2 Strahlenschutz und Dosimetrie

Strahlenbelastung

Physikalische, chemische und biologische Vorgänge in einer Zelle nach Bestrahlung

Einheiten im Strahlenschutz

∗

Aktivität einer radioaktiven Substanz:„Bequerel

[Bq]“

= 1 s-1

-

ein Bequerel

ist gleich einem Kernzerfall pro Sekunde1 Ci

(Curie) = 3,7 x 1010 Bq

∗

Energiedosis:„Gray“

1 Gy = 1 J/kg

-

ist gesamte absorbierte Strahlungsenergie pro Masseneinheit

∗

Äquivalentdosis:„Sievert“

1 Sv

-

ist das Produkt aus Energiedosis und Bewertungsfaktor[Bewertungsfaktor ist das Produkt aus Qualitätsfaktor (linearem Energieübertra-gungsvermögen

der jeweiligen Strahlenart abhängig) und anderen modifizieren-den Faktoren (z.B. äußere oder innere Bestrahlung)]Qualitätsfaktor für Röntgen-, Gamma-

und Betastrahlung 1, bei Alphastrahlungbis 20, Einheit nur im Strahlenschutz gültig

Definitionen

-

Energiedosis -

die bei Kernumwandlungen auftretenden Strahlen sind ein

Energiestrom -

die Energiedosis einer ionisierenden Strahlung gibt die pro

Masse des durchstrahlten Stoffes abgegebene Energie an

Energiedosis =

-

Einheit der Energiedosis

1 J / kg besonderer Einheitsname: Gray

1 Gy = 1 J / kg

frühere Bezeichnung: Rad (radiation

absorbed

dose)

10-2

J / kg = 10-2

Gy

-

in Wasser bzw. in tierischem Gewebe entspricht die Energiedosis von 1 J / kg einer Temperaturerhöhung von < 0,001 °C, kann schon Strahlenschäden bewirken

Äquivalentdosis

-

für die biologische Wirkung ionisierender Strahlung ist nicht nur von der pro Masse absorbierten Energie, sondern auch von weiteren Faktoren abhängig:

* Strahlenart * Strahlenenergie

* räumlicher und zeitlicher Umfang * Beschaffenheit des biologischen Objekts

-

um Maß

für die biologische Strahlenwirkung zu erhalten, wird die Energiedosis mit einem Qualitätsfaktor multipliziert

-

Qualitätsfaktor ist aus experimentellen Daten gefundener Erfahrungswert

Äquivalentdosis

= Energiedosis

=

Qualitätsfaktor

H = D = Q

-

vereinbarungsgemäß: Röntgenstrahlung von 200 kV, Beschleunigungsspannung ist Q = 1

Einheit und Qualitätsfaktor der Äquivalentdosis

-

SI-Einheit Sievert (Sv)

1 Sv = 1 J / kg, da Qualitätsfaktor eine dimensionslose Zahl ist frühere Einheit: REM (röntgen equivalent

man) 1 rem

= 10-2

J / kg = 10-2

Sv

Strahlung

Qualitätsfaktor QRöntgenstrahlen / Gammastrahlen

1

Beta-

und Elektronenstrahlen

1

Thermische (langsame Neutronen)

2,3

Schnelle Neutronen und Protonen

10

Alpha-Strahlen

20

Schwere Rückstoßkerne (Richtwert)

20

Strahlenschutzgrenzwerte

-

in Gesetzen und Verordnungen niedergelegt

-

Strahlenschutzgrundsätze und Regelungen von internationalen Gremien (IAEO, WHO, EURATOM) basieren meist auf Empfehlungen der Internationalen Strahlenschutzkommission (International Commission on Radiological

Protection, ICRP)

-

Weg zu Grenzwerten -

1925 bei Röntgenpersonal, 1 % der Dosis innerhalb von 30

d die eine Hautrötung hervorrufen -

1934 ICRP 0,2 Röntgen (2 m Sv) pro Tag

-

1950 ICRP 0,6 Rem / Woche (6 mSv / Woche oder 0,5 Sv / a) für Haut, andere Organe (z. B. Gonaden, Augenlinse geringer)

-

heute: ICRP 0,5 mSv / a für Bevölkerung resultierend aus Einsatz ionisierender Strahlung nicht zu überschreiten

