DE19721618A1

DE19721618A1 - Verfahren zur Ermittlung von Neutronenspektren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Publication number: DE19721618A1
Application number: DE19721618A
Authority: DE
Inventors: Georg Dr Fehrenbacher; Eric Cordes; Markus Sprunck; Wolfgang Dr Wahl
Original assignee: Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH
Priority date: 1997-05-23
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 1998-11-26
Also published as: DE59810168D1; EP0983523B1; WO1998053342A1; JP2001525933A; ATE254290T1; EP0983523A1; US6423972B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Neutronenspektren, nach dem Ober begriff des Patentanspruchs 1, wie er aus J. Barthe et. Al, Radiation Protection Dosimetry Vol. 70. Nos. 1-4, 59-66 (1997) Nuclear Technology Publishing bekannt ist und eine Vor richtung zur Durchführung des Verfahrens.

In der Dosimetrie für Neutronenstrahlung werden zur Zeit hauptsächlich passive Detektions systeme eingesetzt, deren Dosisanzeigen nur für begrenzte Energiebereiche der Neutronen strahlung hinreichend genau sind (z. B. Albedo- oder Plastikspurdetektoren). Darüber hinaus werden diese Systeme in der Regel nur einmal pro Monat ausgewertet, so daß in manchen Fällen eine erhöhte Strahlenexposition erst nach Monaten festgestellt wird. Ein großer Fort schritt in der Personendosimetrie für Neutronenstrahlung bestünde in der Einführung von Echtzeitdosimetern mit einer Dosisanzeige für einen Energiebereich der Neutronen vom thermischen Bereich (meV) bis ca. 20 MeV ohne die Verwendung von arbeitsplatzspezifi schen Kalibrier- oder Korrekturfaktoren. Die meisten Neutronfelder, die in der Praxis vor kommen (Kernkraftwerke, Verarbeitung und Transport von nuklearen Brennstoffen, Neutro nentherapie, etc.), haben Neutronenenergien im genannten Energiebereich. Personendosimeter werden z.Zt. hauptsächlich im Bereich der Photonendetektion eingesetzt. Beispiele für elektronische Personendosimeter für Photonenstrahlung sind: Das von Siemens- Plessy entwickelte Personendosimeter (EPD1, siehe z. B. Electronic dosimetry 1/93 Issue 1, Siemens Plessey Controls Ltd, 1993) für die Anzeige der neuen Meßgröße H_p(10) für Photo nenstrahlung und zum Nachweis und zur Dosimetrie von Photonen- und Elektronenstrahlung geringer Reichweite (Hautdosis) oder die wie das Siemens-Dosimeter auf Si-Dioden basie renden Dosimeter der Firma Rados (RAD-50, RAD-52 Digitale Taschendosimeter, Datenblät ter der Firma Rados RADOS Technology Oy, Finnland).

Aktive Neutronenpersonendosimeter basierend auf Silizium gibt es z.Zt. nur wenige. Als Bei spiele können die Neutronendosimeter der japanischen Firma Aloka genannt werden (Barthe, Bordy, Lahaye; Electronic Neutron Dosemeters: History and State of the Art, Radiation Pro tection Dosimetry Vol. ∼70, Nos. 1-4, 59-66 (1997)). Sie sind ausgelegt für die Detektion von thermischen und schnellen Neutronen (Modell PDM-303, siehe Datenblatt ALOKA CO. LTD. Tokyo, Japan) oder ausschließlich für thermische Neutronen (Modell PDM-307, siehe Datenblatt). Die auf Zählrohren basierende Systeme der Firma Stephen sind geeignet Photo nenstrahlung zu detektieren und eine Dosisbewertung vorzunehmen (Datenblatt Stephen, Centronic D.C.A. Mini Instruments T.O.M.; Surrey, England). Neutrondetektionssyteme zur Ermittlung von Informationen über die Energieverteilung von Neutronstrahlung, die den strahlenschutzrelevanten Energiebereich von 10 meV bis ca. 10 MeV abdecken, sind bisher nur in Form der 'Bonner Kugeln' vorhanden, die auf der unter schiedlichen Absorption der Neutronen pro Detektionseinheit beruhen (Bramblett, Ewing, Bonner; A New type of Neutron Spectrometer; Nuclear Instruments and Methods 9, 1-12 (1960)). In einem Auswertungsverfahren wird dann von einem erfahrenen Experten die soge nannte Entfaltung durchgeführt um das Neutronenspektrum zu bestimmen.

Alle genannten Systeme sind derart konstruiert, daß sie als Ereigniszähler ausgelegt sind, ohne eine Strahlenfeldanalyse mit der Möglichkeit einer Spektrumsbestimmung vorzuneh men. Das Aloka-Dosimeter (PDM-303) wurde Tests unterzogen, um deren Genauigkeit der Dosisanzeige als Funktion der Neutronenenergie zu untersuchen (z. B. CERN Report TIS- RP/TM/92-90/rev (1992)). Ein Resultat der Tests gibt eine starke Abweichung der Dosisan zeige für schnelle Neutronen im Vergleich zur tatsächlichen Dosis wieder.

Von diesen Systemen ist kein einziges dazu geeignet das Spektrum der Neutronen wiederzu geben.

