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Universität für Bodenkultur WienInstitut für Sicherheits- und Risikowissenschaften

Praxisseminar Strahlenschutz: Messtechnik20.03.2014 127.03.2014 1

Praxisseminar Strahlenschutz

Messtechnik

Markus Drapalik


Praxisseminar Strahlenschutz: Messtechnik20.03.2014 2

Inhalt

Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung



Inhalt




Ionisierende Strahlung

3 Typen: Elektromagnetisch: UV, Röntgen, Gamma Geladene Teilchen: Beta (Elektron), Alpha (He-Kern),

(Protonen, Positronen) Neutronen




Typische Reichweite/Abschirmung

Gamma: mehrere cm Blei (exponentielle Abschwächung) Beta: bis zu 10 m in Luft, 4 mm Glas Alpha: 10 cm in Luft, Papier, Kunststofffolie Neutronen: Kombination aus Eisen, Wasser/Paraffin, Bor

zusätzlich Schutz vor Sekundärstrahlung (Blei)



WW Alphastrahlung

Atome werden ionisiert –Elektron wird aus Hülle „gestoßen“

Dadurch alpha-Teilchen gebremst

Nach mehreren 1000 Zusammenstößen abgebremst

Stoppt bei EindringtiefeQuelle: wikipedia



WW Betastrahlung

Wesentlich kleiner – geringere WW

Daher größere Eindringtiefe

Zusätzlich Bremsstrahlung (Röntgen)



WW Gammastrahlung

Mehrere verschiedene WW möglich

Keine Teilchenstrahlung – wird mit Tiefe exponentiell geschwächt, aber keine feste Eindringtiefe

Nach Halbwertsschicht auf halbe Intensität reduziert



Teilchenspuren




Wirkung Strahlung zerstört Moleküle im Organismus – Funktion der

Zellen eingeschränkt, bzw Zellen werden zerstört Durch Zerfall der Moleküle Entstehung von Radikalen –

schädigen weitere Zellen Erbgut besonders anfällig, Gefahr von Mutationen (Krebs)

als Langzeitfolgen



Größen und Einheiten

Radioaktivität: Becquerel [Bq] = [1/s] Energiedosis: Gray [Gy] = [J/kg] Äquivalentdosis: Sievert [Sv] = [J/kg] Qualitätsfaktor: Sievert / Gray = [] Dosisleistung: Sievert pro Zeiteinheit Dosisfaktor: Sievert / Becquerel Zählrate (Counts): Impulse pro Zeiteinheit [1/s]



Typische Dosen und Dosisleistungen

Typische jährliche Dosis in Österreich: ~5 mSv Maximale Dosis im Einsatz: 15 mSv Katastrophendosis: 250mSv Tödliche Einzeldosis: 7 Sv Brustkorb-CT: 7 mSv Typischer Hintergrund: 50-200 nSv/h



Zerfallsreihen

Zerfall bis zu stabilem Isotop

4 Reihen: Uran-Actinium (235U) Uran-Radium (238U) Thorium (232Th) Neptunium (237Np)

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aktiniova_rada.svg

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aktiniova_rada.svg



Inhalt




Messtechnik

http://medienschafe.files.wordpress.com/2011/03/ionisation.jpg

Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an– Effekt ist messbar

Mögliche Effekte: Ionisation



Messtechnik

http://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.251/Didactics/quantenchemie/grafik/Ableitng.gif


Mögliche Effekte: Ionisation Angeregte Ladungsträger



Messtechnik


Mögliche Effekte: Ionisation Angeregte Ladungsträger Ladungsträger-Trennung

http://g-o.de/index.php?cmd=focus_detail2_bild&f_id=509&rang=6&pid=16143



Messtechnik


Mögliche Effekte: Ionisation Angeregte Ladungsträger Ladungsträger-Trennung

Gemessen wird Spannung oder Licht



Inhalt




Gas-Zählrohre

Gasgefülltes Zählrohr Mantel aus Metall In der Mitte dünner

Draht

Einfallende Strahlung ionisiert Gasatome

Quelle: wikipedia



Gas-Zählrohre

Fenster: meist nur dünneres Metall (für Gamma egal)

Für Alpha und Beta wird Glimmer oder PET-Folie benutzt

Quelle: wikipedia



Gas-Zählrohre

http://positron.physik.uni-halle.de/VVB/SdM_Dias.html



Gas-Zählrohre

Vorteile: gute Empfindlichkeit „pflegeleicht“, handlich

Nachteile: Nur einzelne Impulse, keine Energien messbar Standardtyp nur für Gammastrahlung



Gas-Zählrohre

Quelle: automess



Hintergrundstrahlung

Natürlicher Hintergrund ist immer vorhanden Typisch: 50-200nSv/h

Für exakte Messungen zusätzliche Abschirmung erforderlich



Inhalt




Szintillatorsonde

Szintillation: durch Strahlung angeregte Atome senden (sichtbares) Licht aus

Sehr alte Technik– Röntgenschirme, Rutherford

Quelle: wikipedia



Szintillatorsonde

Wird heute durch Photomultiplier verstärkt und digital detektiert

Quelle: wikipedia



Szintillatorsonde

Verschiedene Materialien: organisch anorganisch

Verschiedene Aggregatszustände: fest flüssig gasförmig



Szintillatorsonde

Flüssiges Medium

Quelle: http://www.directindustry.com

Quelle: http://www.directindustry.com

http://www.google.at/url?sa=i&rct=j&q=szintillation+fl%C3%BCssig&source=images&cd=&docid=aRMc7uQElGIEmM&tbnid=4XjczZP2ojkNeM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.sckcen.be%2Fen%2FOur-Services%2FLow-level-radioactivity-measurements%2FLaboratory-for-liquid-scintillation-counting&ei=u9Z3UarkJoG1Pa7KgOAB&bvm=bv.45580626,d.ZWU&psig=AFQjCNElFLMrYxSC_XtZtHvhOqEAs9gQWw&ust=1366894609509125

