Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchung zur Optimierung der physikalischtechnischen Parameter beim Auswerten und Tempern von Thermolumineszenzdosimetern des Typs TLD-100H

Pautsch, Maren

The aim of this study was to optimise the readout and annealing parameters of a thermoluminescence measurement system for reading scattered radiation as occuring during x-ray examinations of animals. The level of radiation exposure for people during these examinations is usually low. Therefore special attention has been paid to low dose measurement. Furthermore, the relative dose response of the applied dosemeters to x-rays with different photon energy was analysed. In addition to the variation in readout and annealing parameters, a verification concerning the effect of post processing on the measurement results was carried out. The lower detection limit of the dosemeters according to DIN 6818 was employed to evaluate the influence of the different tested parameter variations. The intention was to minimise the lower detection limit. The analysed dosemeters in this study were thermoluminescence dosemeters (TLD) type TLD 100H (Harshaw / Thermo). TLD readouts were made with an automatic TL-reader 5500 (Fa. Harshaw/Thermo, Germany) which along with an oven-type 1301 (PTW) was also employed for the TLD annealing. An irradiator 2210 (Thermo) was used to calibrate the dosemeters. The measurement results of the TL-reader are transmitted to a computer and saved there as glow curves. These glow curves are generally influenced by interference noise when the level of radiation exposure is low. Therefore, glow curves were restricted and smoothed by applying a mathematical algorithm. This method of glow curve processing causes a reduction in the lower detection limit of approximately 70-75 %. For this reason all measurement data were processed using this algorithm and the glow curve restriction, so that the following results were based upon processed glow curves. TLD annealing is a thermal treatment for eliminating unwanted dose information before employing the dosemeters for measuring. This study compares oven annealing and reader annealing, both methods having been tested with different annealing temperatures. The TL-reader readout procedure is controlled by a Time-Temperature-Profile (TTP) which determines preheat, heating rate and maximum temperature. Based upon the usually applied parameters, the particular steps of TL reading were examined separately. Afterwards, a new TTP was compiled from the determined optimal single parameters and compared to the original one regarding lower detection limit. The comparison of annealing procedures showed that the minimum mean lower detection limit of a TLD group with the lowest deviation between particular dosemeters was obtainable by using the highest examined temperatures. This amounted to (0.16 ± 0.03) µSv for oven annealing at 240 °C and (0.15 ± 0.04) µSV for reader annealing at 260 °C, respectively. In the TLD readout examination it could be shown that the lowest mean lower detection limit occurred after preheat with 145 °C for 20 s ((0.14 ± 0.03) µSv), with a heating rate of 30 K / s ((0.06 ± 0.01) µSv) and a maximum temperature of 240 °C ((0.14 ± 0.03) µSv), respectively. Therefore, these parameters were chosen for the optimised TTP. Comparing the original and the optimised TTP there was a mean lower detection limit of (1.16 ± 0.30) µSv and (0.45 ± 0.16) µSv, respectively for the repeated measurement by using the original TTP without glow curve processing. On applying the optimised TTP and the glow curve processing, the mean lower detection limit was (0.07 ± 0.01) µSv and (0.08 ± 0.01) µSv, respectively. Thus, this amounted to approximately the same for both measurements. The minimum value attainable for a single dosemeter was 0.06 µSv, the maximum 0.1 µSv. It could be shown that it is possible to expand the measuring range of the existing dosimetric system to a clearly lower limit by optimising annealing and readout parameters and by processing glow curves. For detecting exceptionally low dose values it seems to be reasonable to choose TLD on the basis of their individual lower detection limit. The used irradiator was only calibrated with regard to the photon energy of 137Cs (EPhoton = 662 keV). Thus, it was necessary to analyse if any energy dependence of the relative dose response of TLD 100H in the photon energy range of diagnostic x-rays existed. An energy dependence was ascertained which was nearly constant for x-rays in the mean photon energy range between 28.9 and 54.1 keV. An average correction factor kQ,TLD = 0.86 was calculated which has to be applied to adjust dose values should radiation with lower photon energy be measured.