Das einzige derzeit vorhandene System zur Neutronenspektrometrie im gesamten Energiebe reich von thermisch bis schnell - die Methode der Bonner Kugeln - ist vom Standpunkt der Verfahrensweise sehr aufwendig, da die Detektionseinheiten sehr groß und aufwendig im Transport sind und die Auswertungen nur von einem ausgebildeten Experten unter Verwen dung von Annahmen und Informationen über die gemessenen Spektren durchgeführt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, sowohl ein Verfahren der e. g. Art so auszugestalten, daß die Neutronenspektren in Echtzeit ermittelt werden können als auch eine Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 9. Die Unteran sprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfindung stellt ein neues Verfahren dar, mit welchem die Dosisbestimmung für Neutro nenstrahlung basierend auf Konverter-Halbleiter-Detektoren, die eine sofortige Auswertung ermöglichen (Echtzeitdosimeter), durchgeführt werden kann. Das Dosimeter besteht aus ei nem Multi-Element-System zur Signalaufnahme und einem dazugehörenden Auswertealgo rithmus, basierend auf der Methode der künstlichen neuronalen Netze, wobei keine Vorabin formation über die spektrale Energieverteilung der Neutronenstrahlung vorhanden sein muß. Im Gegensatz zu bisherigen Meßsystemen wird hier die Bestimmung der Energieverteilung der Neutronenstrahlung in einem ersten Schritt angestrebt, in einem zweiten Schritt erfolgt die Berechnung der Meßgröße. Dies hat den Vorteil, daß durch Anwendung entsprechender Do siskonversionsfaktoren verschiedene - im Fall erhöhter Expositionen wichtige zur Meßgröße ergänzende - Dosisgrößen wie z. B. Körper- und Organdosen ausgegeben werden können. Zu einem Strahlungssensor gehört ein mit einem Konverter belegter Halbleiter. Als Element kann ein solcher Strahlungssensor angesehen werden bzw. falls die Registrierung der Teilchen über aufgenommene Pulshöhenverteilungen erfolgt, so kann als Element auch die in einem Sensor erfolgte Energiedeponierung in einem speziellen Energiebereich angesehen werden. In dem Verfahren ist das einfallende Neutronenspektrum korreliert mit den Verhältnissen der registrierten Zählereignisse der einzelnen Elemente, da jedes Element eine eigene Energieab hängigkeit der registrierten Zahlereignisse von der einfallenden Neutronenstrahlung aufweist. Der Auswertealgorithmus gibt im ersten Schritt das Neutronenspektrum mit einer geeigneten Energieauflösung an und in weiteren Schritten werden durch Anwendung von Dosiskonversi onsfaktoren, die in Form von Tabellen in der Auswertesoftware vorhanden sind und deshalb leicht angepaßt werden können, Dosismeßgrößen bestimmt (z. B. die Personendosis H_p(10), effektive Dosis).

Das hier vorgestellte Verfahren stellt eine Vereinfachung des Meß- und Auswertevorgangs dar, indem eine sofortige Entfaltung nach einer gewissen Zählperiode durchgeführt werden kann. Aufgrund der ermittelten Informationen über die Energie des Neutronenstrahlungsfeldes können verschiedene Dosismeßgrößen ermittelt werden im Vergleich zu herkömmlichen Sy stemen, die die Angabe nur einer Meßgröße erlauben. Darüber hinaus ist eine eventuelle Ein führung von neuen Meßgrößen durch eine Anpassung der Auswertesoftware einfach möglich.

Die zur Zeit verwendeten Detektionssysteme müßten bei der Einführung neuer Meßgrößen durch Hardwaremaßnahmen angepaßt werden.

Die Neuartigkeit der Erfindung besteht in der Ermittlung der spektralen Verteilung der Neu tronenstrahlung (u. U. in großen Energieintervallen), da alle Dosismeßgrößen aus der spektra len Verteilung (unter Mitberücksichtigung der Einstrahlwinkel bzg. der exponierten Person) abgeleitet werden können. Eine Modifizierung der Bewertung der Neutronenstrahlung oder eine Neueinführung einer Dosismeßgröße wie sie z. B. gerade durch die neuen ICRU-Meßgrö ßen stattfindet, kann verhältnismäßig einfach berücksichtigt werden, indem die Dosiskonver sionsfaktoren im Auswertealgorithmus entsprechend adaptiert werden. Es ist somit nicht mehr - wie in der Vergangenheit - nötig die gesamte Detektionshardware anzupassen (zu verän dern). Es ist auch erstmals möglich Körper- und Organdosen, wie es die Strahlenschutzver ordnung vorschlägt, anzuzeigen.

In Stichpunkten können die Eigenschaften und Vorteile der Erfindung folgendermaßen zu sammengefaßt werden:
Ermittlung der spektralen Information und der Dosis (z. B. H_p(10)).

Verwendung eines Multi-Element-Systems (1) zur Datenaufnahme; ein Element ist hier da durch definiert, daß sein Ausgangssignal je nach spektraler Zusammensetzung des Neutronen feldes variiert.

Zur Analyse der Eingangsdaten wird ein künstliches neuronales Netz (2) eingesetzt. Bei dieser Rechenmethode sind keine Vorabinformationen über die Art der Strahlenquelle (Reaktor, Transportbehälter, Quelle etc.) notwendig. Das System kann an veränderte Anforderungen angepaßt werden, indem lediglich die Software (Netzparameter) verändert wird.