Voraussetzungen für Strahlenschutzempfehlungen

-kein Umwelteinfluss, der Spätschäden verursachen kann, ist so genau untersucht wie die Einwirkung ionisierender Strahlung

-Erfahrungen der Strahlenschädigungen auf Menschen sind bei hoher Dosis gemacht worden, Vorbehalt bei Tier-Mensch-Übertragung

-im Dosisbereich der natürlichen Strahlenexposition konnten keine statistisch gesicherten Auswirkungen bei unterschiedlichen Belastungen gemacht werden (BRD: 500 –

800 μGy / a Indien Kerala

(Monazit

CePO4, [Th]) 10 mGy / a durch

terrestrische Strahlung)

... im 1980 erschienenen Bericht des Komitees zur Beurteilung biologischer Effekte durch ionisierende Strahlung der nationalen Akademie der Wissenschaften in den Vereinigten Staaten von Amerika zum Problem niedriger Dosis: „Das Komitee weiß

nicht, ob Gamma-

oder Röntgenstrahlung von etwa

1 mGy pro Jahr für den Menschen schädlich ist. Jede somatische Wirkung bei dieser Dosisrate würde von Umwelt-

und anderen Faktoren überdeckt, die dieselbe

somatische Wirkung wie ionisierende Strahlen hervorrufen können. Für höhere Dosisraten, beispielsweise einige zehn mGy / a über eine lange Zeitspanne, könnte sich ein erkennbarer karzinogener Effekt manifestieren.“

Bezüge zu Gesetzen und Verordnungen

-

Atomgesetz: §

9 a: Verwertung radioaktiver Reststoffe und Beseitigung radioaktiver Abfälle

(1) Wer Anlagen, in denen mit Kernbrennstoffen umgegangen wird, ... betreibt ..., hat dafür zu sorgen, dass anfallende radioaktive Reststoffe ... schadlos

verwertet

oder als radioaktive Abfälle geordnet beseitigt werden (direkte Endlagerung). (2) Wer radioaktive Abfälle besitzt, hat diese an eine Anlage nach Absatz 3

abzuliefern ... (3) Die Länder haben Landessammelstellen für die Zwischenlagerung der

radioaktiven Abfälle, der Bund hat Anlagen zur Sicherstellung der Endlagerung radioaktiver Abfälle einzurichten ...

-

Strahlenschutzverordnung Vierter Teil: Ablieferung radioaktiver Abfälle

§

81 Ablieferung an Anlagen des Bundes §

82 Ablieferung an Landessammelstellen

§

83 Ausnahme und Befreiung von der Ablieferungspflicht §

86 ... bis zur Inbetriebnahme der Anlagen des Bundes §

81 -

Zwischenlagerungspflicht

Ionisierende Strahlung

-

Strahlung ausgehend von radioaktiven Nukliden, Röntgenanlagen und Teilchenbeschleunigern vermag beim Durchgang durch Stoffe, Atome

und Moleküle

anzuregen und zu ionisieren Ionisierende Strahlung

-

direkt ionisierend geladene Teilchen mit nicht vernachlässigbarer Ruhemasse

kinetische Energie reicht aus, um durch Stoß

Ionen zu erzeugen α-, β+-, β—Teilchen, p

-

indirekt ionisierend ungeladene Teilchen mit nicht vernachlässigbarer Ruhemasse (Neutronen) oder

Photonen (Quanten der Röntgen und γ-Strahlung) mit Ruhemasse 0, die im durchstrahlten Stoff energiereiche Teilchen freisetzen oder Kernumwandlungen auslösen

-

Wechselwirkungsprozess Strahlung erleidet Energieverlust und Streuung

Energie wird auf Stoff übertragen, Auftreten von Erwärmung oder / und Veränderung der physikalischen, chemischen und biologischen Stoffeigenschaften

