Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben Alpha/Beta-Monitor Autor: Ing. Mag.rer.nat. Ewald...

Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben

Alpha/Beta-Monitor

Autor: Ing. Mag.rer.nat. Ewald Grohs Bakk.rer.nat.

Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor

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Vorwort

• Dieser vierte Baustein gibt einen Überblick über die Bestimmung der Radioaktivität von Alpha- und Beta-Strahlern Wischproben oder auf bestaubten Filtern und für die Analyse von Umweltproben.

• Das komplette Lehrveranstaltungsmodul besteht vier Bausteinen. Für die weiteren Bausteine wird dieses Grundlagen-Modul benötigt.


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Inhalt

• Wiederholung– Strahlung– Teilchenstrahlung

und Ionisation– Isotope– Radioaktivität– Halbwertszeit– Einheiten– Energiespektren Alpha– Alpha/Beta-Strahler– Wechselwirkung mit

Materie– Biologische Wirkung

– Strahlenschäden– Nachhaltigkeit im Umgang mit

Strahlung– Detektorentypen– Szintillatorsonde

• Hot particles• Alpha/Beta-Monitor LB 2046• LB2046

Kurzbedienungsanleitung• Praktische Übungen


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Wiederholung

– Strahlung– Teilchenstrahlung und Ionisation– Isotope– Radioaktivität– Halbwertszeit– Einheiten– Wechselwirkung mit Materie– Biologische Wirkung– Strahlenschäden– Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung– Gammaspektroskopie– Detektorentypen– Szintillatorsonde


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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


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StrahlungElektromagnetische Strahlung

• Nichtionisierende Strahlung: elektromagnetische Wellen bis zum UV-Bereich

• Ionisierende Strahlung: Wellenlänge < 100 nm

© Wikimedia Commons


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Teilchenstrahlung und Ionisation

• Teilchen– Alphastrahlung

• Schwere He-Kerne – direkt ionisierend

– Betastrahlung• Beta-: ein Elektron wird abgegeben – direkt ionisierend• Beta+: ein Elektron wird eingefangen – direkt ionisierend

– Protonen• positiv geladen – direkt ionisierend

– Neutronen• ungeladen – indirekt ionisierend

Alphazerfall © Wikimedia Commons

Betazerfall © Wikimedia Commons


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Isotope

• Isotop

Ein Isotop ist ein Nuklid mit gleicher Protonenzahl (Ordnungszahl), aber unterschiedlicher Neutronenzahl.

• Stabile und instabile Isotope (ca. 2500 Isotope davon 274 stabil)

• Instabile Elemente (Radionuklide) zerfallen = radioaktiv

• Es gibt drei natürliche und eine künstliche Zerfallsreihe:– Uran-Radium-Reihe: 238U 206Pb– Uran-Actinium-Reihe: 235U 207Pb– Thorium-Reihe: (244Pu) 232Th 208Pb– Neptunium-Reihe – kommt in Natur nicht vor:

(241Pu) 237Np 209Bi (205Tl)


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Radioaktivität

• Radioaktivität ist die Eigenschaft eines instabilen Atomkerns (Radionuklids), sich spontan in andere Atomkerne umzuwandeln.

• Bei diesem Prozess tritt ionisierende Strahlung aus


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Halbwertszeit (HWZ) (1)

• Die Halbwertszeit ist abhängig von der Aktivität des Elements.

• von Mikrosekunden bis Trillionen von Jahren

HWZ © Wikimedia Commons


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Halbwertszeit (HWZ) (2)

Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und spezifischer Aktivität

Isotop Halbwertszeit spezifische Aktivität

131I 8 Tage 4.600.000.000.000 Bq/mg210Po 138,4 Tage 185.000.000.000 Bq/mg137Cs 30 Jahre 3.300.000.000 Bq/mg226Ra 1.602 Jahre 37.000.000 Bq/mg239Pu 24.110 Jahre 2.307.900 Bq/mg235U 703.800.000 Jahre 80 Bq/mg238U 4.468.000.000 Jahre 12 Bq/mg232Th 14.050.000.000 Jahre 4 Bq/mg


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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 [ ]


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Strahlenbelastung (1)

Durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung pro Jahr

(Effektivdosis in mSv pro Jahr)

© http://www.ages.at


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• Kosmische Strahlung – Höhenstrahlung (300 µSv/a)– hochenergetische Teilchenstrahlung aus All.

In großer Höhe erheblich stärker als auf Meeresniveau

• Terrestrische Strahlung: (300 µSv/a)– durch in der Natur vorkommende langlebige Radionuklide (z.B.: Uran und

Thorium)

• Isotope in Nahrung (300 µSv/a)– besonders durch 40K

• Radon (1600 µSv/a)– aus den drei Zerfallsreihen der Elemente Uran und Thorium gibt es 3

verschiedene Radonisotope – 222Rn aus der 238U-Zerfallsreihe: HWZ: 3,8d– 220Rn aus der 232Th-Zerfallsreihe: HWZ: 55s– 219Rn aus der 235U-Zerfallsreihe: HWZ: 4s– 222Rn kann durch die längere Lebensdauer durch Risse in Keller strömen.– Radon ist zweithäufigste Ursache für Lungenkrebs nach dem Rauchen.