Die Dosis bzw. das Dosisspektrum wird durch Faltung mit leicht austauschbaren Dosiskon versionsfunktionen berechnet.

Das System erlaubt eine zeitaufgelöste Meßwerterfassung.

Die Meßwerte können auch während der Messung angezeigt werden (Direktanzeige). Da das System mehrere Elemente zur Datenaufnahme verwendet, ist bei Ausfall eines oder mehrerer Elemente noch immer eine Dosisabschätzung möglich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher erläutert.

Dabei zeigt die Fig. 1 ein Funktionsschema des Verfahrens und die Fig. 2 einen schemati schen Neutronendetektor.

Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils ein Neutronenspektrum mit dazugehörigen Einzelzählraten und dem berechneten Spektrum.

Die Fig. 5 zeigt die Ansprechfunktionen von 6 Neutronendetektoren und die Fig. 6 zwei Do siskonversionsfaktor-Kurven.

Im Funktionsschema der Fig. 1 sind die wesentlichen Funktionsgruppen und Verarbeitungs schritte des Ausführungsbeispiels für ein Dosimetriesystem dargestellt. Die einzelnen Kom ponenten sind durchnumeriert und werden im folgenden genauer beschrieben. Außerdem wird der Meß- und Analyseprozeß beispielhaft anhand zweier stark unterschiedlicher Neutronen spektren in den Fig. 3 und 4 illustriert. Dabei werden die zu unterschiedlichen Verarbeitungs zeitpunkten vorliegenden Informationen dargestellt.

Das Multielement-System 1

Zur Signalaufnahme dient eine Anordnung mehrerer Elemente, deren Ausgangssignale je weils abhängig von der spektralen Verteilung des Neutronenfeldes variieren. Mögliche kon krete Ausführungen von Elementen sind zum Beispiel:

- Eine Kombination mehrerer, integrierend betriebener Si-Dioden mit verschiedenem Schichtaufbau und unterschiedlichen Konvertermaterialien zur Umwandlung der Neutro nen in geladene Teilchen (besonders geeignet für kleine Dosen). Eine solche Anordnung ist in Fig. 1, 1a, 1b, 1c dargestellt. Ein möglicher Aufbau des Neutronensensors (Fig. 1, 1a) ist in Fig. 2 gegeben. Die Signale der Sensoren werden von geeigneten Verstärkern (Fig. 1, 1b) verstärkt und dann gezählt (Fig. 1, 1c).
- Die verschiedenen Kanäle eines Vielkanalanalysators, der die Pulshöhen-Signale einer ein zelnen Konverter-bedeckten Diode auswertet (für größere Dosen bei besserer Auflösung geeignet).
- Eine Kombinationen beider Verfahren.
Damit durch das neuronale Netz 2b eine ausreichend gute Rekonstruktion des Spektrums erreicht werden kann, ist es von elementarer Bedeutung eine geeignete Kombination von Eingangselementen zu finden (Anzahl der Elemente, Aufbau der Dioden sowie Zusam mensetzung und Schichtdicke der Konverter). Um aus der beliebig großen Zahl möglicher Kombinationen geeignete zu selektieren, wurde erstmalig eine Software zu Simulation der Neutronen-Ansprechfunktionen der einzelnen Dioden entwickelt und durch den Vergleich mit Messungen verifiziert (Fig. 5).
Als Ergebnis dieser Untersuchungen wurde für das hier vorgestellte Anwendungsbeispiel die folgende Anordnung von 6 Si-Dioden in Kombination mit den angegebenen Konver termaterialien und Schichtdicken verwendet, wobei hier die Konverterschicht direkt vor der Diode angebracht ist. Die Parameter sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Für das Ausführungsbeispiel verwendete Konvertermaterialien und deren Schichtdicken sowie Totschichtdicke und Dicke der aktiven Schicht der Si-Dioden

Das künstliche neuronale Netz 2a, 2b, 2c

Die Berechnung einer aus 6 Energieintervallen (Energiegruppen) bestehenden spektralen In formation aus den 6 gemessenen Signalen erfolgt mittels eines künstlichen neuronalen Netzes. Es sind folgende drei Rechenschritte notwendig:

2a) Die Skalierung der gemessenen Zählraten, um von den Signalen einen nur von der Do sisabhängigen Faktor zu separieren. Bei der Skalierung werden alle Zählraten durch die vom Betrag größte Zählrate geteilt, d. h. alle Zählraten liegen nach der Skalierung in ei nem Wertebereich zwischen Null und Eins. Der separierte Faktor wird für die Rückska lierung (Fig. 1, 2c) gespeichert.

