TEP Dosimetrie

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1 Dosimetrie TEP Verwandte Themen Röntgenstrahlung, Ionisierungsenergie, Energiedosis, Äquivalentdosis, Ionendosis, Ortsdosis, Dosisraten, Qualitätsfaktor, quadratisches Abstandsgesetz, Dosimeter. Prinzip Dosimetrie ist ein Teilbereich der medizinischen Physik und beschäftigt sich mit der Ermittlung und Berechnung von Strahlendosen, die auch für Strahlenschutzbestimmungen von zentraler Bedeutung sind. Im Versuch wird das Messprinzip verdeutlicht und die verschiedenen Einheiten Energiedosis, Äquivalentdosis oder Energiedosisrate erläutert. In einem Plattenkondensator wird ein Luftvolumen mit Röntgenstrahlung bestrahlt. Aus dem erzeugten Ionenstrom ermittelt man die dosimetrischen Daten. Material 1 XR 4.0 expert unit X-ray Einschub mit Wolfram-Röntgenröhre X-ray Plattenkondensator für Röntgengerät X-ray, Halter für Plattenkondensator X-ray Leuchtschirm X-ray Optische Bank Reiter für optische Bank X-ray Blendentubus d = 2 mm X-ray Blendentubus d = 5 mm Reiter für optische Bank Netzgerät VDC, geregelt Gleichstrommessverstärker Digitalmultimeter Widerstand, 50 MΩ, m. Stecker u. Buchse Adapter, BNC-Buchse/ 4-mm-Stecker Abgeschirmtes Kabel, BNC, l = 25 cm Verbindungsleitung, l = 25 cm, 32 A, blau Verbindungsleitung, l = 25 cm, 32 A, rot Verbindungsleitung, l = 10 cm, 32 A, blau Verbindungsleitung, l = 50 cm, 32 A, rot Verbindungsleitung, l = 50 cm, 32 A, blau Verbindungsleitung, l = 75 cm, 32 A, rot Dieser Versuch ist in dem Erweiterungsset XRD 4.0 X-ray Dosimetrie, Strahlenschädigung enthalten. Hinweis: Dieser Versuch kann alternativ auch mit einer Kupfer-, Molybdän- oder Eisen-Röntgenröhre durchgeführt werden. Abb. 1: P P25418 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 TEP Dosimetrie Sicherheitshinweis Das Gerät liefert berührungsgefährliche Spannungen, deshalb darf der Betrieb des Gerätes nur unter fachkundiger Aufsicht erfolgen. Um Schäden an Leben und Gesundheit auszuschließen, sind die üblichen, für das Arbeiten mit gefährlichen elektrischen Spannungen geltenden Vorsichtsmaßnahmen strikt einzuhalten. Insbesondere ist die anzuschließende Schaltung (Versuchsaufbau) im stromlosen Zustand (absolute Netztrennung, Netzstecker ziehen!) erst vollständig aufzubauen und nochmals zu überprüfen, bevor das Gerät ans Netz angeschlossen und eingeschaltet wird. Vor Einschalten der Spannung muss die Tür des Röntgengeräts verriegelt werden. Aufgaben 1. Bestimmen Sie das ionisierte Luftvolumen im Kondensator. 2. Bestimmen Sie den Ionenstrom als Funktion der Kondensatorspannung für zwei Blendentuben mit unterschiedlichen Lochdurchmessern. Berechnen Sie aus dem Ionensättigungsstrom und dem bestrahlten Luftvolumen die Ionendosis und die Energiedosisrate. 3. Messen Sie die Ionenströme I c für verschiedene Anodenströme I A mit maximaler Anodenund Kondensatorspannung. 4. Bestimmen Sie die Ionenströme I c für verschiedene Anodenspannungen UA mit maximalem Anodenstrom und maximaler Kondensatorspannung. Abb. 2: Verschaltung der elektrischen Komponenten. Abb. 3: Anschluss des Röntgengeräts. Abb. 4 a: Detailbild Verkabelung am Netzgerät bis 300 V. Abb. 4 b: Reihenschaltung für Messungen bis 600 V. Aufbau Die Verschaltung der elektrischen Komponenten zeigt Abb Eine schematische Zeichnung zeigt Abb. 6. Ein Digitalvoltmeter dient zur Bestimmung der Kondensatorspannung U c, das andere wird mit dem Messausgang des Verstärkers verbunden. Für Kondensatorspannungen U c > 300 V werden die entsprechenden Ausgänge des Netzgerätes in Serie geschaltet (siehe Abb. 4a und 4 b). Die Kondensatorplatten werden in die entsprechenden Buchsen des Adapters gesteckt. Dann wird dieser mit zwei 25 cm langen Kabeln mit den Buchsen im Experimentierraum verbunden. Die Kabel dürfen sich nicht berühren (Abb. 5)! An der äußeren Anschlussleiste des Röntgengeräts wird Abb. 5: Aufbau und Verkabelung des Plattenkondensators im Experimentierraum. 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P25418