Wechselwirkung geladener Teilchen mit Atomen

-

geladene Teilchen können mit Hüllenelektronen oder Atomkernen in Wechselwirkung treten, wobei alle vier Wechselwirkungsarten zur Abbremsung beitragen:

-

unelastische Stöße mit Hüllenelektronen Anregung oder Ionisation der Atome (Abbremsung der Teilchen =

Ionisationsbremsung, Energieverlust = Ionisationsverlust der Teilchen, Richtungsänderung der Teilchenbahnen)

-

Elastische Stöße mit Hüllenelektronen spielen nur bei kleinen Teilchenenergien eine Rolle, Teilchenenergie wird gering

verändert

-

Unelastische Stöße mit Atomkernen durch Wechselwirkung mit Coulombfeldern

Änderung der Teilchengeschwindigkeit

nach Betrag und Richtung, Teilchen emittieren eine elektromagnetische Strahlung = Bremsstrahlung, Energieverlust infolge von Photoemission = Bremsstrahlverlust

-

Elastische Stöße mit Atomkernen Ablenkung der Teilchen aus ihren Teilchenbahnen, infolge Impulsübertragung

verlieren die Teilchen einen Teil ihrer Energie

Energieverlust geladener Teilchen

-

Ionisationsbremsung schwere geladene Teilchen (p, d, α-T, FP) verlieren Energie durch

Ionisationsbremsung = durch sehr große Anzahl unelastischer Stöße Abgabe von kleinen Energieteilbeträgen

Elektronen und Positronen verlieren ebenfalls durch unelastische

Stöße mit den Hüllenelektronen ihre Energie, werden aber aufgrund ihrer kleinen Masse abgelenkt

-

Strahlungsbremsung Energieverlust durch Bremsstrahlung:

geladene Teilchen mit Masse m und Kernladungszahl z erfahren im Coulombfeld

der Atomkerne Richtungsänderungen

es wird elektromagnetische Strahlung emittiert „Bremsstrahlung“ der auftretende Energieverlust je Wegelement ist proportional der Beschleunigung

und steigt mit der Teilchenenergie an,

-

Bremsstrahlverluste müssen nur bei Elektronen mit Energien E > me

co2

berücksichtigt werden, bei schweren Teilchen spielen diese keine Rolle

Emission von Cerenkov-Strahlung

Strahlungsbremsung (Fortsetzung)

-

Energieverlust durch Cerenkov-Strahlung bewegen sich Teilchen mit der Ladung (zeo

) durch ein dielektrisches Medium, indem die Phasengeschwindigkeit des Lichtes (co

/n) (n = Brechzahl) kleiner als die Teilchengeschwindigkeit v ist so erleiden sie zusätzlich zum Ionisations-

und

Bremsstrahlverlust einen Energieverlust infolge der Emission einer elektromagnetischen Stoßwelle

Cerenkov-Strahlung

fällt z. T. in den sichtbaren Spektralbereich, optisches Analogon zur Machschen

Kopfwelle bei Überschallgeschwindigkeit in Luft, Intensitätsmaximum

im Blau oder nahen UV bleibt auf Kegel beschränkt

Lichtemission ist auf die unsymmetrische Polarisation des Dielektrikums

in nächster Umgebung der Teilchenbahn beschränkt (Abb.) ist 1/100 bis 1/1000 des gesamten Energieverlustes

Wechselwirkung von ungeladenen Teilchen mit Atomen (I)

-

Neutronen sie verlieren keine Energie durch Ionisations-

oder Strahlungsbremsung, sondern

ausschließlich durch Wechselwirkungsprozesse mit Atomkernen, erst dadurch werden geladene Sekundärteilchen erzeugt

-

Elastische Streuung führt zur Änderung der Bewegungsrichtung und Energie der Neutronen (Summe

Neutronen und Energie des Kernes bleibt konstant)

-

Unelastische Streuung Veränderung der Energie und Richtung der Neutronen, Kernanregungen führen zu