2b) Die Analyse des Signals erfolgt mit einem geeigneten künstlichen neuronalen Netz. Das hier verwendete neuronale Netzwerk ist ein sogenanntes Feed-Forward-Netz mit zwei verdeckten Schichten. Alle Neuronen des Netzes besitzen eine nicht lineare Übertra gungsfunktion (hyperbolischer Tangens). Der Ausgabebereich dieser Neuronen liegt zwischen -1.0 und +1.0. Alle Schichten sind mit der jeweils Vorherigen und Nächsten vollständig vernetzt. Es gibt keine Verbindungen über die Schichten hinweg. Für die Ein gabeschicht wurden 6 Eingabeknoten entsprechend den Eingangselementen gewählt, für die erste verdeckte Schicht 16 Neuronen, für die zweite verdeckte Schicht 10 Neuronen und für die Ausgabeschicht 6 Neuronen. Die Neuronen der Ausgabeschicht korrespondie ren mit der gleichen Anzahl von Energieintervallen des rekonstruierten Spektrums. Die Grenzen der Energieintervalle wurden mit Hilfe eines linearen χ²-Optimierungsverfahrens unter der Vorgabe ermittelt, die Abweichung der aus dem Originalspektrum ermittelten Dosis zu der aus dem genäherten Spektrum ermittelten Dosis zu minimieren. Anschließend werden die Gewichte (Verbindungsstärken) des Netzwerkes mittels der beiden Lemalgorithmen "Simulated Annealing" und "Backpropagation" trainiert. Die für das Training und den Test des Netzes erforderlichen nominellen Ausgangssignale können durch Messungen und durch Simulation der Senso ren ermittelt werden, wobei abhängig von der Art der verwendeten Spektren (in diesem Fall 392 Stück) die Netztopologie deutlich variieren kann. Nach dem Training bleibt das Netzwerk unverändert und kann für die Berechnung unbekannter Spektren verwendet werden, ohne daß dazu eine große Rechenleistung notwendig ist.

2c) Die Reskalierung fügt, mittels Multiplikation aller 6 Ausgabekanäle mit dem bei der Ska lierung gespeicherten Faktor, die absolute Dosis-Information wieder hinzu.
Das zur Analyse der Meßdaten eingesetzte künstliche neuronale Netz (KNN) kann ent weder als Software in Verbindung mit einem Mikrocontroller oder als Hardwarelösung z. B. mit einem geeigneten ASIC Baustein realisiert werden. Für das KNN muß eine der Aufgabe angepaßte Netztopologie, ein passendes Reproduktionsverfahren sowie geeig nete Trainingsmethoden gewählt werden. Die Netztopologie beschreibt die Anzahl der Neuronen im Netz, deren Anordnung und Übertragungsverhalten sowie die Eigenschaften der Verbindungen unter den einzelnen Neuronen. Das Reproduktionsverfahren, be schreibt die Folge der operativen Rechenschritte vom Anlegen der Eingangswerte bis zum Vorliegen der berechneten Ergebnisse.
Die Verwendung eines geeigneten Trainingsverfahrens oder eine Kombination von meh reren Verfahren hat einen signifikanten Einfluß auf die Qualität der Generalisierungsfä higkeit bei der Reproduktion des fertig trainierten Netzes. Ein Übertrainieren des Netzes, d. h. das Auswendiglernen der Trainingsmuster, kann durch die Verwendung einer Va lidierungsmenge reduziert werden. Das KNN wird mit Hilfe von bekannten Neutronen spektren trainiert, die zufällig in eine Trainingsmenge (ca. 80%) und eine Validierungs menge (ca. 20%) aufgespalten werden. Das Optimierungsverfahren verwendet nur die Trainingsmenge zur Minimierung des Netzfehlers und benutzt die Validierungsmenge nur zur Bestimmung eines geeigneten Zeitpunktes zum Abbruch des Minimierungsprozesses. Der Lernerfolg wird mittels des Fehlers der Validierungsmenge überwacht, indem die statistische Abweichung der vom KNN aus den Zählraten der Eingangselemente be stimmten Spektren zu den realen Spektren betrachtet wird. Erreicht der Validierungsfeh ler ein Minimum so ist das Netz optimal trainiert. Beim Training werden dem KNN die Zahlraten der Eingangselemente zusammen mit den zugehörigen Neutronenspektren prä sentiert. Während diverser Optimierungsdurchläufe erlernt das KNN die Zuordnung von 'Zählraten der Eingangselemente' auf eine 'Näherung des Neutronenspektrums'. Diese Relation ist in den unterschiedlichen Gewichten der Verbindungen zwischen den Neuro nen gespeichert. Um die Generalisierungsfähigkeit des KNN zu verbessern, werden dem Netz beim Training zusätzlich unterschiedlich stark verrauschte Versionen der Spektren der Lernmenge präsentiert. Durch eine entsprechende Zusammenstellung der Lernmenge kann das KNN für verschiedene Aufgabenstellungen optimiert werden. So kann das Netz wahlweise z. B. für eine universelle Verwendung wie die Bestimmung der spektralen In formation unbekannter Strahlungsfelder über einen möglichst großen Energiebereich trai niert werden oder aber für ein spezialisiertere Aufgabe wie z. B. die möglichst exakte Be stimmung der spektralen Information bei einer vorgegebenen Bestrahlungssituation und/oder eingeschränktem Energiebereich.
Für die Anwendung des Netzes müssen die Gewichte nach dem Training nicht mehr ver ändert werden. Die Gewichte der Netzverbindungen, die das Ergebnis des Lernprozesses beinhalten, werden in einem wiederbeschreibbaren Speicher abgelegt (z. B. EEPROM), und können somit bei Bedarf ausgetauscht und der Situation angepaßt werden. Als Ant wort auf die an die Neuronen der Eingangsschicht anliegenden integralen Zählraten der Eingangselemente nehmen die Ausgangsneuronen des trainierten Netzes bei der Repro duktion einen Zahlenwert an, der zu der Anzahl von Neutronen in einem bestimmten Energieintervall proportional ist. Da vom KNN in Abhängigkeit von der Übertragungs funktion, die für die Neuronen gewählt wurde, nur Eingangs- und Ausgangswerte ein ei nem bestimmten Intervall verarbeiten werden können sei an dieser Stelle darauf hinge wiesen, daß die als Eingangssignal dienenden integralen Zählraten vor der Weitergabe an das KNN passend skaliert, und die Ausgangswerte entsprechend rückskaliert werden müssen.

