MAGYAR NÉPKÖZTÁRSASÁG SZABADALMI LEÍRÁS SZOLGALATI TALÁLMÁNY CBi Nemzetközi osztályozás: Bejelentés napja: 1979. 111. 12. (OA 618) H 01 J 39/28 Közzététel napja: 1980. XI. 28. ORSZÁGOS TALÁLMÁNYI HIVATAL Megjelent: 1981. XII- 31. Feltaláló: Hízó József fizikus, Budapest Szabadalmas: Országos Mérésügyi Hivatal, Budapest Másodlagos dozimetriai etalonként alkalmazható ionizációs kamra i A találmány tárgya másodlagos dozimetriai etalonként alkalmazható ionizációs kamra, amellyel a foton sugárzás testszövetben elnyelt dózisa alapmérőeszközként meghatározható. A találmány szerinti ionizációs kamra a zárt kamrafalú, belső alumínium bevonattal ellátott ionizációs kamrákhoz tartozik, amelynek nyakrészét villamosan vezető anyagú védőgyűrű veszi körül. Másodlagos dozimetriai etalonként a zárt falú normál légköri nyomáson működő ionizációs kamrák közül csak tiszta grafitból készített falú, alumínium belső elektróddal ellátott szerkezeti megoldásokat alkalmaztak. Ennek oka az volt, hogy egyedül a grafit falanyag tudott olyan hosszúidejű térfogatstabilitást biztosítani, amely a másodlagos etalonok stabilitási követelményeit ki tudta elégíteni. A grafit falú ionizációs kamra nem alkalmas testszövetben, illetve az azt helyettesítő vizben az elnyelt dózis mérésére, mert hatásos rendszáma azokétól távol áll. Az ismert grafit falú kamra csak külön falvastagítással tesz lehetővé széles energiatartományban, például 304 kev és 1,3 MeV közé eső tartományban mérést. Ismertek már olyan kamrafal anyag keverékek, amelyek effektív rendszáma megegyezik az emberi lágy testszövetek, például zsír vagy izom effektív rendszámával, és az ilyen anyagokat szövetekvivalenseknek nevezik. A szövetekvivalens falú ionizációs kamrákat sugárvédelmi vagy gyógyászati dózismérőkhöz használják. Az ilyen dózismérők hitelesítésére bonyolult eljárások alkalmazhatók, mert a szövetekvivalens falú eddig ismert ionizációs kamrákból a másodlagos etalonok pontossági követelményeit kielégítő mérőműszert nem lehetett kialakítani. A pontosság növelését különböző szempontok akadályozták. Ezek közül a legfontosabb akadályt az képezte, hogy a kamrafal hosszúidejű térfogatstabilitását az ismert falanyagok nem tudták biztosítani. Hátrányként jelentkezett az is, hogy a mérés egyik feltételét jelentő elektroegyensúly csak viszonylag szűk energiatartományban jött létre, és széles energiatartomány átfogásához különböző falvastagságú ionizációs kamrákat kellett alkalmazni. A mérés során változó mértékű hibát okozott az a jelenség is, amely a kamra nyakrészén a két elektród között villamos szigetelést biztosító szigetelő anyag felületén zajlott le. A levegő páratartalmától és hőmérsékletétől függően ezen szigetelő felületének villamos potenciálja különböző értéket vesz fel és ez az ionizációs kamra belső villamos terét eltorzítja. A torzítás mértéke időés hőmérsékletfüggő és befolyásolja a belső elektród ionizációs áramát. Jóllehet ez a torzító hatás normál ionizációs kamránál elhanyagolható mértékű, másodlagos etalonoknál azonban kizáró tényező, mert alapmérőeszközöket változó nagyságú hibával nem lehet készíteni. A korszerű dózismérők kialakításánál fontos annak a szempontnak a figyelembevétele is, hogy a besugárzási dózisra vonatkozó és levegő ionizáció mérésére visszavezethető röntgen R mértékegységet törölték a nemzetközi egységes SI mértékrendszer elfogadott mértékegy- 2