Energieverlusten, angeregte Kerne kehren unter Emission von γ-Strahlung in den Grundzustand zurück

-

Neutronenabsorption Neutronen können in Atomkerne des absorbierenden Mediums eindringen und

Kernreaktionen verursachen (Einfang-, Austausch-

und Spaltungsreaktionen

Wechselwirkung von ungeladenen Teilchen mit Atomen (II)

-

Photonen Wechselwirkungspartner der Photonen (Quanten der Röntgen-

und Gammastrahlung) sind die Elektronen der Atomhülle, die Coulombfelder

im Atom und die Nukleonen des Kernes

-

die wichtigsten Wechselwirkungsprozesse sind: * Photoeffekt

* Comptoneffekt * Paarbildungseffekt

* Kernphotoeffekt

Schematische Darstellung des Photoeffektes

Photoeffekt

-

bei dieser Wechselwirkungsart wird die gesamte Energie des Photons Eγ

= h x f auf ein Hüllenelektron übertragen, niederenergetische Photonen mit Atomen mit hohem Z

-

das Elektron wird aus der Hülle herausgeschlagen und das Photon vollständig absorbiert und das Atom ionisiert

-

Photonenenergie muss die Bindungsenergie der Elektronen der Elektronen in den jeweiligen Schalen (K, L, M ...) übertreffen

-

Photonenimpuls wird beim Photoeffekt immer von zwei Partnern aufgenommen: vom Photoelektron, vom ionisierten Atom

-

kinetische Anfangsenergie des Photoelektrons Ee

= Eγ

– EK, L, M ...

-

Bindungsenergie wächst mit steigender Ordnungszahl Z und zunehmender Kernnähe (ist Photonenenergie größer als die Bindungsenergie der Elektronen in der K-Schale werden ca. 80 % der Photonen in dieser Schale absorbiert und ca. 20 % in äußerer Elektronenschale)

-

nachfolgend auf die Photonenabsorption erfolgt die Auffüllung der Lücke durch Elektronen höherer Schalen

a) die freiwerdende Energie ist charakteristische Röntgenfluoreszenzstrahlung b) strahlungslos, aus L-Schale wird Elektron (Auger-Elektron) emittiert mit der kinetischen

Energie EAuger

= EK

– 2 EL

Schematische Darstellung des Comptoneffektes

Comptoneffekt

-

mit zunehmender Photonenenergie (Eγ

> EK, L, M...

) gibt das Photon nur einen Teil der Energie auf ein lockeres oder freies Elektron ab und erfährt selbst eine Richtungsänderung

-

das Rückstoßelektron (Comptonelektron) bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit

-

die Gesamtenergie und der Gesamtimpuls bleiben beim Comptoneffekt

erhalten

-

die Wahrscheinlichkeit für den Comptoneffekt

ist bei Elementen mit kleinen Ordnungszahlen zwischen 50 keV

und 15 MeV und

bei Elementen mit hoher Ordnungszahl zwischen 0,5 MeV und 5 MeV sehr hoch

Schematische Darstellung des Paarbildungseffektes

Wirkungsbereich von Photoeffekt, Comptoneffekt

und Paarbildungseffekt

Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Materialschichten Wechselwirkung von ungeladenen Teilchen

-

Schwächung von Photonenstrahlen Schwächungsgesetz (für β-Strahlen nur für kleine Schichtdicken erfüllt, für schmale

Photonenstrahlbündel voll erfüllt)

-

allgemeines Schwächungsgesetz:φ(x) = φ(0)e-Nσx

N: Anzahldichte der Atome, σ: totaler atomarer WirkungsquerschnittNσ: linearer Schwächungskoeffizient μ

φ(x) = φ(0)e-μx

(auch Umrechnung unter Verwendung des Massen-Schwächungskoeffizienten)

Photonen:Durchdringt ein schmales Photonenstrahlungsbündel einheitlicher Energie eine Materialschicht der Dicke x so verringert sich durch Wechselwirkungsprozesse mit

den Atomen des Materials die Photonenflussdichte φ.