Spektrale Information 3

Als Ergebnis der Analyse der Eingangsdaten durch das künstliche neuronale Netz liegt die spektrale Information in dem Ausführungsbeispiel in Form von 6 Werten für die Neutronen fluenz für die 6 Energieintervalle (Energiegruppen) vor. Diese kann dann zum Einen direkt angezeigt werden (Fig. 1, 3b) und kann sofortige Rückschlüsse über das Strahlungsfeld zulas sen, zum Anderen werden diese Daten in einem weiteren Verarbeitungsschritt weiterverarbei tet (Fig. 1, 5).

Dosis-Konversionsfaktor 4

Die Energiedosis und die biologische Wirksamkeit von Neutronen unterschiedlicher Energie variiert über den Energiebereich von thermisch bis zu schnellen Neutronen sehr stark. Um dieser Tatsache Rechnung zu tragen, werden Gewichtungsfunktionen (Dosis-Konversionsfak tor-Kurven) verwendet, die je nach gefragter Dosisgröße (H*(10), H_p(10), MADE, etc.), Ge schlecht (Adam, Eva) bzw. bestimmten Organdosen einen unterschiedlichen Verlauf aufwei sen (Fig. 4). Zum anderen sind die Dosis-Konversionsfaktoren, bedingt durch den sich ständig ändernden Stand der Erkenntnisse (z. B. Bewertung der biologischen Wirksamkeit), einem steten Wandel unterworfen. In diesem System werden sie per Software implementiert (Fig. 1, 4), was einen einfachen und kostengünstigen Austausch ermöglicht, ohne daß Ände rungen an der Hardware notwendig wären.

Faltung der spektralen Information mit den Dosis-Konversionsfaktoren 5

An dieser Stelle wird der unter Absatz 4 beschrieben Sachverhalt dadurch berücksichtigt, daß die vorhandene spektrale Information (Fig. 1, 3) mit der gewünschten Dosis-Konversionsfak tor-Kurve (Fig. 1, 4) gefaltet wird. Das Ergebnis ist ein Dosisspektrum (Fig. 1, 6).

Das Dosisspektrum 6

In dem Dosisspektrum (Fig. 1, 6) ist für jeden der 6 Energiebereiche (Energiegruppen) der jeweilige Beitrag zur Gesamtdosis in Form eines (Teil-) Dosiswertes gegeben. Diese Infor mation kann ebenfalls zur Anzeige gebracht werden und kann dadurch z. B. bei der Auswahl geeigneter Abschirmungsmaßnahmen hilfreich sein.

Integration über das Dosisspektrum 7

Durch eine abschließende Integration (Fig. 1, 7) über das Dosisspektrum wird dann eine ge eignete Dosismeßgröße (H*(10), H_p(10), MADE, etc.) bestimmt und direkt angezeigt (Fig. 1, 8).

Dosiswert 8

Am Ende der Analysekette liegt ein Dosiswert (Fig. 1, 8) vor, der wie bei bisherigen Dosime tern weiterverwendet werden kann. Wie bereits in Absatz 4 erwähnt, kann die zu ermittelnde Dosismeßgröße durch den Austausch der Dosis-Konversionsfaktoren an veränderte Bedürf nisse angepaßt werden. Andererseits erlauben mehrere im System gespeicherte Dosis-Kon versionsfaktoren die unmittelbare Abfrage verschiedener Dosismeßgrößen.

Alternatives Anwendungsbeispiel unter Verwendung von 4 Elementen

Eine möglichst große Zahl von Elementen mit möglichst unterschiedlichem Verlauf der Neu tronen-Ansprechfunktionen erleichtert eine eindeutige Bestimmung der Neutronenspektren durch das künstliche neuronale Netz. Andererseits soll u. a. aus Gründen der Kostenersparnis sowie des niedrig zu haltenden Stromverbrauchs die Zahl der Eingangselemente möglichst klein gehalten werden. Aus diesem Grund wurde - neben dem ausführlich diskutierten An wendungsbeispiel mit 6 Sensoren - auch die Realisierbarkeit eines Systems mit 4 Sensoren überprüft. Dabei konnte mit einem System, bestehend aus konverterbedeckten Si-Dioden, eine akzeptable Annäherung an das reale Eingangsspektrum erzielt werden. Die Parameter sind in der Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2

Da jedoch der Zeitaufwand, der in die Optimierung der Sensoren gesteckt werden muß, mit abnehmender Zahl der Eingangsdaten sehr stark ansteigt, wurden in diesem Stadium weitere Untersuchungen zurückgestellt. Es läßt sich jedoch festhalten, daß - speziell, aber nicht not wendigerweise - bei Beschränkung auf bestimmte Neutronen-Energiebereiche und/oder Spek trenklassen eine Herabsetzung der Sensorenzahl auf bis zu 3 Sensoren realistisch erscheint. Selbst ein 2-Sensor-System kann noch Informationen über die Beiträge thermischer und schneller Neutronen liefern.