3 4 ségei közül. Az elnyelt dózist gray (Gy) egységben kell mérni, és a dózismérő anyagának szövetekvivalensnek kell lennie, hogy sugárkölcsönhatás szempontjából megfeleljen annak az emberi testszövetnek, amelyben az elnyelt dózist mérni kell. A találmány feladata olyan fenti típusú ionizációs kamra létrehozása, amely víz- vagy szövetekvivalens fallal rendelkezik és falanyagának hosszúidejű térfogatstabilitása lehetővé teszi az ionizációs kamra másodlagos etalonként való alkalmazását. A találmány feladata ezenkívül olyan ionizációs kamra kialakítása, amely a kev 1,3 MeV energiatartományban külön betételemek alkalmazása nélkül lehetővé teszi a dózismérés elvégzését, ugyanakkor kiküszöböli a kamraszigetelés felületén lejátszódó jelenségeknek a mérés pontosságára gyakorolt káros hatását. A találmány azon a felismerésen alapul, hogy poliacetál (CH 2 0) anyagú kamrafal választásával a kitűzött feladat megoldható, ha a kamrafal belső felületén legfeljebb 0,04 mg/cm 2 vastagságú tiszta alumínium bevonatot létesítünk, és a falanyag hatásos vastagságát (a mérési irányban mért vastagságát) legfeljebb 3 mm-re, célszerűen 2 mm-re választjuk. A szövetekvivalencia biztosítása céljából a poliacetál falanyaghoz, melynek legalább 85 súlyszázalékot kell elérnie, megfelelő rendszámú adalék anyagokat keverünk. Adalékként legfeljebb súlyszázalék alumíniumot, vagy egy alternatív megoldásnál alumíniumoxid (A1 2 0 3 ) és szén keverékét alkalmazhatjuk. Ez utóbbi esetben a szénhez képest az alumíniumoxid legfeljebb súlyszázalék mennyiségben szerepelhet. A poliacetál kitűnik nagy mechanikai stabilitásával, amely alkalmassá teszi kamrafal anyagként másodlagos etalon minőségű ionizációs kamra létesítésére. A találmány szerint a kamra elektródjai szigetelésének a villamos teret torzító hatását azáltal küszöböljük ki, hogy a kamra belső alumínium bevonatát a nyakrészen is adott hosszban kiképezzük, és ezzel koaxiális helyzetben adott hosszban a kamra belső elektródját kivezetjük a kamratérből. A belső elektród folytatásaként még a nyakrész villamosan vezető bevont felületével szemközti szakaszon a belső elektródtól horony révén elválasztott villamosan vezető felületet képezünk ki, amelyet a védőgyűrűvel összekapcsolunk. A kamraszigetelés legfeljebb a nyakrész belső bevonata és a védőgyűrűvel összekötött felület villamos terét képes módosítani, de ez a hatás a belső elektród ionizációs áramát nem befolyásolja. A találmányt a továbbiakban kiviteli példák kapcsán, a rajz alapján ismertetjük részletesebben. A rajzon az 1. ábra a találmány szerinti ionizációs kamra egy kiviteli alakjának metszete, a 2. ábra az I. ábrán vázolt ionizációs kamra nyakrészének nagyított metszeti képe, és a 3. és 4. ábrák ismert ionizációs kamra nyakrészének a 2. ábrához hasonló metszeti képe, amely a kamraszigetelés felületének erőtértorzító hatását szemlélteti. Az 1. ábrán vázolt ionizációs kamrának hengeres palásttal rendelkező 1 kamrafala van, amelynek belső felületén vékony 2 alumínium bevonat van kialakítva. A kamra 3 nyakrésze villamosan vezető anyagú 4 védőgyűrűhöz csatlakozik, amelynek 5 vállrésze tömítetten illeszkedik a 3 nyakrész belső felületéhez. A 3 nyakrésznek a 2 alumínium bevonat alja és a 4 védőgyűrű vége közé eső 8 felülete a 2 alumínium bevonatot a földelt 2 30 35 40 45 50 55 60 4 védőgyűrűtől elszigeteli. A 4 védőgyűrű belsejében villamosan szigetelő anyagú 6 rúd helyezkedik el. A 6 rúd felületén villamosan vezető anyagú 7 bevonat van kialakítva, amelynek alsó része a 4 védőgyűrűvel érintkezik és hengeres felülete a 3 nyakrész belső felületével