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Ein Verfahren zur Kalibrierung von photonenstrahlenden Großflächenquellen

22.10.2012

Großflächenquellen werden üblicherweise benutzt, um Hand-Fuß- oder Oberflächenkontaminationsmonitore auf Funktion zu überprüfen und zu kalibrieren. Die für solche Quellen relevanten Anforderungen an die Messgrößen Aktivität, Oberflächenemissionsrate und Gleichförmigkeit sind in der Norm ISO 8769:2010 definiert [1]. Um die Rückführbarkeit zu gewährleisten, werden so genannte Klasse 1-Strahler benötigt, die von einem nationalen Metrologieinstitut umfassend charakterisiert worden sein müssen. Für Quellen mit alpha- und beta-strahlenden Radionukliden führt die PTB seit vielen Jahren zahlreiche Kalibrierungen durch. Nach der letzten Überarbeitung der Norm mit deutlich verschärften Kriterien an Unsicherheiten und Gleichförmigkeit, war allerdings kein Institut mehr in der Lage Photonenstrahler nach Klasse 1 zu zertifizieren.

Großflächenquellen müssen für den Alltagseinsatz mechanisch robust und abriebfest sein, um Kontaminationen zu verhindern. Dies setzt voraus, dass die Oberfläche von solchen Quellen versiegelt wird, was andererseits die Oberflächenemissionsrate reduziert. Bei Photonenstrahlern sind Filter integraler Bestandteil der Quelle, um unerwünschte α-, β- oder Röntgenstrahlung abzuschwächen. Dies führt aber auch dazu, dass das Photonenspektrum modifiziert und die Oberflächenemissionsrate abhängig von der Photonenenergie teilweise deutlich verändert wird. Zusätzlich entsteht eine Winkelabhängigkeit der emittierten Strahlung, was die Interpretation von Messungen erschwert.

Aus einer digitalen Autoradiographie kann die Gleichförmigkeit der Quelle bestimmt werden, die sich als experimentelle Standardabweichung der Oberflächenemission von Teilflächen der Quelle berechnet. Hierzu ist allerdings eine aufwändige Entfaltung der Bilder nötig, die die durch die große Reichweite der Photonen bedingte Unschärfe der Radiographie eliminiert (vgl. Abb. 1). Die Aktivität wird auf Primärnormale der PTB zurückgeführt, indem ein großvolumiger NaI-Detektor über eine Fläche von 100 cm2 nuklidspezifisch kalibriert wird. Das hierzu notwendige Abscannen der Fläche in einem Raster mit mindestens 400 Positionen ist durch einen computergesteuerten Kreuztisch automatisiert.

Sekundärprozesse wie Streuung und Absorption sowohl in der Quelle selbst, als auch an Material in unmittelbarer Umgebung erschweren eine direkte Messung der Oberflächenemissionsrate von Photonen. Schon alleine die Halterung für Quelle und Detektor sowie die notwendige Bleiabschirmung verändern die Photonenemission im relevanten Raumwinkel. Durch umfangreiche Simulationsrechnungen konnten diese Effekte qualitativ verstanden und Korrekturfaktoren bestimmt werden, mit denen aus bekannter Aktivitätsverteilung die Oberflächenemissionsrate für Photonen berechnet werden kann (Abb. 1).

Das Verfahren zur Kalibrierung von flächenhaften Photonenstrahlern ist in [2] publiziert worden. Schwierigkeiten mit Definitionen und Vorgaben der ISO8769:2010 wurden aufgezeigt und die neuen Erkenntnisse werden in eine Neufassung dieser Norm eingebracht, damit auf diesem wichtigen Gebiet künftig wieder gut charakterisierte Großflächenquellen zur Verfügung stehen.

Abb. 1 : Vergleich der Autoradiographie einer 60Co-Testquelle mit bekannter Aktivitätsverteilung (links) mit der simulierten Oberflächenemissionsrate (rechts). Bei der Simulation wurden Punktquellen angenommen, wohingegen bei der realen Quelle ausgedehnte Tropfen von ca. 5 mm vorliegen. Auch die Variation der Tropfengröße und die Positionierung der Tropfen bei der Quellenpräparation verursacht Unterschiede. Deutlich ist die Unschärfe durch die große Reichweite der Photonenstrahlung zu erkennen. Die relative Intensität entspricht in etwa einer logarithmischen Darstellung.

Literatur

  1. ISO, 2010. Standard ISO 8769:2010(E):
    Reference sources – Calibration of surface contamination monitors – Alpha-, beta- and photon emitters.
    International Organization for Standardization, Genf, Schweiz.
  2. Nähle, O., Kossert, K.:
    Characterization of photon-emitting wide area reference sources.
    Applied Radiation and Isotopes 70 (2012) 2018-2024.