Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben

Prinzipien der Messtechnik Autor: Ing. Mag.rer.nat. Ewald Grohs Bakk.rer.nat.

Vorwort

• Dieser zweite Baustein gibt einen Überblick über die Prinzipien der Messtechnik ionisierender Strahlung. • Das komplette Lehrveranstaltungsmodul besteht aus vier Bausteinen. Für diesen Baustein wird das Grundlagen-Modul benötigt. Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 2

• Wiederholung – Strahlung – Strahlenarten und Ionisation – Radioaktivität – Einheiten – Quadratisches Abstandsgesetz – Strahlenbelastung – Wechselwirkung mit Materie – ALARA - Prinzip

Inhalt

• Messtechnik • Detektoren – Ionisationsdetektoren – Szintillationszähler – Halbleiterzähler • Dosisleistungs messgerät 6150AD6/E – Aufbau und Bedienung – Handhabung • Praktische Übungen Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 3

Wiederholung

• Strahlung • Strahlenarten und Ionisierung • Radioaktivität • Einheiten • Quadratisches Abstandsgesetz • Strahlenbelastung • Wechselwirkungen mit Materie • ALARA - Prinzip Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 4

Strahlung

• Strahlung: Ausbreitung von Teilchen und Wellen • Auswirkungen auf Atome – nicht ionisierende Strahlung Auswirkung auf Atome oder Moleküle: keine – ionisierende Strahlung Auswirkung: kann aus Atome oder Moleküle Elektronen entfernen: Entstehung von positiv geladene Ionen oder Molekülreste (Ionisation) • direkt ionisierende Strahlung • indirekt ionisierende Strahlung Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 5

Strahlung Elektromagnetische Strahlung

• Nichtionisierende Strahlung: elektromagnetische Wellen bis zum UV-Bereich • Ionisierende Strahlung: Wellenlänge < 100 nm Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik © Wikimedia Commons 6

Strahlenarten und Ionisierung (1)

• Teilchen – Alphastrahlung • Schwere He-Kerne – direkt ionisierend – Betastrahlung Alphazerfall © Wikimedia Commons • Beta-: ein Elektron wird abgegeben – direkt ionisierend • Beta+: ein Elektron wird eingefangen – direkt ionisierend – Protonen • positiv geladen – direkt ionisierend – Neutronen • ungeladen – indirekt ionisierend Betazerfall © Wikimedia Commons Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 7

Strahlenarten und Ionisierung(2)

• Elektromagnetische Strahlung – Gammastrahlung • Gamma-Photon – indirekt ionisierend Gammazerfall © Wikimedia Commons Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 8

Radioaktivität

•

Radioaktivität

ist die Eigenschaft eines instabilen Atomkerns (Radionuklids), sich spontan in andere Atomkerne umzuwandeln. • Bei diesem Prozess tritt ionisierende Strahlung aus Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 9

Einheiten

• • • • • •

Aktivität

– Anzahl der radioaktiven Zerfälle pro Zeiteinheit. – Einheit: Becquerel [Bq]

Energiedosis

– in Materie abgegebene Energiemenge pro Masse. – Einheit: Gray [Gy]

Äquivalentdosis

– Energiedosis gewichtet nach Wirkung auf menschlichen Körper. – Einheit: Sievert [Sv]

Qualitätsfaktor

– Äquivalentdosis / Energiedosis.

– Einheit: Sievert/Gray [Sv/Gy]

Dosisleistung

– Äquivalentdosis pro Zeiteinheit.

– Einheit: Sievert/Stunde [Sv/h]

Dosisfaktor

– Äquivalentdosis / Aktivität.

– keine Einheit; dimensionsloser Faktor [ ] Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 10

Quadratisches Abstandsgesetz

• Dosisleistung nimmt quadratisch zur Entfernung ab.

• Strahlungsintensität

I I



I I

1 2 1 

r

2

r

2 2

r

1 2

I

2 

I

1    

r r

2 1    2 © Wissensportal Kernfragen http://www.kernfragen.de

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Strahlenbelastung

Durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung pro Jahr (Effektivdosis in mSv pro Jahr) © http://www.ages.at

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Wechselwirkungen mit Materie (1)

• Alpha-Teilchen: He-Kern – schwer - stärkere Wechselwirkung – Atome werden ionisiert – Elektron wird aus der Atomhülle herausgeschlagen – nach mehreren 1000 Zusammenstößen mit Atomen abgebremst – Eindringtiefe ist gering.