koaxiális elrendezésű. A 6 rúdon a 7 bevonat felett még a 3 nyakrész villamosan vezető felületű hengeres szakaszának középső tartományában körbefutó 9 horony van kialakítva, és a 9 horony felett a 6 rúd felületén kialakított fémbevonat az ionizációs kamra belső elektródját képezi. A belső elektródot a 9 horony a 7 bevonattól elszigeteli. A 6 rúd belsején 11 kivezető huzal vezet keresztül, amely a belső elektróddal van összekötve és annak villamos csatlakoztatására szolgál. A 2. ábrán a 3 nyakrész közvetlen környezetét nagyított ábrázolásban mutattuk meg, és itt jót megfigyelhető, hogy a 9 horony valóban a 3 nyakrész belső vezető felületének a középső részére esik, és ezen vezető felület a 6 rúdnak a 9 horony által elválasztott villamosan vezető hengeres felületeit koaxiálisan körülveszi. Az 1. ábrán feltüntettük az ionizációs kamra villamos csatlakoztatását is. A külső elektródot képező 2 alumínium bevonat és a föld közé 12 feszültségforrás van kapcsolva, és a kamra áramát a földelt 4 védőgyűrű és a belső elektród közé kapcsolt 13 pikoampermérő (Coulométer) méri. A 3. és 4. ábrákon összehasonlítás céljából ismert védőgyűrüs ionizációs kamra lezárásnak szerkezeti kialakítását tüntettük fel. A kamra nyakrészét 14 szigetelő gyűrű képezi, amely 4a védőgyűrűhöz csatlakozik. A 6a rúd ennek belsején vonul végig és fémből készült lobelső elektródhoz csatlakozik, amelynek alsó széle a kamra alsó falával van egy vonalban. A kamrát középen alul a 14 szigetelő gyűrű homlokfelülete és a 6a rúd homlokfelülete határolja, melyek között gyűrűalakú rés képződik. Most ismét a találmány szerinti ionizációs kamrára hivatkozunk, amelynek működését a szerkezeti kialakítás mellett elsősorban a megfelelő falanyag megválasztása határozza meg. A találmány felismerése szerint az 1 kamrafalat döntően poliacetál anyagból kell kialakítani. Az alkalmazott poliacetál falanyaghoz a megfelelő effektív rendszám és szövetekvivalencia biztosítása céljából fémtiszta alumíniumot vagy alumíniumoxid és szén keverékét lehet hozzákeverni. A keveréket finom őrlemény formájában egyenletesen kell a poliacetál granulátumhoz vagy fröccsanyaghoz hozzáadagolni. A poliacetált a kereskedelmi forgalomban delrin" néven ismerik. A víz effektív rendszámát például 93 súlyszázalék poliacetált és 7 súlyszázalék alumíniumot tartalmazó falanyaggal lehet megközelíteni. Ez a falanyag 7,69 effektív rendszámú. Szövetekvivalencia biztosítható például 90 súly% poliacetált, 7 súly% szenet és 3% alumíniumoxidot tartalmazó kamrafal segítségével, amelynek effektív rendszáma 7,39. Az 1 kamrafal vastagsága az ionizációs kamra érzékelési energiasávszélességével függ össze. Széles energiatartomány biztosítható 2 2,5 mm-es falvastagságok alkalmazásával. A választott kamrafal anyagától, falvastagságától és a mérési specifikációtól függően változtathatjuk a 2 alumínium bevonat vastagságát. Ezt a bevonatot ismert bevonatkészitési eljárásokkal egyenletes
5 6 vastagságban kell a kamra belső falára felvinni, és a bevonat vastagsága legfeljebb 0,04 mg/cm 2 lehet. A stabil, külső hatásoktól független kamraműködés feltétele, hogy a kamra villamos erővonalképe a 2 alumínium bevonat és a belső elektród között ne változhasson. A 2. ábrán nagyítottan feltüntetett kamralezárás ezt a stabilitást biztosítja. Az ionizációs kamra villamos bekötési rajzából látható, hogy a 13 pikoampermérőn eső feszültség elhanyagolhatóan kis értékű a 12 feszültségforrás feszültségéhez képest, ezért az egymástól 