Da maximale Reichweitenangabe nicht möglich, wird häufig Halbwertsschichtdicke benutzt

Schwächung eines schmalen und eines breiten Strahlenbündels durch einen Absorber

für Photonen maximale Reichweite nicht angebbar

Halbwertschichtdicke (HWS) = x½

= ln

2/μ

-

Linearer Schwächungskoeffizient setzt sich aus drei Anteilen zusammen: dem Photoabsorptionskoeffizienten, dem Schwächungskoeffizienten des Comptoneffektes,dem Paarbildungskoeffizienten

μ

= μPh

+ μc

+ μpaar

Schwächung abhängig von Photonenenergie und Ordnungszahl des Wechselwirkungsmaterials

Photonen

Durch jede Halbwertschicht wird die Strahlungsintensität um den Faktor 2 geschwächt (schematische Darstellung: Streuung nicht berücksichtigt)

Da Reichweite von Photonenstrahlen nicht angebbar, deshalb Charakterisierung durch

Halbwertsschichtdicke

Halbwerts-

und Zehntelwertschicht für Gammaquanten unterschiedlicher Energie

Bremsung/Schwächung von Neutronen

-

z.B. radioaktive Neutronenquellen und Neutronengeneratoren emittieren primär schnelle Neutronen

-

durchdringen Neutronen eine Substanz, so verlieren sie infolge von elastischen Streuprozessen an den Atomkernen schrittweise ihre kinetische Energie, bis die thermische Energie erreicht ist

-

Wasser bremst schnelle Neutronen stärker als Graphit

Grundsätzlicher Aufbau eines Neutronenschildes

Schnelle Neutronen verlieren Energie durch Stöße und werden thermalisiertParaffin, Kunststoffen, Wasserals Moderator

Entstanden durch Kernreaktion

Unterschiedliche Absorption von Alpha-, Beta-

und Gammastrahlung

Aktivitätsbestimmung

K = 540/217 = 2,488Durch die Glaswand des Zählrohres gelangen nur die Gammaquanten und die energiereichen Betateilchen. Bei reinen Alphastrahlen oder reinen Betastrahlen muss ein anderes Messverfahren gewählt werden.

Nutzbare Effekte zur Strahlungsmessung

Strahlungsart α β γ

Ionisation Ionisation

PhotoeffektWechsel-

Anregung Anregung

Comptoneffekt

wirkung

Bremsstrahlung Paarbildung Streuung

Ionisierende Strahlung → ruft Wechselwirkung hervor, diese stark abhängig von Strahlungsart und -energie

Nicht nur Bestimmung der gesamten Strahlung von Interesse, sondern Art und Herkunft, deshalb Spektrometrie –

Unterscheidung der Strahlungsenergie notwendig-

erzeugte Ladungsträger und Energie -

Messung radioaktiver Strahlung

-

in den letzten 50 Jahren sind verschiedenste Detektoren entwickelt worden

-

Nachweis der radioaktiven Strahlung beruht auf Ionisations-

oder Anregungsprozessen, die in Gasen bzw. in festen Stoffen durch die Strahlung ausgelöst werden

-

Prozesse führen in Gasen und Halbleitern zur Erzeugung beweglicher elektrischer Ladung

-

Kristalle, Gase und Lösungen können auch Lumineszenzlicht emittieren

-

ungeladene Teilchen (Photonen, Neutronen) lassen sich nur über die im Wechselwirkungsmaterial gebildeten geladenen Sekundärteilchen nachweisen (bei Neutronen, Protonen, α-

Teilchen; bei Photonen Photo-, Compton-, Paarelektronen)

-

Klassifizierung in drei Gruppen: * Ionisationsdetektoren (Gasdetektoren)

* Szintillationsdetektoren * Halbleiterdetektoren

Ionisationsdetektoren

-

bei diesen Detektoren wird die Ionisation in Gasen ausgenutzt

-

drei grundsätzliche Arbeitsweisen solcher Zähler in Abhängigkeit des Druckes und der Art des Gases, des Baues und der Bauweise (z. B. Feldstärke)

