对于存储元件，也可以使用无机玻璃和/或有机晶体。
存储元件也可以被构造为有源元件，并包括半导体，优选是硅。特别地，可以采用固体存储元件，优选为MOSFET晶体管。
检测元件5的记录元件优选地具有设置在薄层中的6Li原子和/或10B原子和/或153，155，157Gd原子。
剂量仪1也可以包括固体存储元件、优选为改进的MOSFET晶体管作为检测元件5的存储元件，其中改进的MOSFET晶体管设置在外壳中。在此，外壳在朝向固体存储元件的面、即在其内侧上具有优选被涂敷为薄层的包括10B原子和/或6Li原子和/或153，155，157Gd原子的化合物，该化合物用作记录层。该记录层就是对减慢的中子(热能化中子)敏感的层。外壳和固体存储元件之间的空间被一种气体填充。与传统固体存储元件(EEPROM存储元件)相比，这里所使用的固体存储元件在EEPROM的氧化层的朝向周围环境的面上具有开口，从而其无电位栅极与周围气体直接接触。设置在包围MOSFET晶体管的外壳壁上的层在中子到达检测元件时产生带电粒子。由固体存储元件对带电粒子进行记录和存储。通过选择用于该层的不同材料，可以调整剂量仪的中子敏感度以用于不同要求。
存储元件和记录元件可以包括通过中子俘获而激活的原子，优选是金和/或银和/或镉。
下面详细描述剂量仪1的功能和使用。
剂量仪1被设置在希望检测和记录中子辐射的地点，例如用于高能加速器的环境监控。基于剂量仪1的结构，可以对具有不同能量中子的中子辐射进行分析，即0.025eV的热中子和几百GeV的中子。通过试验发现，由聚乙烯制成的直径为20至35cm的球体可以特别好地用作基体3，其中中子转换器7具有优选由0.5至2.0cm厚的金属、尤其是铅制成的壁11，并设置填料9。
热中子和慢中子穿过剂量仪的基体3一直扩散到检测元件5，并在那里触发放热反应。必须这样匹配基体3的厚度，并因此必须这样匹配减速体的厚度，使得一方面，检测元件5对这些中子有足够大高的灵敏度，但另一方面，必须避免对中等中子、即对具有平均能量的中子的灵敏度过大。优选地，这可以通过以下方法实现，即剂量仪1包括优选包含10Bor原子或含10Bor物质的中子吸收器21。
快速中子在可以被检测元件5记录之前必须首先在剂量仪1的用作减速体的基体3中被减速。其中，剂量仪的总直径对于该快速中子区域中特定中子能量的参考曲线的最大值有着决定意义。
通过设置具有金属原子的中子转换器7，可以检测非常快速的中子、即处于＞10MeV能量区中的中子。到达中子转换器7中具有多个核子的金属原子的中子发生裂变(Spallation)，即挥发(Abdampfung)质子和中子。这在金属原子核内形成核内级联(intranukleareKaskade)，其中除了质子之外还放射(emittieren)能量比到达剂量仪1的中子低的中子。在该过程中所出现的中子的能量位于MeV区。根据所出现的中子的不同能量，可以直接借助检测元件5检测该中子，或者在该中子于填料9中减速之后检测。
在中子转换器7的区域内，通过中子到达中子转换器7的壁11中的金属原子核，也可以产生裂解(Fragmentation)。它们分解为多个核，然后导致粒子的蒸发过程(Verdampfungsprozess)。在此过程中又产生中子，其中这些中子的能量低于到达剂量仪1的中子的能量。
总之，显然，对于高能中子，中子转换器7很重要，因为中子转换器导致高能量中子被转换为合适能量区中的减慢的中子(热能化的中子)，从而可被检测器元件5直接地或在填料9中减速之后被检测。
在此介绍的剂量仪1的特征在于，可以检测处于极为不同的能量区中的中子。对特定能量的中子的灵敏度可以通过选择用作减速体的基体3的厚度来确定，但也可以通过选择基体3所包含的或用于制造基体3的材料来确定。此外，有决定意义的是中子转换器7的壁11的厚度。另外，填料9的材料在协调剂量仪1和检测特定能量的中子的过程中发挥作用。
最后，也可以设置用于慢中子的优化吸收层，即中子吸收器21，其层厚可与要检测的中子的能量协调。对于特定的中子吸收器21厚度，还可以在中子吸收器中设置开孔(Loecher)。优选地，这些开孔约为中子吸收器21表面积的10％至30％。
这里所述类型的剂量仪1首先用于检测宽能量区中的中子。其也可以用于检测其中存在质子辐射、中子辐射和电子辐射的混合辐射场中的中子辐射。在这种情况下，为检测元件5采用两种具有相差至少几个数量级的中子俘获有效截面的同位素，优选地为具有6Li原子和7Li原子和/或10B原子和11B原子和/或153，155，157Gd和156，160Gd和/或235U和239pu的化合物。例如，10B原子和11B原子的有效截面相差6个数量级(3840靶恩，5m靶恩)。
借助差方法确定混合辐射场中的中子辐射。在本说明书中，差方法应理解为至少两个检测元件的测量辐射强度相减。在此，这样选择检测元件，使得两个检测元件都测量总辐射强度，其中一个对减慢的中子灵敏反应，而另一个对减慢的中子不灵敏反应。因此，在将所测量的辐射强度相减之后，得到中子辐射的辐射强度。
特别优选地，6LiF晶体和7LiF晶体作为检测元件5的无源元件，以实现热发光检测器。
特别有利的是由此可以得出，剂量仪1可以被构造为无源剂量仪，并且其中也可以监控具有脉动辐射(gepulste Strahlung)的辐射场，其中辐射包括非常大能量区(0.025eV到几百GeV)内的中子。通过剂量仪1的结构，确保了辐射剂量(Strahlungsdosis)的测量实际上与方向无关地进行。
图2以透视图示出剂量仪1的另一实施例。该剂量仪与借助图1所解释的剂量仪的结构相同，从而可参阅上面对剂量仪1的描述。它们的功能也相同。
