Kapitel 7.4: Nachweismethoden für ionisierende Strahlung - PTB

7.4.7 Kalorimeter 451
Das strahlungsinduzierte Temperaturprofil entspricht somit der Dosisverteilung im
bestrahlten Material.
Festkörperkalorimeter Bei diesem wird - zur Minimierung von Temperaturverfälschungen
durch Wärmetransport - ein Massenelement A/w von wenigen Gramm (der
„Absorber") thermisch gegenüber dem umgebenden Phantommaterial isoliert.
Die auf den Absorber übertragene Strahlungsenergie wird durch Vergleich der
strahlungsinduzierten Temperaturerhöhung Ai9, mit der durch elektrisches Heizen mit
der Energie fV^i erzeugten Temperaturerhöhung A^2= f^ei/(Cp m^f) bestimmt. Mit
Gl. (7.81) folgt:
D^ = (^VjAm)(A^,/Aß2). (7.82)
Zur weiteren Verringerung der Meßunsicherheiten durch Wärmetransport ist es
vorteilhaft, das Kalorimeter sowohl bei der Bestrahlung als auch bei der elektrischen
Wärmezufuhr annähernd adiabatisch zu betreiben.
Für die Dosimetrie der Photonen- und Elektronenstrahlung ist Graphit als Festkörpermaterial
besonders gut geeignet, da seine Ordnungszahl der effektiven Ordnungszahl von Gewebe, Wasser
und Luft ähnlich ist, seine gute Wärmeleitfähigkeit für einen raschen Temperaturausgleich sorgt
und sein kalorischer Defekt i. allg. vernachlässigbar klein ist.
Graphitkalorimeter werden deswegen von mehreren Nationallaboratorien zur Realisierung der
Einheit der Energiedosis benutzt (s. Domen (1969), Engelke u. Hohlfeld (1971), Guiho u. a.
(1978)).
Das Graphitkalorimeter der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Brauschweig mißt Graphit-Energiedosen
ab 0,5 Gy bei Dosisleistungen ab 0,05 Gy min ' mit einer maximalen Unsicherheit
von 0,5%. Die Umrechnung auf die Wasser-Energiedosis erhöht die Unsicherheit auf etwas
über 1%.
In der Neutronendosimetrie werden Festkörperkalorimeter aus gewebeähnlichen Kunststoffen
verwendet (McDonald (1976)), da Graphit für Neutronenstrahlung nicht hinreichend
gewebeähnhch ist. Als nachteilig erweist sich die geringe Temperaturieitfähigkeit (langsames
Ausgleichen von Temperaturgradienten im Absorber) und der im allgemeinen vorhandene
kalorische Defekt (McDonald u. Goodman (1982)).
Wasser-Dosiskalorimeter Während die Funktionsfähigkeit von Festkörperkalorimetern
eine hinreichend gute Temperaturleitfähigkeit voraussetzt, nutzt man beim Wasser-
Dosiskalorimeter die sehr geringe Temperaturleitfähigkeit von Wasser (Domen(1982)).
Wird Konvektion durch mechanische Vorkehrungen oder durch Betrieb des Kalorimeters
bei einer Wassertemperatur von 4°C verhindert (siehe z. B. Domen u. a. (1991)), so
bleibt die strahlungsinduzierte Temperaturerhöhung in vielen Fällen hinreichend lange
erhalten, um die dosisproportionale lokale Erwärmung messen zu können. Ohne
kalorischen Defekt ergibt sich die Wasser-Energiedosis daraus unmittelbar nach
Gl. (7.81). Das Kalorimeter (s. Fig. 7.46) besteht im wesentlichen aus einem wassergefüllten
PMMA-Behälter, der gegenüber seiner Umgebung thermisch isoliert ist. Die
Strahlung fällt durch ein Eintrittsfenster (mit Durchstrahlung der Isolation) auf die
gesamte Stirnfläche des Wasserphantoms. Die strahlungsinduzierte Temperaturerhöhung
Ai?|(A!?|/Z)„ = 0,24mK/Gy) wird mit kalibrierten Thermistoren gemessen. Die
Wassertemperatur beträgt etwa 4°C; vor Beginn der Bestrahlung können Temperaturgradienten
durch mechanisches Rühren oder durch Gaszufuhr aus feinen Düsen
beseitigt werden.