* Ionisationskammer

* Proportionalitätszählrohr

* Auslösezählrohr (Geiger-Müller-Zählrohr)

Wirkungsweise der Ionisationsdetektoren

-

an Elektroden wird eine langsam ansteigende Spannung

angelegt, dadurch gelangen die durch radioaktive Strahlung gebildeten Ionen zunehmend an die entsprechenden Elektroden Erreichen eines Sättigungsstromes, wenn alle Ionen bei anliegender Spannung an Elektroden= Arbeitsbereich der Ionisationskammer (Messung von α-Strahlung)

-

wird Feldstärke weiter erhöht, Effekt, dass Elektronen auf ihrem Weg zur Anode so stark beschleunigt werden, dass durch „Stoßionisation“

weitere Ionenpaare

(Faktor

103

– 105) erzeugt werden (Durchflusszähler, Präparat in Zähler) durch radioaktive Strahlung erzeugtes Ionenpaar wird vervielfacht (Messung von α- und β-Strahlung)= Arbeitsbereich des Proportionalitätszählers

-

wird Spannung weiter erhöht, wird der Auslösebereich erreicht, Entladung breitet sich lawinenartig über den Zähler aus, neben vielfacher Stoßionisation auch Ionisation des Zählgases möglich (Messung energiereicher β-Strahlung nur ca. 1 % der γ-Quanten) Entladungserscheinungen müssen gelöscht werden, bei nicht selbstlöschenden Zählern Abschaltung (500 μs) durch elektronische Einheit, bei selbstlöschenden Löschgas Methanol, Brom z. B., Totzeit zwischen 100 – 400 μs)= Arbeitsbereich des Geiger-Müller-Zählrohres

Impulshöhe als Funktion der Feldstärke

Gasgefülltes Zählrohr (Schnitt)

Kammer-

und Elektrodenmaterial vonArt der nachzuweisenden Strahlung abhängig,(Al, Cu, Messing, Graphit,e-leitende

Kunststoffe)Füllgas:Luft, Wasserstoff, Argon, Kohlendioxid, BortrifluoridIsolierung:sehr wichtig, hoher WiderstandBernstein, Quarz, Polystyren, Keramik

Szintillationszähler

-

Nutzung der von angeregten Atomen oder Molekülen fester oder flüssiger Körper emittierten Fluoreszenzlichtblitze (Szintillationen), Vorteil hohe Nachweiseffektivität

-

Hauptbestandteil: Szintillator

(nachzuweisende Strahlung erzeugt Fluoreszenzlicht) und Sekundärelektronenvervielfacher

–SEV-

(Umwandlung der

Lichtblitze in elektrische Impulse

-

eignen sich gut für γ-Strahlen (dicke Kristalle, z. B. Nal/Th) und energiearme β-Strahlung (Tritium, Kohlenstoff-14), α-

Strahlung (dünne Schichten)

-

Szintillatorabmessungen

so dimensionieren, dass Strahlung voll absorbiert wird

Szintillationszähler

Szintillatoren:-

Anorganische Kristall-

und Glasszintillatoren:

Nal/Th, ZnS/As, Csl/Tl

-

Organische Kristallszintillatoren: Antracen

-

Organische Lösungen: Lösungsmittel, Touluen, Xylen

werden geringe Mengen Substanz zugesetzt:

p-Terphenyl, (A) 1,4-Bis(5-phenyloxazol-2yl)benzen (POPOP) (B)

-

Organische Plastszintillatoren: polymerisierte Kunststoffe (Polystyren)

A

B

●

homogenes Gemisch aus Probe und Szintillations-Cocktail

●

Szintillations-Cocktail

wird

durch β-

oder a-Teilchen

zur Emission von

Lichtquanten angeregt:

-

Lösungsmittel

(z. B. Touol, Benzol, Xylol, Diisopropylnaphtalin)

kinetische Energie des Kernzerfalls regt p-Elektronen an: 200-300 nm

-

primärer Szintillator

(z.B. Oxazole, Oxadiazole, Benzooxazole, Pyrazoline, 2,5 Diphenyloxazol

PPO

ca. 10-2

m)