– Ein Papierblatt kann Alpha-Teilchen abhalten.

• Beta-Teilchen: Elektron – kleine Teilchen – geringere Wechselwirkung – größere Eindringtiefe – entsteht zusätzlich Bremsstrahlung (Röntgen). – Einige Millimeter dickes Aluminiumblech schirmt die Betastrahlung ab.

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Wechselwirkungen mit Materie (2)

• Gammastrahlung: Elektromagnetische Strahlung – verschiedene Wechselwirkungen möglich.

– keine Teilchenstrahlung – in Materie exponentiell abgeschwächt – keine feste Eindringtiefe – nach einer Halbwertsschicht wird die Intensität auf die Hälfte reduziert – Halbwertsschicht ist von der Energie der Gammastrahlung abhängig • (z.B.: bei 2 MeV ist dies in Blei bei 1,3 cm).

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Wechselwirkungen mit Materie (3)

Abschirmung von Strahlungsquellen Papierblatt Aluminiumplatte Bleiblock © Wikimedia Commons Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 15

ALARA - Prinzip

• Oberster Grundsatz beim Umgang mit Strahlung: das ALARA-Prinzip •

A

s

L

ow

A

s

R

easonably

A

chievable = = so niedrig wie vernünftigerweise erreichbar • Beim Umgang mit ionisierenden Strahlen ist eine Strahlenbelastung von Menschen, Tieren, Pflanzen so gering als möglich zu halten, wie dies mit vernünftigen Mitteln machbar ist, um die Gesundheit nicht zu gefährden.

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Messtechnik

• Wie wird Strahlung gemessen?

– Ionisierende Strahlung regt Materie an – resultierender Effekt ist messbar • Welche möglichen Effekte gibt es?

– Ionisation – Angeregte Ladungsträger – Ladungsträger-Trennung • Was wird gemessen?

– elektrische Spannung – ausgesendetes Licht Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 17

Detektoren

• Arten von Detektoren: – Ionisationsdetektoren • Gaszählrohre – Szintillationszähler • Szintillatorsonde – Halbleiterzähler • Diodeneffekt Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 18

Gaszählrohre (1)

Aufbau: • Zylindrisches Metallrohr (Kathode) • Draht als Anode – durch Isolator herausgeführt • für Gammastrahlung – Metallrohr an beiden Seiten verschlossen • für Alpha- und Betastrahlung – Fenster aus massearmer Folie (Glimmer oder PET-Folie) notwendig • Rohr ist mit Zählgas gefüllt • Hochspannung an Kathode und Anode – an Widerstand werden die Impulse abgegriffen Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 19

Gaszählrohre (2)

© Wikimedia Commons Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 20

Gaszählrohre (3)

• Vorteile: – gute Empfindlichkeit – sehr handlich • Nachteile: – zählt nur einzelne Impulse, keine Energien – Standardtyp nur für Gammastrahlung (ohne Fenster) Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 21

Szintillatorsonde (1)

• Szintillation: durch Strahlung angeregte Atome senden (sichtbares) Licht aus • einer der ältesten Methoden zum Nachweis – Zinksulfidschirm – Röntgenschirme (Rutherford) • Heute meist Natriumiodid oder organische Verbindungen wie Plastik • Licht wird heute mittels Photomultiplier verstärkt Signal digital detektiert Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 22

Szintillatorsonde (2)

Schemata: © Wikimedia Commons Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 23

Szintillatorsonde (3)

• Vorteile: – sehr empfindlich, Hintergrund präzise messbar – kurze Reaktionszeiten – Je nach Bauart auch Energie bestimmbar • Nachteile: – unhandlich © http://www.automess.de

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Halbleiterzähler (1)

• Funktionsweise Diode, ähnlich Solarzelle • Ionisierende Strahlung erzeugt Elektron Loch-Paare • Output: Spannung © www.lehrbuch-photovoltaik.de

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Halbleiterzähler (2)

• Aufbau Ge-Kristall für Gammaspektroskopie © http://www.tu-dortmund.de

Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik © Wikimedia Commons 26

Halbleiterzähler (3)