Die Aufteilung des Pulshöhenspektrums in Energie-Teilbereiche liefert Zusatzinformationen für das künstliche neuronale Netz. Hierbei kann z. B. ausgenutzt werden, daß kinematische Effekte bei der Wechselwirkung von schnellen Neutronen mit den Detektormaterialien zu signifikanten Veränderungen in der Pulshöhenverteilung führen oder aber daß bei exothermen Reaktionen mit thermischen Neutronen eine definierte Maximalenergie der Reaktionspro dukte gegeben ist. Beispiele sind:

- für wasserstoffhaltige Konverter kann - unter der Voraussetzung einer vollständigen Ab bremsung in der aktiven Schicht - ausgenutzt werden, daß die maximale Energiedeponierung in der aktiven Schicht direkt proportional zur maximalen Energie der Neutronen ist. Bei Set zen von geeigneten Schwellen kann für das KNN mehr Informationen über schnelle Neutro nen mit Energien unter bzw. über den jeweiligen Schwellen gewonnen werden.
- das Setzen einer Energieschwelle bei 2.7 MeV bei einem mit 6-LiF bedecktem Sensor. Dort tragen dann oberhalb der Schwelle nur noch schnelle Neutronen zur Zählrate bei, wogegen unterhalb dieser Schwelle sowohl thermische als auch schnelle Neutronen detektiert werden. Bedingt durch den höheren Wirkungsquerschnitt für die Reaktion mit thermischen Neutro nen dominieren hier dann die thermischen Neutronen die Zählrate.

Beschreibung zu Fig. 2 Detektionsprinzip

Der Nachweis der Neutronen erfolgt über die Wechselwirkung der einfallenden Neutronen mit den Kernen der Detektorschichten wobei geladene Teilchen erzeugt werden, die über Energiedeponierungen in der aktiven Schicht des Detektors ein Signal erzeugen. Der Aufbau des Detektors kann durch vier Schichten charakterisiert werden:

Konverterschicht 9

Hier soll bevorzugt die Wechselwirkung der einfallenden Neutronen stattfinden. Sie bestimmt durch eine entsprechende Auswahl der Materialien und der Schichtdicken die Eigenschaften des Detektors. Wichtig in diesem Zusammenhang ist die Nachweiswahrscheinlichkeit der Neutronen als Funktion ihrer Einstrahlenergie. Schichtdicken: ab 10 µ für exotherm wirkende Konverter zum Nachweis von langsamen und thermischen Neutronen bis einige mm für den Nachweis von schnellen Neutronen. Eine detaillierte Betrachtung der für verschiedene Ener giebereiche in Frage kommenden Konvertermaterialien ist unter der Überschrift 'Wahl geeig neter Konvertermaterialien' gegeben.

Totschicht 10, 11

Aufgrund der Empfindlichkeit von Dioden gegenüber Oberflächenverschmutzungen und Licht werden sie mit einer Passivierungsschicht (Fig. 2, 11) belegt, um die genannten Effekte zu reduzieren. Dies hat den Nebeneffekt, daß die Ionen, die vom Konverter in den Detektor hinein wandern, in dieser Schicht abgebremst werden können. Die Funktion der Nachweis wahrscheinlichkeit kann somit beeinflußt werden. Dicke der Totschicht: idealerweise zum Nachweis von niederenergetischen Teilchen möglichst klein, praktikabel ab 500 Angström bis einige 10 µ für die Anwendung als Schwellenwertsensor. Die oft unvermeidbare Lücke zwi schen Konverter und Diode (Fig. 2, 10) wird hier der Totschicht zugerechnet.

Aktive Schicht 12

Sie dient zum Nachweis von geladenen Teilchen, die durch die Neutronenwechselwirkung erzeugt wurden. Unter der Voraussetzung, daß Neutronen- und Photonenereignisse separiert werden können (z. B. durch Pulsformanalyse, Koinzidenztechniken oder ΔE/E-Techniken), kann die aktive Schicht im Vergleich zum Konverter ähnliche Schichtdicken (mehrere 100 µm bis mm) annehmen, so daß die Wechselwirkungen, welche die Neutronen in der aktiven Schicht erfahren, signifikant zur Nachweiswahrscheinlichkeit beitragen. Schichtdicke: Im allgemeinen wählt man hier aktive Schichten geringer Dicke, um die Empfindlichkeit gegen über Photonen klein zu halten, typischerweise um die 50 µ.

Passive Schicht hinter der aktiven Zone 13

Diese bewirkt eine eventuelle Rückstreuung der Ionen. Im Fall eines Detektors, welcher an einem Phantom angebracht ist, kann die rückgestreute Neutronenstrahlung in dieser Schicht wechselwirken wodurch diese Schicht dann als Neutronenkonverter dient.