Energieübertragung durch Molekülzusammenstöße, Strahlung, Dipol-Dipol-Wechselwirkung: 340-400 nm

-

sekundärer Szintillator

(ähnliche Struktur wie primäre aber längerwelliges

Fluoreszenzmaximum, z.B. p-bis-(o-Methylsteryl)-benzol

ca. 10-4

m) absorbiert das Licht vom primären Szintillator

und gibt es als Fluoreszenzlicht weiter –

„Wellenlängenschieber“

400-470nm

α-, β-Spektrometrie Szintillationsprozess

Typische α-Spektrenα-Spektrometrie

4500 5000 5500 60000.0

2.0x105

4.0x105

6.0x105

8.0x105

1.0x106

1.2x106

244 C

m

241 A

m

237 N

p

Impu

lse

Energie in keV

α-Standard Probe

Mit 241Am kontaminierter Bauschutt

lineare Energieachse

logarithmische Energieachse14C: 156,5 keV

maximale β-Energie

0 200 400 600 800 10000

20

40

60

80

100

120

14C

Impu

lse

Kanal

β- Spektrometrie

Typische β-

Spektren mittlerer Energie

0 20 40 60 80 100 120 1400

50

100

150

200

250

300

350

14C

Impu

lse

Energie in keV

Messung der Gammaenergie mittels Halbleiterdetektor I

-

bei Bestimmung der Gesamtaktivität kann man nicht angeben, welche Radionuklide die Strahlung verursacht haben

-

die meisten Radionuklide senden aber bei Kernumwandlung Gammaquanten bestimmter Energie aus –

Energiewert(e) = Radionuklid

-

Bestimmung mittel Szintillationszähler

oder HalbleiterdetektorRadionuklid

Energie der Gammaquanten in keV

24Na

127560Co

1331, 1173...

40K

1461134Cs

605, 796, 569 ...

137Cs /

137mBa

662131I

364, 637, 284

16

N

6129, 7115226Ra

186 (262 ...)

238U

(50)90Sr

kein γ

Messung der Gammaenergie mittels Halbleiterdetektor II

-

Halbleiterdiode, die in Sperrrichtung betrieben wird

-

dringt ein Gammaquant in die Sperrschicht ein, werden Elektronen-Loch-Paare erzeugt (bei Si 3,23 eV, Ge 2,84 eV)

-

der hervorgerufene geringe Strom führt zu einem Spannungsabfall an einem Arbeitswiderstand, der elektronisch verarbeitet wird

-

jedes Gammaquant erzeugt einen Spannungsimpuls, der gezählt wird, die Amplitude des Impulses ist proportional zur Energie, die das Quant an das Halbleitermaterial abgegeben hat

-

wird die gesamte Energie an das Halbleitermaterial abgegeben, ist die Höhe des Spannungsimpulses der Energie des Quants proportional

-

mittels „Computer“

werden die Impulse nach ihrer Höhe „elektronisch sortiert“ x-Achse: Gammaenergie (in Form von Kanälen)

y-Achse: Anzahl der Impulse, die von Quanten bestimmter Energie erzeugt werden (Spektrum)

-

Kühlung der Detektoren (Verhinderung der unkontrollierten Elektronen- Lochpaarbildung durch Wärme), Abschirmung der Probe gegen

Umgebungsstrahlung

Versuchsaufbau zur Gammaspektrometrie (vereinfachte Darstellung)

Schematischer Aufbau des γ-Spektrometersγ-Spektrometrie

BleiabschirmungProbeGe-DetektorVorverstärker HauptverstärkerVielkanalanalysatorSpektrenauswertungHochspannungEinfüllstutzenEntlüftungDewargefäßFlüssiger N2Isolierung