3 Dosimetrie TEP der positive (rote) Ausgang aus Sicherheitsgründen mit dem positiven Spannungsausgang des Netzgerätes nur über den 50 M-Widerstand verbunden. Der andere wird mittels des BNC-Adapters und eines BNC-Kabels mit dem Gleichstrommessverstärker (siehe Abb. 1 und 3) verbunden. Der Gleichstrommessverstärker wird auf die Betriebsart Strommessung eingestellt, Messbereich 10 na (wird mit den Pfeiltasten verstellt, siehe auch: Bedienungsanleitung des Gleichstrommessverstärkers). Bei maximaler Kondensatorspannung und ohne Betrieb der Röntgenröhre sollte kein Strom zu messen sein (eventuell mit Nullsteller am Verstärker nachregeln). Durchführung Aufgabe 1: Zur angenäherten Bestimmung des durchstrahlten Kondensatorvolumens ist der nicht zugängliche Abstand x 0 (s. Abb. 7) indirekt zu ermitteln. Dazu sind ohne Kondensator und unter Verwendung der verschiedenen Blendentuben auf dem Leuchtschirm die Durchmesser der zugehörigen Leuchtbilder zu messen (U A = 35 kv und I A = 1 ma). Der Experimentierraum ist hierzu abzudunkeln. Bei eingesetztem Kondensator sind die übrigen Abstände zu bestimmen. Abb. 6: Schematische Schaltskizze zur Bestimmung der Ionenströme Aufgabe 2: Mit den Blendentuben d = 2 mm und d = 5 mm sind die Ionenströme I c als Funktion der Kondensatorspannung U c zu messen, Dafür werden die Anodenspannung U A = 35 kv und der Anodenstrom I A = 1 ma konstant gehalten und der Wert für die Kondensatorspannung in V-Schritten erhöht. Messungen ohne begrenzende Blendentuben führen zu falschen Ergebnissen, weil dann Röntgenstrahlen auch auf die Kondensatorplatten treffen und dort Sekundärelektronen auslösen. Aufgabe 3: Mit dem Blendentuben d = 5 mm ist der Ionisationsstrom I C als Funktion des Anodenstroms I A zu messen. Dafür werden die Anodenspannung U A = 35 kv und die Kondensatorspannung U c = 500 V konstant gehalten und der Anodenstroms I A von ma in 0.1 ma-schritten erhöht. Aufgabe 4: Mit dem Blendentuben d = 5 mm ist der Ionisationstrom I c als Funktion der Anodenspannung U A zu messen. Dafür werden der Anodenstrom I A = 1 ma und die Kondensatorspannung U c = 500 V konstant gehalten und die Anodenspannung U A von kv in 5 kv-schritten erhöht. Theorie und Auswertung Trifft ionisierende Strahlung auf ein Massenelement Δm, so wird ein Teil der Strahlungsenergie ΔE absorbiert. Das Verhältnis aus absorbierter Energie zur absorbierenden Masse heißt Energiedosis D. D E / m (1) P25418 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 TEP Dosimetrie Die SI-Einheit der Energiedosis ist das Gray (Gy) [1 Gy = 1 Jkg -1 ]. Verschiedene Strahlungsarten mit gleicher Energiedosis haben gleiche physikalische, aber unterschiedliche biologische Wirkung. Um auch hier eine Vergleichbarkeit erzielen zu können, ist mit Berücksichtigung eines sog. Qualitätsfaktors Q die Äquivalentdosis H eingeführt worden. H D Q (2) Die Einheit der Äquivalentdosis ist das Sievert (Sv) [1 Sv = 1 Jkg-1]. Da die Wirkungszeit ionisierender Strahlung eine erhebliche Rolle bei der Beurteilung z.b. von Strahlenschäden spielt, wurde noch die Ionendosisrate P eingeführt. Für die Energiedosisrate, die von der Äquivalentdosisrate zu unterscheiden ist, gilt: P dd/ dt (3) Die entsprechende SI-Einheit ist: 1 Gys -1 = 1 Jkg -1 s -1 Da die Messung der absorbierten Energie nicht einfach ist, misst man die in einem Luftvolumen durch Strahlung erzeugten Ionen. Hierzu definiert man die Ionendosis I als Quotienten aus erzeugter Ladung ΔQ gleichen Vorzeichens und der Masse Δm eines Luftvolumenelements ΔV unter Normalbedingungen. 1 I dq/ dm Askg (4) Für die entsprechenden Ionendosisrate j gilt: di dt d dq dt dm di dm 1 j Akg (5) Messprinzip: Durch die Röntgenstrahlung wird im Kondensator bei angelegter Spannung ein Strom erzeugt. Der Gleichstrommessverstärker erfasst diesen Strom und erzeugt ein dem Strom proportionales Spannungssignal U Sig. Dieses wird durch das angeschlossene digitale Messinstrument angezeigt. Die Umrechnung erfolgt wie folgt: Auswertung Aufgabe 1: Bestimmen Sie das ionisierte Luftvolumen im Kondensator. Abb. 7: Schematische Darstellung der Strahlgeometrie zur Bestimmung des bestrahlten Luftvolumens (Angaben in mm) Die von der Anode T der Röntgenröhre ausgehende Strahlung (s. Abb. 7) wird von einem Blendentubus mit dem Lochdurchmesser d begrenzt und bestrahlt kegelförmig ein Luftvolumen des Plattenkondensators. Das bestrahlte Luftvolumen ergibt sich aus Abb. 3: 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P25418