Möglichkeiten zum Beeinflussen der Ansprechfunktionen

Durch Variation der Parameter dieser Schichten können die Ansprechfunktionen (Fig. 5) der Sensoren einen stark unterschiedlichen Verlauf annehmen. Dadurch läßt sich die Anforderung erfüllen, daß die Sensoren erstens im gesamten Energiebereich des Neutronenspektrums mes sen können müssen und zweitens unterschiedliche Ansprechfunktionen mit in bestimmten Energiebereichen erhöhten Nachweiswahrscheinlichkeiten aufweisen. Der durch Optimierung festgelegte Verlauf der Ansprechfunktionen bestimmt die Realisierbarkeit bzw. Qualität der Entfaltung durch das künstliche neuronale Netz. Die Optimierung wurde den folgenden 2 Prinzipien folgend durchgeführt:

1. Prinzip des Schwellenwertsensors

Dieser Sensortyp ist derart aufgebaut, daß Neutronen ab einer bestimmten Energie detektiert werden. Realisiert werden kann dies durch folgende Methoden:

a) Es werden bei der gemessenen Pulshöhenverteilung Ereignisse ausgewertet, die Energie deponierungen erst ab einem bestimmten Wert entsprechen.
b) Die Totschicht zwischen dem Neutronenkonverter und der aktiven Zone wird in der Schichtdicke so angepaßt, daß Ionen erst ab einer bestimmten Energie beim Verlassen des Konverters eine nichtverschwindende Wahrscheinlichkeit haben, die aktive Detek torschicht zu erreichen.
c) Der Konverter wird so angepaßt, daß Moderations- und Absorptionseffekte stattfinden.
d) Die Kombination der Methoden a, b und c.

2. Prinzip der Komplementärsensoren (Betrachtung von jeweils 2 Sensoren)

Bei diesen Sensortypen wird folgende Idee verfolgt: Zwei Sensoren sind in ihrem Aufbau bis auf eine Schicht gleich (z. B. aktive Schicht). Im Falle der Sensoren, die geeignet sind lang same und thermische Neutronen nachzuweisen, verlaufen die Nachweiswahrscheinlichkeits kurven über viele Größenordnungen der Energie der Neutronen gleich und haben erst im Be reich der schnellen Neutronen andere Werte (z. B. UF1, UF2). Ein derartiges Sensorpaar gibt in diesem Beispiel Informationen über den spektralen Anteil schneller Neutronen. Sensoren zum Nachweis langsamer und thermischer Neutronen, die unterschiedliche Konverter schichtdicken haben, so daß bei einem Sensor Absorptionseffekte bei thermischen Neutronen eintreten, wobei beide Sensoren ähnliche Nachweiswahrscheinlichkeiten für schnelle Neu tronen haben, liefern Informationen über spektrale Verteilungen im thermischen Bereich (z. B. LiF1, LiF2).

Wahl geeigneter Konvertermaterialien

Der Konverter hat die Aufgabe, aus den ungeladenen Neutronen, die nur sehr schwach mit Materie wechselwirken, geladene, gut detektierbare Teilchen erzeugen. Dies kann entweder durch einen elastischen Stoß oder durch Kernreaktionen geschehen. Dabei ist es wichtig, daß der Wirkungsquerschnitt für die jeweilige Reaktion im relevanten Energiebereich groß ist, damit ein effizienter Nachweis der Neutronen erfolgt. Zum anderen muß beachtet werden, daß die erzeugten geladenen Teilchen (Ionen) eine ausreichend hohe Energie haben, um ein Si gnal, das über dem Grundrauschen der Detektoren liegt, zu liefern. Für die verschiedenen Energiebereiche der einfallenden Neutronen bieten sich unterschiedliche Konverter an:

- Neutronen mit geringer und mittlerer Energie (thermische und intermediäre Neutronen):
Energiebereich: meV-keV
Nachweis über exotherme Kernreaktionen (Bsp.: ⁶Li(n,T)⁴He, ¹⁰B(n,α)⁷Li, ¹⁴N(n,p)¹⁴C)
Beispiele: ⁶Li: ⁶LiF-Kristall; ¹⁰B: ¹⁰B-Folie; ¹⁴N: Luftschicht, Nylon
- Neutronen hoher Energie (schnelle Neutronen):
Energiebereich: < 1 MeV
Nachweis über elastischen Stoß mit gebundenen Protonen stark wasserstoffhaltiger Verbin dungen (n,p). Obwohl auch Stöße mit anderen Elementen vorkommen, ist der Stoß mit Protonen von herausragender Bedeutung, da aufgrund der (fast) gleichen Massen der Stoßpartner der Energieübertrag auf das geladene Teilchen maximal ist. Außerdem ist die Wahrscheinlichkeit, daß schwerere Stoßpartner den aktiven Bereich des Detektors erreichen, wegen ihres wesentlich größeren Abbremsvermögens bzw. der daraus resultierenden geringen Reichweite gegenüber Protonen stark herabgesetzt.
Beispiele: PMMA, Paraffin und andere Kunststoffe mit hoher Wasserstoffdichte
- Neutronen hoher Energie (schnelle Neutronen):
Energiebereich: < 7 MeV
Nachweis über elastischen Stoß und Kernreaktionen, vor allem mit dem Si der Dioden selbst (Bsp.: Si(n,α) ab ca. 2.65 MeV, Si(n,p) ab ca. 3.8 MeV, Si(n,n'α) ab ca. 10 MeV, Si(n,n'p) ab ca. 12 MeV).
Bei Neutronenenergien oberhalb von ca. 7 MeV gewinnen Kernreaktionen aufgrund Ihres in diesem Energiebereich stark ansteigenden Wirkungsquerschnittes an Bedeutung.