Geeignete Messanordnungen für verschiedene Strahlungsarten

Filmdosimeter

-

Verwendung als amtliches Dosimeter

-

dünne, lichtdichte Kunststoffkassette mit zwei Filmabschnitten

-

Teile des Films sind mit verschiedenen Metallfiltern abgedeckt

-

Gammastrahlen lösen in der Kunststoffwand, den Filtern und im Film Elektronen aus

-

Elektronen bewirken in der Silberbromid-Schicht Ionisationen, bei Entwicklung entstehen dort Silberkörnchen, diese sind für Licht undurchlässig und rufen eine Trübung hervor

-

Trübung ist von Energie und Menge der eingefallenen Quanten abhängig

-

Auswertung der Trübungsunterschiede, Ionendosis

mit Computer berechenbar

-

zur Energiebestimmung Metallfilter

-

Bleifilter zur Bestimmung aus welcher Richtung Strahlung kam (von hinten = vollständige Bestrahlung des Körpers)

Einsatzgebiete: Überwachung in Gamma-(Beta)-Strahlungsfeldern

Messprinzip: Schwärzung fotografischer Film (Ionisation durch rad. Strahlung)Absorberplatten → Aussagen über Art der Strahler → Personendosis

damit wird entsprechend den Anforderungen aus:•StrlSchV: Anlage VI•Richtlinie für die physikalische Strahlenschutzkontrolle zur Ermittlung der Körperdosen, Teil 1: Ermittlung der Körperdosis bei äußerer Strahlenexposition (§§40, 41, 42 StrlSchV; §

35 RöV)•Anforderungen an Personendosimeter, Empfehlungen der Strahlenschutzkommission vom 01.03.2002, Bundesanzeiger Nr. 112 vom 21.06.2003

die Tiefen-Personendosis Hp(10) bestimmt.Durch das Prinzip des Gleitschattens wird der dosis-mitbestimmende

Einfallswinkel

der Strahlung automatisch berücksichtigt.

→ Tragezeitraum für Mitarbeiter 3 Monate

→ Auswertung an

LPS-Berlin

als zugelassene Messstelle(max. 6 mSv/a für strahlenexponierte Person Typ B)

Amtliches Dosimeter

Typ Gleitschattendosimeter

Personenüberwachung

Prinzipaufbau Filmdosimeter

-

Messprinzip: Thermolumineszenz

•

Thermolumineszenz

beruht auf durch Strahlung hervorgerufene angeregte Zustände (e-Lochpaare)•

beim Erhitzen (ca. 300 °C) Übergang unter Lichtemission in den

Grundzustand •

hierbei ist die emittierte Lichtintensität proportional zur empfangenen

Strahlungsdosis

- Amtliches Dosimeter

Einsatz bei β-Strahlern, Photonenstrahlung

Thermolumineszenzdosimeter

Stabdosimeter

-

arbeitet nach dem Prinzip der Ionisationskammer (Elektrometer, Elektroskop)

-

wird an einer Spannungsquelle aufgeladen, bewegliches Fädchen spreizt sich (Nullwert)

-

Auftreffen von Gammastrahlen, Entladung des Elektrometers, die Spannung an ihm sinkt, Rückgang des gespreizten Fädchens

-

Messwert, Skala ist in μSv kalibriert, Äquivalentdosis ablesbar

-

solange keine Bestrahlung erfolgt, beträgt der Spannungsrückgang durch Selbstentladung nur wenige Prozent

-

bei Messung geringenergetischer Gammastrahlung – Kunststoffumhüllung statt Metall

Prinzipaufbau Stabdosimeter

Neutronenmessgeräte

-

keine direkte Ionisierung von Atomen, deshalb Nutzung von Kernreaktionen / Kernspaltungen, die dabei erzeugten geladenen Teilchen (Alphateilchen, Trümmerkerne) bewirken in der Gasfüllung Ionisation

-

Nachweis von thermischen Neutronen: *gasgefülltes Aluminium oder Messingrohr, Innenseite mit Bor, Lithium

oder Uran-235 ausgekleidet

-

Reaktionen: *Bor bzw. BF3

-Gas

*Lithium

*Uran-235