唯一的区别在于，在这里，基体3没有被构造为球形。其基本形状以圆柱体为前提，该圆柱体的两个端面(Stirnflaechen)在其与基体3的圆柱体外表面的过渡区域中具有棱角。
因此，得到这样的基体，其具有基本被构造为圆柱形的中间的第一段23，该第一段23包括两个镜像构造的端部。上端25被构造为平坦的，并形成与基体的中轴27垂直的圆圈形(kreisrund)封闭平面(Abschlussflaeche)。这里，已参考图1解释过的通道13注入(muenden)其中。在该通道中设置上面同样已经描述过的闭锁体19。
上端25通过锥形的(konisch)第二段29过渡到圆柱形的第一段23。
相应的，圆柱形的第一段23连接与第二段29相反取向和构造的锥形第三段31，其中第三段31从圆柱形的第一段23开始向下逐渐变细，并与下端33相邻。下端33由圆圈形封闭平面形成，中轴27垂直于该封闭平面。因此，下端33平行于上端25。
优选地，根据图2实施例的剂量仪1的基体3这样被构造，使得其在减速性能方面可与借助图1的第一实施例解释的基体的减速性能相当。其中，要保持的是，可以相对价廉地制造根据图2实施例的基体3，方法是例如为圆柱形的初始体(Ausgangskoerper)在其端部区域中设置棱角，从而得到锥形段，圆柱形的第一段23通过该锥形段过渡到垂直于中轴27的端面，其中端面形成上端25和下端33。
锥形段29和31在中轴27方向上所测量的高度以及圆柱形第一段23的高度可以在另一范围中变化，并且与基体3的期望减速性能相匹配。为了在根据图2的第二实施例中实现基体3的尽可能方向无关的减速，优选地，基体3的形状大体上与球体形状匹配。
借助图2解释的基体3也可以具有有所偏差的轮廓。可以考虑，中间的、在此为圆柱形的第一段23具有多少有些拱曲的外轮廓，该外轮廓也基本上在其赤道区域对应于球体。第二段29和第三段33也不必构造为精确的锥形。也可以具有多少有些拱曲的区域，中间的第一段23通过该区域过渡到上端25和下端33。
按照图2的剂量仪1在内部与按照图1的剂量仪1相同地被构造，从而可以参阅对按照图1具有的元件的描述。
用于制造按照图2实施例的基体的材料可以与用于按照图1的剂量仪1的材料相同。
由此还可以得出，按照图2的剂量仪1的功能与借助图1解释的剂量仪1相同。
权利要求
1.用于检测在0.025eV到几百GeV的能量区内中子辐射的剂量仪(1)，其中所述剂量仪具有用作减速体的基本上呈球形并包括含氢材料的基体(3)、设置在所述基体(3)中心的检测元件(5)，并具有包围所述检测元件(5)的中子转换器(7)，其中所述中子转换器(7)包括将待检测的高能中子的能量基本上转换为处于合适能量区中的中子的金属原子，其特征在于，所述基体(3)具有通道(19)，其中通过所述通道可以将检测元件(5)放置到中子转换器(7)中以及从中子转换器(7)中取出，并且所述中子转换器(7)被构造为圆柱形。
2.根据权利要求1所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述检测元件(5)包括至少一个存储元件和/或至少一个记录元件。
3.根据权利要求1或2所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述至少一个存储元件和/或至少一个记录元件被构造为无源元件。
4.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述至少一个存储元件是无机晶体和/或热发光晶体、尤其是LiF，和/或核粒子径迹检测器、优选为有机高聚物、尤其是聚碳酸酯薄膜或CR39，和/或无机玻璃和/或有机晶体。
5.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述至少一个存储元件包括半导体，优选是硅。
6.根据权利要求5所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述半导体包括固体存储元件，优选为改进的MOSFET晶体管。
7.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述至少一个记录元件包括优选设置在薄层中的6Li原子和/或10B原子。
8.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述至少一个存储元件和所述至少一个记录元件包括通过中子俘获而激活的原子，优选为金和/或银和/或镉。
9.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，为了检测包括质子辐射、中子辐射和电子射线的混合辐射场中的中子辐射，所述检测元件(5)包括分别具有中子俘获有效截面相差至少几个数量级的两个同位素的存储元件和记录元件，优选为包括6Li原子和7Li原子和/或10B原子和11B原子和/或153，155，157Gd和156，160Gd的化合物。
10.根据权利要求8所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述至少一个存储元件和至少一个记录元件包括至少一个6LiF晶体和至少一个7LiF晶体和/或包括10B原子和11B原子的化合物。
11.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述基体(3)是多面体形状的基体。