Beschreibung zu Fig. 3 und 4

a) Darstellung des einfallenden Neutronenspektrums. Abszisse: Energie in eV, Bereich: 10 meV bis 10 MeV; Ordinate: Neutronenfluenz.Energie in beliebigen Einheiten. Aufgetragen ist die Größe Neutronenfluenz.Energie im Energiebereich von 10 meV bis 10 MeV. Fig. 3 zeigt ein Reaktor-Spaltspektrum mit einem großen Anteil thermischer Neutronen (Abschirmung), Fig. 4 dagegen ein Spektrum, das von schnellen Neutronen dominiert wird (keine Abschirmung).
b) Absolute Zählwerte der 6 Elemente. Abszisse: integrale Zählrate in beliebigen Einhei ten; Ordinate: Nummer des Elements. Die Numerierung der Elemente (51-56) entspricht der in Tab. 1, die Anzahl der registrierten Ereignisse ist jeweils auf einer logarithmischen Skala horizontal aufgetragen. Für die Weiterverarbeitung durch das künstliche neuronale Netz wer den die Zählwerte der 6 Elemente auf einer logarithmischen Skala auf den Wertebereich von 0 bis 1 normiert, wobei der entsprechende Normierungsfaktor gespeichert wird.
c) Histogramm-Spektrum. Abszisse: Energie in eV, Bereich: 10 meV bis 10 MeV; Ordi nate: Neutronenfluenz.Energie in beliebigen Einheiten. Die Ausgangswerte der 6 Ausgangs neuronen des künstlichen neuronalen Netzes schwanken zwischen -1 und 1. Durch Reskalie rung mit dem gespeicherten Normierungsfaktor wird daraus das Histogramm-Spektrum be stimmt.

Beschreibung zu Fig. 5

Ansprechfunktionen der 6 Sensoren. Abszisse: Energie in eV, Bereich: 10 meV bis 10 MeV; Ordinate: Ansprechwahrscheinlichkeit in beliebigen Einheiten.

Darstellung der Ansprechfunktionen der 6 im Ausführungsbeispiel angegebenen Sensoren. Die Sensoren PMMA1 und PMMA2 veranschaulichen das Schwellenwertsensorprinzip, die LiF1 und LiF2 bzw. UF1 bzw. UF2 Sensoren dagegen das Komplementärsensorenprinzip.

Beschreibung zu Fig. 6

Beispiele für Dosiskonversionsfaktor-Kurven. Abszisse: Energie in eV, Bereich: 10 meV bis 10 MeV; Ordinate: Konversionsfaktor in pSv.cm², Bereich (Skalenstriche): 10 bis 1000. Vergleich der Dosiskonversionsfaktor-Kurven für zwei unterschiedliche Dosismeßgrößen (H*(10), E(10)). Besonders in dem Bereich mit einer starker Änderung des Konversionsfak tors ist eine gute Reproduktion des Neutronenspektrums durch das künstliche neuronale Netz wichtig.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung von Neutronenspektren, bei dem das Neutronenspektrum mit Hilfe von mindestens 2 Neutronendetektoren mit unterschiedlichen Ansprechfunktionen ermittelt wird, wobei von den integralen Zählraten dieser Neutronendetektoren auf das Spektrum zurückgeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Neutronenspektrum aus den integralen Zählraten der beiden Neutronendetektoren mit Hilfe eines künstlichen neuronalen Netzes geeigneter Topologie, das für diese Aufgabenstellung trainiert wurde, ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die integrale Intensität des Neu tronenspektrums mit Hilfe von mindestens 2 weiteren Neutronendetektoren erfaßt wird, wobei sich die Ansprechfunktionen aller Neutronendetektoren voneinander unterscheiden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die integrale Intensität des Neu tronenspektrums mit Hilfe von mindestens 2 weiteren Neutronendetektoren erfaßt wird, wobei sich die Ansprechfunktionen aller Neutronendetektoren voneinander unterscheiden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß als Neutronen detektoren Halbleiterdetektoren, bestehend aus Halbleiterdiode und Konverter, verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß als Halbleiterdioden Sili ziumdioden verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprech funktion durch die Wahl des Konvertermaterials, der Dicke der Konverterschicht und durch die Dicken von Totschicht und aktiver Schicht der Siliziumdiode eingestellt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprech funktion von mindestens einem der Neutronendetektoren in verschiedene Energiebereiche unterteilt wird, wobei die integralen Zählraten in diesen Energiebereichen dem künstlichen neuronalen Netz als Eingangsdaten zur Bestimmung des Neutronenspektrums zur Verfü gung gestellt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Neu tronenspektrum ein Dosisspektrum und/oder die Neutronendosis bestimmt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, ge kennzeichnet durch:

a) mindestens 3 Halbleiterdetektoren als Neutronendetektoren mit unterschiedlichen An sprechfunktionen, wobei die Ansprechfunktionen durch die Wahl des Konvertermate rials, der Dicke der Konverterschicht und durch die Dicken von Totschicht und aktiver Schicht der Siliziumdiode eingestellt sind, mit Spannungsversorgung und Auswer teelektronik und ein
b) künstliches neuronales Netz das als Eingangsdaten die integralen Zählraten der Halblei terdetektoren benutzt und dessen Ausgänge verschiedenen Energiebereichen des Neu tronenspektrums entsprechen wobei das künstliche neuronale Netz für diese Aufgabe trainiert ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechfunktionen von mindestens 2 Neutronendetektoren die hochenergetischen oder die niederenergetischen Neutronen bevorzugen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdetekto ren als "Sandwich" angeordnet sind.

12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 für die Personendosi metrie oder die Ortsdosimetrie.