5 Dosimetrie TEP Mit den Radien x 2 x1 2 2 R rr r V (6) 3 r x d x 1 2 ; R (7) 0 x d x 0 x 0 kann mit Hilfe der Strahlensätze aus dem in Aufgabe 1 gemessenen Durchmesser der zugehörigen Leuchtbilder ermittelt werden. Der Mittelwert ist in unserem Fall: x 0 = 6,65 cm x 1 = 12,95 cm x 2 = 20,85 cm Für d = 2 mm (2 mm Blende) Ergibt sich: r = 0,39 cm R = 0,63 V = 6,57 cm 3 Für d = 5 mm (5 mm Blende) Ergibt sich: r = 0,97 cm R = 1,57 cm V = 40,76 Abb. 8: Ionisationsstrom I c als Funktion der Kondensatorspannung U c Röntgenröhre: U A = 35 kv, I A = 1 ma Kurve A: Blendentubus d = 5 mm Kurve B: Blendentubus d = 2 mm Aufgabe 2: Mit maximalen Werten von Anodenspannung und Anodenstrom ist der Ionenstrom als Funktion der Kondensatorspannung zu bestimmen. Die Messreihen sind für zwei Blendentuben mit unterschiedlichen Lochdurchmessern durchzuführen. In Abb. 8 ist der Kondensatorstrom I c als Funktion der Kondensatorspannung U c für zwei verschiedene durchstrahlte Volumina eingetragen. Berechnung der Ionendosis Um die Ionendosisrate von Röntgenstrahlen bestimmen zu können, wird das von einem Plattenkondensator eingeschlossene Luftvolumen bestrahlt. Die erzeugten Elektronen und positiven Ionen liefern am Kondensator einen Strom, der mit steigender Saugspannung allmählich wächst und schließlich in den Sättigungsbereich geht, wo alle erzeugten Ladungsträger zum Strom beitragen. Aus den aus Abb. 8 resultierenden Sättigungströmen (für Kurve A ergibt sich durch Extrapolation ein Sättigungsstrom von 6,7 na) erhält man mit (5) unter Einbeziehung der Werte aus Aufgabe 1 folgende Werte für die Ionendosisrate: d 0,5 cm : j m I CSättigung m Luft I CSättigung Luft V 9 6,7 10 A 6 kg 3 1, ,76cm 3 cm 1, Akg 1 (8) P25418 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 TEP Dosimetrie d 0,2 cm : jm 9 1, ,2 10 6,57 Akg 1 1, Akg 1 (Dichte der Luft bei 20 C und 13 hpa: ρ = 1, kg cm -3 ). Bestimmung der Energiedosisrate Dividiert man den Mittelwert der oben bestimmten Ionendosisraten durch die Elementarladung e, so erhält man die pro Zeit- und Masseneinheit erzeugte Ionenanzahl n. Die Ionisierungsenergie Φ eines Luftmoleküls beträgt Φ 33 ev = 52, J. Mit (1) und (3) ergibt sich mit dem Mittelwert aus den oben errechneten Werten für j die auf die Zeit- und Masseneinheit bezogene mittlere Energiedosisrate: 5 19 D W j 1, , P m n Jkg s 4,95 10 Jkg s (9) 19 t m t e 1,6 10 Aufgabe 3: Für verschieden Anodenströme I A sind mit maximaler Anoden- und Kondensatorspannung die entsprechenden Ionenströme I c zu messen. Der Funktionsverlauf I c = f(i A ) ist zu zeichnen. Abb. 9 zeigt den linearen Verlauf des Ionisationsstroms als Funktion des Anodenstroms (U A = konst. und U C = konst.) Aufgabe 4: Der Ionensättigungsstrom ist als Funktion der Anodenspannung zu bestimmen. Abb. 10 zeigt die Funktionsverläufe I c = f(u c ) für verschiedene Anodenspannungen U A. Die Extrapolation der Messkurve I C = f(u A ) in Richtung kleiner U A -Werte zeigt (Abb. 9), dass für U A < 8 kv keine Röntgenstrahlen mehr erzeugt werden. Abb. 9: Ionisationstrom I c als Funktion des Anodenstroms I A Anodenspannungen U A = 35 kv, Kondensatorspannung U c = 500 V. Blendentubus d = 5 mm Abb. 10: Ionisationsstrom I c als Funktion der Anodenspannungen U A Anodenstrom I A = 1 ma, Kondensatorspannung U c = 500 V. Blendentubus d = 5 mm 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P25418