12.根据权利要求1至10之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述基体(3)具有圆柱形的第一段(23)，其中所述第一段与逐渐变细的段邻接。
13.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述基体(3)包括含氢材料，优选由所述含氢材料制成，其中所述含氢材料优选为聚乙烯(PE)和/或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
14.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述中子转换器(7)的金属原子具有核电荷数Z＞15，优选为Z＞20。
15.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述中子转换器(7)包含钛原子、铬原子、钒原子、铁原子、铜原子、钨原子、铅原子和/或铋原子。
16.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述中子转换器(7)的金属原子在放射性方面是稳定的。
17.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述中子转换器(7)包含不同核电荷数的金属原子。
18.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述中子转换器(7)包括合金的金属原子。
19.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述中子转换器(7)至少包括两个具有核电荷数不同的金属原子的层。
20.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述中子转换器(7)包括具有金属原子的层，其中基本上每一层只存在具有一种特定核电荷数的金属原子。
21.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，从剂量仪(1)的朝向中子辐射的面观察，所述中子转换器(7)的层所包含的金属原子的核电荷数逐渐降低。
22.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述中子转换器(7)的至少一个具有金属原子的层被构造为金属薄膜、优选被构造为经过轧制的金属薄膜，或者被构造为用金属蒸镀的聚合物薄膜。
23.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，具有不同核电荷数的金属原子的层的顺序与中子辐射的能谱匹配。
24.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述中子转换器(7)具有包裹检测元件5的填料(9)。
25.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述填料(9)包括含氢材料、优选由所述的金属原子材料制成，其中所述的金属原子材料优选为聚乙烯(PE)和/或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
26.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述中子转换器(7)具有至少一个开口(15)，其中可以通过所述开口放置填料(9)，并且所述填料(9)在所述开口(15)的区域内包括金属原子。
27.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述基体(3)的大小和/或中子转换器(7)的厚度与待检测的中子辐射的能谱匹配。
28.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，在所述基体(3)和检测元件(5)之间设置优选设置在薄层中的中子吸收器(21)，其中所述中子吸收器优选包括Bor原子和/或镉原子。
29.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述中子吸收器(21)被设置在所述基体(3)和中子转换器(7)之间。
30.根据上述权利要求之一所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述中子吸收器(21)被设置在所述中子转换器(7)和检测元件(5)之间。
31.根据权利要求28至30中任一项所述的剂量仪(1)，其特征在于，所述中子吸收器(21)具有开孔。
全文摘要
一种用于检测在0.025eV到几百GeV的能量区内的中子辐射的剂量仪(1)，该剂量仪具有用作减速体的基本上呈球形的、包括含氢材料的基体(3)，设置在该基体(3)中心的检测元件(5)，包围该检测元件(5)的中子转换器(7)，该中子转换器(7)包括将所检测的高能中子的能量基本上转换为处于合适能量区域中的中子的金属原子。该剂量仪(1)的特征在于，所述基体(3)具有一个通道(19)，通过该通道可以将检测元件(5)设置到中子转换器(7)中以及从该中子转换器(7)中取出，所述中子转换器(7)构造为圆柱 形。
文档编号G01T3/00GK1981211SQ200580012441
公开日2007年6月13日 申请日期2005年4月9日 优先权日2004年4月22日
发明者乔治·费伦巴赫尔, 约翰尼斯·G·费斯塔格, 弗兰克·古特尔姆斯, 托斯藤·拉多恩 申请人:Gsi重离子研究有限公司