• Vorteile: – besonders geeignet für Gamma Spektroskopie – Energie von Gamma-Quant ist typisch für Isotop – hohe Präzision • Nachteile: – erfordert hochreinen Halbleiter (meist Germanium) – brauchbare Messgenauigkeit erfordert Kühlung (flüssiger Stickstoff) (77 K) – Präzision ist stark von Messdauer abhängig – teils aufwändige Probenaufbereitung – lange Messzeiten – kein mobiler Betrieb möglich

© http://www.lfu.bayern.de/strahlung/radioaktive_strahlung_messung_bewertung/strahlenschutzmessung_lfu/pic/348818_gr.jpg

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Dosisleistungsmessgerät 6150AD6/E

• Technische Daten • Strahlenmessgerät für Gamma- und Röntgenstrahlung • Geiger-Müller-Zählrohr – Spannung: 500V • Anzeige: analog und digital • Anschluss verschiedener Sonden möglich • Zählrohrposition: Mitte der Stirnseite • Anzeige: Dosisleistung Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 28

Dosisleistungsmessgerät automess 6150AD6/E Kurzbedienungsanleitung • Einschalten: Ein/Aus Taste 1x drücken • Ausschalten: Ein/Aus Taste 2x drücken • Beleuchtung: Beleuchtung 10 sec • Signaltaste: Lautsprecher ein/aus • Anzeigezustände: – Dosisleistung (DL)  DL-Warnschwelle  Dosiswarnschwelle  Höchstwert DL  Mittelwert der DL  Batteriespannung  danach wieder Dosisleistung (DL)  Dosis  Kalibrierparameter • Dosisleistung in µSv/h • bei Anschluss von Sonden (z.B.: ext 17): s -1 (Impulse) Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 29

Praktische Übungen

• Beschreibung ab Seite 14 durchlesen • automess 6150AD6/E einschalten • Batteriespannung prüfen, eventuell 9V Batterie ersetzen • vorsichtiger Umgang mit den Proben: ALARA – Prinzip beachten • Bereiche für Dosisleistung (DL) und Photonenenergie: – DL analog: 0,1 µSv/h - 10 mSv/h DL digital: 0,01 µSv/h - 9,99 mSv/h DL eichfähig: 0,5 µSv/h - 9,99 mSv/h Energiebereich: 60 keV - 1,3 MeV • WICHTIG: Vor Beginn der Übung den Leerwert (Hintergrundstrahlung) messen und damit den Messwert korrigieren.

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Messung der Dosisleistung von verschiedenen Präparaten

• Messzubehör: Gamma-Proben, Maßstab, 6150AD6/E • Praxisaufgabe 1: (Übungsblatt 1) – Messprotokoll von Messungen mit verschiedenen Proben und Abständen Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik 31

Messung der Dosisleistung in verschiedenen Abständen

• Nachvollziehung des quadratischen Abstandsgesetzes – Messzubehör: Gamma-Probe (Uranerz), Maßstab, 6150AD6/E – diese Übung kann nur mittels Gamma-Probe durchgeführt werden (Alpha- und Betastrahler haben geringe Reichweite !!!) • Praxisaufgabe 2: (Übungsblatt 2) – Messwerte der Intensitäten für verschiedene Entfernungen rechnen (siehe Formel) und mit Messwerten vergleichen. (Tabelle anlegen) Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik

I



I I

1 2 1 

r

2

r

2 2

r

1 2

I

2 

I

1   

r r

2 1   2 32

Messung der Abschirmwirkung verschiedener Materialien

• Messzubehör: Alpha-, Beta- und Gamma Proben (Leuchtzeiger alter Wecker, Thoriumgasglühstrumpf, Uranerz), Maßstab, 6150AD6/E, Externe Alpha-, Beta- Gamma Impuls-Sonde (6150AD17), Sondenkabel, Abschirmmaterialien (Papier, Alublech, Bleiplatte) • Praxisaufgabe 3: (Übungsblatt 3) (Vorsicht auf Zählrohrfenster, Schutzkappe !!!) – Austesten um welche Probe es sich handelt (Alpha, Beta, Gamma) aufgrund des Abschirmmaterials – Wie wirken andere Materialien?

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