9 horonnyal elszigetelt 7 bevonat és belső elektród az erővonalkép kialakítása szempontjából lényegében ekvipotenciális felületeknek tekinthető. A kamra 3 nyakrészének belső gyürüalakú légrésében homogén erővonaleloszlást láthatunk, ahol az erővonalak síkja a 9 horony síkjával párhuzamos, azaz a 9 horony jelenléte mezőtorzítást nem okoz. Ha a légnedvesség változása miatt a 3 nyakrész belső felületén a 2 alumínium bevonat és a 4 védőgyűrű közötti szigetelő anyagú szakaszon a felületi vezetőképesség változik, akkor ez nem befolyásolhatja a 13 pikoampermérővel mérhető áramértékeket. Ezzel szemben a 3. és 4. ábrán feltüntettük, hogy az ismert megoldásoknál a 14 szigetelő gyűrű homlokfelületén a légnedvesség változásának hatására a felületi vezetés is változhat, amely különböző mértékben torzítja a kamra belső villamos terét. A különböző torzítások a kamraáramban is jelentkeznek. A találmány szerinti nyakrész kialakítás következtében az ionizációs kamra másodlagos etalonként alkalmazható, mert a kamra belső légterének nyomás- és nedvességtartalom változásai bizonytalan mérési hibát nem okozhatnak. A másodlagos etalonként való alkalmazhatóságot a poüacetál kamrafal nagy stabilitása, tartóssága és ellenállósága is lehetővé teszi. Az alumínium bevonat és a kamrafal vastagságának helyes megválasztásával a találmány szerinti kamra mintegy kev és 1,3 MeV közötti tartományban hiteles mérést biztosít. 30 A találmány szerinti ionizációs kamra szövetekvívalens jellege szövetekben vagy szövetekvivalens közegekben hitelesített elnyelt dózis méréseket tesz lehetővé. Szabadalmi igénypontok 1. Másodlagos dozimetriai etalonként alkalmazható ionizációs kamra, amelynek zárt kamrafala, ennek belső felületén kialakított alumínium bevonata, belső elektródja és a kamrafal nyakrészét körülvevő villamosan vezető anyagú védőgyűrűje van, azzal jellemezve, hogy legfeljebb 3 mm-es vastagságú szövet- vagy vízekvivalens kamrafala (1) van, amely legalább 85 súlyszázalékban poliacetált, ezenkívül pedig adalékként alumíniumot, vagy alumíniumoxidot és szenet tartalmaz, és belső alumínium bevonatának (2) legfeljebb 0,04 mg/cm 2 vastagsága van. 2. Az 1. igénypont szerinti ionizációs kamra kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a kamrafal (1) legfeljebb súlyszázalék alumínium adalékot tartalmaz. 3. Az 1. igénypont szerinti ionizációs kamra kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a kamrafal (1) adalékként alumíniumoxidot és szenet tartalmaz, ahol az alumíniumoxid legfeljebb súlyszázalék mennyiségű a szénhez képest. 4. Az 1 3. igénypontok bármelyike szerinti ionizációs kamra kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a kamrának a védőgyűrű (4) tengelyével lényegében párhuzamos alkotójú nyakrésze (3) van, amelyen adott hosszban az alumínium bevonat (2) van kiképezve, és a belső elektród () tartó rúdja (6) a nyakrész (3) belsején vezet keresztül, és rajta a nyakrész (3) bevont belső szakaszának középső tartományában horony (9) van kialakítva, és a horonynak (9) a belső elektród () átellenes oldalán a rúd (6) külső felületén a belső elektródtól () elszigetelt és a védőgyűrűvel (4) összekapcsolt vezető bevonat (7) van kialakítva, amely a nyakrész (3) vezető szakaszának legalább a végéig ér. 2 rajz, 4 ábra A kiadásért felel: a Közgazdasági és ]ogi Könyvkiadó igazgatója 81.1429.66-42 Alföldi Nyomda, Debrecen Felelős vezető: Benkő István igazgató 3
Nemzetközi osztályozás: H 01 J 39/28 1. ábra
2. ábra 3. ábra L ábra