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Optimierung der Auslese- und Ausheizverfahren eines Thermolumineszenz-Dosimetriesystems für die Messung von Röntgenstreustrahlung, wie sie im Rahmen diagnostischer Röntgenuntersuchungen am Tier auftritt. Da die Strahlenexpositionen für den Menschen dabei im Allgemeinen nur gering sind, wurde der Einsatz für Messungen in einen möglichst niedrigen Dosisbereich angestrebt. Weiterhin wurde die Energieabhängigkeit der verwendeten Dosimeter bei der Messung von Röntgenstrahlung untersucht. Zusätzlich zur Variation der Ausheiz- und Ausleseparameter wurde untersucht, inwieweit durch eine Nachbearbeitung der Messergebnisse das Dosimetriesystem optimiert werden kann. Der Einfluss der verschiedenen Parametervariationen wurde mit Hilfe der unteren Nachweisgrenze der TLD gemäß DIN 6818 bewertet. Dabei bestand das Ziel in einer möglichst niedrigen unteren Nachweisgrenze. Bei den untersuchten Dosimetern handelt es sich um Thermolumineszenzdosimeter (TLD) des Typs TLD 100H (Fa. Harshaw / Thermo), zum Auslesen der TLD wurde ein automatischer TL-Reader 5500 (Fa. Harshaw/Thermo) verwendet. Dieser wurde, neben einem Temperofen Typ 1301 (PTW), ebenfalls beim Ausheizen (Tempern) der Dosimeter eingesetzt. Zum Kalibrieren der TLD wurde ein Irradiator (Modell 2210, Fa. Thermo) genutzt. Die Messergebnisse werden vom TL-Reader an einen Computer übermittelt und dort in Form von Glühkurven gespeichert. Bei geringer Strahlenexposition werden die Glühkurven durch Störsignale beeinflusst. Daher wurden die Glühkurven mit Hilfe eines mathematischen Algorithmus geglättet und gekürzt. Diese Glühkurvenbearbeitung führte zu einer Absenkung der unteren Nachweisgrenze um ca. 70-75 %. Daher wurden alle Messungen mit diesem Algorithmus bearbeitet, so dass sich die folgenden Ergebnisse immer auf die bearbeiteten Glühkurven beziehen. Das Tempern der TLD, im Folgenden auch als Annealing bezeichnet, ist die thermische Behandlung zur Löschung unerwünschter Dosisinformationen vor einem Messeinsatz der TLD. In dieser Untersuchung wurden zwei Verfahren verglichen, das Annealing im Temperofen und das Annealing im TL-Reader bei jeweils unterschiedlichen Temperaturen. Der Auslesevorgang der TLD im TL-Reader wird durch das Zeit-Temperatur-Profil (TTP, Time-Temperature-Profile) gesteuert, welches das Vorheizen, die Aufheizrate und die Maximaltemperatur vorgibt. Ausgehend von den bisher verwendeten Parametern wurden die einzelnen Abschnitte beim Auslesen der TLD zunächst getrennt voneinander betrachtet, anschließend wurde aus den ermittelten optimalen Einzelparametern ein neues TTP zusammengestellt und mit dem ursprünglich verwendeten hinsichtlich der unteren Nachweisgrenzen verglichen. Im Vergleich der Annealingverfahren konnte die niedrigste mittlere untere Nachweisgrenze einer Gruppe TLD mit der geringsten Streuung der Ergebnisse der Einzeldosimeter jeweils mit der höchsten untersuchten Annealingtemperatur erzielt werden, sie betrug (0,16 ± 0,03) µSv für das Annealing im Temperofen bei 240 °C und (0,15 ± 0,04) µSV für das Annealing im TL-Reader bei 260 °C. Die Untersuchung des Auslesevorganges ergab die jeweils niedrigste mittlere untere Nachweisgrenze beim Vorheizen der TLD mit 145 °C für 20 s ((0,14 ± 0,03) µSv), bei einer Aufheizrate von 30 K / s ((0,06 ± 0,01) µSv) und bei einer Maximaltemperatur von 240 °C ((0,14 ± 0,03) µSv), so dass sich das optimierte TTP aus diesen Werten zusammensetzt. Der Gesamtvergleich des alten und des optimierten TTP ergab für die Nutzung der ursprünglichen Parameter ohne Bearbeitung der Glühkurven eine mittlere untere Nachweisgrenze von (1,16 ± 0,30) µSv beziehungsweise (0,45 ± 0,16) µSv bei der Wiederholungsmessung. Bei Anwendung der optimierten Parameter und der Glühkurvennachbearbeitung ergaben sich mit (0,07 ± 0,01) µSv beziehungsweise (0,08 ± 0,01) µSv für beide Messungen annähernd gleich niedrige mittlere untere Nachweisgrenzen. Der niedrigste Wert, der dabei für ein einzelnes Dosimeter erzielt werden konnte, lag bei 0,06 µSv, der höchste bei 0,1 µSv. Es konnte gezeigt werden, dass durch Optimierung der Annealing- und Ausleseparameter und durch Bearbeitung der Glühkurven der Messbereich des vorhandenen Dosimetriesystems deutlich nach unten erweitert werden kann. Zur Messung besonders niedriger Dosiswerte erscheint es sinnvoll, die zu verwendenden TLD einzeln anhand ihrer individuellen unteren Nachweisgrenze auszuwählen. Da der verwendete Irradiator nur bezüglich der Strahlenqualität von 137Cs (EPhoton = 662 keV) kalibriert wurde, war es notwendig, die Energieabhängigkeit des Ansprechvermögens der TLD 100H im Energiebereich der diagnostischen Röntgenstrahlung zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass eine Energieabhängigkeit besteht, die bei der Messung von Röntgenstrahlung im Bereich mittlerer Energien von 28,9 bis 54,1 keV nahezu konstant ist. Es wurde ein mittlerer Korrektionsfaktor kQ,TLD = 0,86 ermittelt, der zur Korrektur gemessener Dosiswerte eingesetzt werden muss, wenn Strahlung mit geringen Photonenenergien gemessen wird.

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Pautsch, Maren: Untersuchung zur Optimierung der physikalischtechnischen Parameter beim Auswerten und Tempern von Thermolumineszenzdosimetern des Typs TLD-100H. Hannover 2012. Tierärztliche Hochschule.

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