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Szintillatorsonde

Festes Medium

Quelle: automessQuelle: wikipedia



Szintillatorsonde

Vorteile: sehr empfindlich (auch Untergrund präzise messbar) weiter Messbereich kurze Reaktionszeiten Je nach Bautyp auch Energie

bestimmbar

Nachteile: unhandlich Quelle: automess



Inhalt




Halbleiterzähler

Technisch gesehen Diode, Prinzip ähnlich Solarzelle

Ionisierende Strahlung erzeugt Elektron-Loch-Paare

Als Spannung messbar

Quelle: wikipedia



Halbleiterzähler

Besonders geeignet für Gamma-Spektroskopie Energie von Gamma-Quant ist typisch für Isotop

Erfordert hochreine Halbleiter (meist Germanium) Brauchbare Messgenauigkeit erfordert Kühlung (flüssiger

Stickstoff)

Präzision ist stark von Messdauer abhängig



High Purity Ge-Detektor

Halbleiterzähler

Quelle: wikipedia



Gammaspektrometer



Spektrum von Uran-Erz

Quelle: wikipedia



Halbleiterzähler

Rauschen: Elektronik, Hintergrund

Nebenpeaks: Paarbildung, Compton-Streuung

Quelle: wikipedia



Halbleiterzähler

Energieeichung sollte durch Kalibrierung sichergestellt sein, Kontrolle durch typische Linien:

40K: 1460 keV 232Th: 4038 keV 226Ra: 4871 keV Paarbildung: 511keV



Halbleiterzähler

Vergleich mit Szintillationszähler

Quelle: www.techniklexikon.net



Halbleiterzähler

Probenvorbereitung Spezielle Probenbehälter an Detektorform angepasst Wohldefiniertes Volumen sollte homogen und dicht befüllt

sein Feuchte Proben schlecht vergleichbar – Trocknung

sinnvoll Radonmessungen: Aktivkohle Zerfall bedenken – ggf. kurze Zeiten zwischen

Probennahme und Messung notwendig



Halbleiterzähler

Vorteile Bestimmung der Isotope möglich Hohe Präzision

Nachteile: Teils aufwändige Probenaufbereitung Lange Messzeiten schlecht mobil möglich



Inhalt




Personendosimeter

Überwachung der aufgenommenen Dosis

Unterschiedliche Bauweisen

Meist Pflicht für beruflich strahlenexponierten Personen:Radiologie, Nukleartechnik, ggf Einsatzkräfte



Personendosimeter

Quelle: www.seibersdorf-laboratories.at

Quelle: wikipedia

Quelle: wikipediaQuelle: www.tacda.org

Thermoluminiszenz-Dosimeter (TLD) Füllfederhalter- (pen)

Dosimeter

Filmdosimeter

Digitaldosimeter

http://www.google.at/url?sa=i&rct=j&q=thermolumineszenzdosimeter&source=images&cd=&docid=AzzDwJPbu2XpQM&tbnid=e8ire3kt1Xh95M:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.seibersdorf-laboratories.at%2Fprodukte-services%2Fionisierende-strahlung-radioaktivitaet%2Fdosimetrie%2Fdosimeterservice%2Fganzkoerper-dosimeter.html&ei=-953UfneCMfZtQbzloDICQ&bvm=bv.45580626,d.bGE&psig=AFQjCNHt2kNsz4ZbDlC-TecbaCt6Z_JiAQ&ust=1366896741442195

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http://www.google.at/url?sa=i&rct=j&q=F%C3%BCllhalterdosimeter+&source=images&cd=&docid=44maaGjCdEBkYM&tbnid=bnn20K87shGEgM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fde.wikipedia.org%2Fwiki%2FDosimeter&ei=lN93Udb2K8ePtAa65oHQBA&bvm=bv.45580626,d.bGE&psig=AFQjCNEslgdLFIGDtkOmx5dK1yfQosBdDw&ust=1366896884247715

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http://www.google.at/url?sa=i&rct=j&q=Digitales+Dosimeter+&source=images&cd=&docid=TVS5MwSPMxXC_M&tbnid=srZyMstqkmSYiM:&ved=0CAUQjRw&url=http%3A%2F%2Fwww.tacda.org%2Fstore%2Findex.php%2Frad60-electronic-dosimeter-from-rados.html&ei=LuB3UfD0BouSswaApYHACA&bvm=bv.45580626,d.bGE&psig=AFQjCNGOkAAhnkqmIchpx0GFj-9xEK8vDg&ust=1366897015640896



Inhalt




Nebelkammer/Blasenkammer

Kammer mit übersättigtem Dampf / Flüssigkeit bei Siedeverzug

Ionisierung führt zu Kondensation / Sieden

Elektrisches Feld lenkt geladene Teilchen ab – Bahnen mit freiem Auge erkennbar

Quelle: wikipedia



Widerstandsplattenkammer

Quelle: wikipedia



Kalorimeter

Viele Szintillatoren übereinander Gesamte Strahlung wird absorbiert Totale Energie wird gemessen

Quelle: wikipedia



Tscherenkow-Detektoren

Bremsstrahlung wird gemessen

Können extrem groß gebaut werden

Neutrino-Detektoren

Quelle: wikipedia



Inhalt



Praxisseminar Strahlenschutz: Messtechnik20.03.2014 5327.03.2014 53


Mag. Markus Drapalik

Borkowskigasse Baracke 4, A-1190 WienTel.: +43 1 47654-7712, Fax: +43 1 [email protected] , www.risk.boku.ac.at

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