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• Kernkraftwerke (<10 µSv/a)• Atombombentests (<10 µSv/a)• AKW-Unfälle: Kyschtym, Chernobyl, Fukushima

– Chernobyl: (<10 µSv/a)• Sr-90 (ß) 10 PBq• I-131 (ß) 1760 PBq• Xe-133 (ß) 6500 PBq

• Rauchen (300 µSv/a)

Anmerkung: Peta (P) = 1015


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Ortsdosisleistung in ÖsterreichAktuelle Messwerte aus dem Strahlenfrühwarnsystem

http://www.lebensministerium.at/umwelt/strahlen-atom/strahlenschutz/strahlen-warn-system/messwerte_aktuell.html


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Energiespektren (Alpha)

Die Alpha-Strahlung eines Isotops hat nur eine bestimmte diskrete Energie.

© http://dch-cern.blogspot.co.at


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Alpha-Strahler

• alpha-strahlende Radionuklide:210Po, 226Ra, 232Th


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Beta-Strahler

• rein beta-strahlende Radionuklide:3H, 14C, 32P, 35S, 89Sr, 90Sr, 99Tc, 131I

• 90Sr (HWZ: 28,78 a) entsteht bei allen Kernspaltungen (AKW und A-Bomben)– Chernobyl-Unfall: Freisetzung von 1 -10 PBq– wird in Knochen abgelagert

(Ähnlichkeit mit Kalzium)


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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)

Abschirmung von Strahlungsquellen


Papierblatt

Aluminiumplatte


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Biologische Wirkung von Strahlung

• Auswirkung auf Zellen– Direkte Schädigung der Zellen bzw. DNA

• Zellmutation, Zelltod– Indirekte Effekte

• Radiolyse der Aminosäuren• Wasserradiolyse – Radikale werden gebildet

• Alphateilchen:• geringe Eindringtiefe nur bis obere Hautschichten• Inkorporation gefährlich (Lungenkrebs)

• Betateilchen:• nur bis in die Haut (Verbrennungen, Hautkrebs,

Augenlinsentrübung)• Inkorporation (Schilddrüsenkrebs, Knochenkrebs, Leukämie)


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Strahlenschäden

• Somatische Schäden – Schäden durch Exposition– Deterministische, akute oder kausale Schädigung– Stochastische oder Spätschäden

• Dosis von 1mSv führt etwa zu 3000 Basenschäden (DNA) pro Zelle

• Teratogene Schäden– Schädigung des Embryos

• Genetische Schäden– Schäden in der Folgegeneration– 25% höhere Mutationsrate bei 4 Gray einmaliger

Bestrahlung einer Keimzelle


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Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung

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

• As Low As Reasonably Achievable = = 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.

• Sorgsamer Umgang mit radioaktiven Stoffen– Lüften von Kellern – Radon (222Rn) Alpha-Strahler– Rauchen – Polonium (210Po) Beta-Strahler


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Detektorentypen

• Halbleiterdetektoren:– Vorteile:

• Energie ist typisch für Isotop• hohe Präzision

– Nachteile:• erfordert hochreinen Halbleiter (meist Germanium)• brauchbare Messgenauigkeit erfordert Kühlung

• Szintillationsdetektoren:– Szintillation: durch Strahlung angeregte Atome senden

(sichtbares) Licht aus– einer der ältesten Methoden zum Nachweis

• Zinksulfidschirm– Licht wird heute mittels Photomultiplier verstärkt

Signal digital detektiert


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Szintillatorsonde

Schemata:



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Hot particles (1)• „Heiße Teilchen", im englischen Sprachgebrauch "hot particles"

(HP) sind:– atmosphärisch getragene– schwerlösliche Teilchen– von hoher spezifischer Radioaktivität.

• Teilchengröße < 50µm• spezifische Aktivität > 3 Bq/µm³• Unfall Three Miles Island: keine HP• Unfall Chernobyl:

– 6000 bis 8000 kg HP– Größenbereich: 0,5 bis 150µm

• Satellitenabstürze: Cosmos 954 über Canada 1978– 120.000 km²– ca 1,1 PBq Kontamination


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Hot particles (2)

• Primäre Aufgabe des Strahlenschutzes ist der Schutz des Menschen, in diesem speziellen Fall der Schutz vor Inhalation bzw. Ingestion von heißen Teilchen.

• Messtechnisch problematisch ist es einzelne „hot particles“ aufzuspüren.

• Alphastrahlung ist in Luft auf wenige Zentimeter beschränkt, Betastrahlung auf wenige Meter.

• Heiße Teilchen gelangen entweder durch Trockendeposition auf die Auffangfläche oder werden mit Niederschlag deponiert.


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Suchstrategien HP

• Korngrößenklassifizierung• Abscannen von geeigneten Flächen• Umweltproben mittels:

– Volumenproben: Wasser-, Boden-, Nahrungsmittel-, Bewuchs-, Abfallproben usw., Flüssigkeiten werden abfiltriert

– Autoradiographie: zu untersuchende Fläche mit Röntgen- oder Schwarz-Weiß-Film in Kontakt gebracht, genaue Lokalisierung möglich

– Alpha/Betamessung: großflächige Gasproportionalzählrohre– Dosisleistungsmessung: nur für HP >> 1MBq– Gammaspektrometrie: In-situ-Gammaspektrometer,

Roboterfahrzeuge mit NaI-Detektor – Alphaspektrometrie: Si-Detektoren– SEM und Röntgenfluoreszenzanalyse:

Scanning-Electron-Microscopy


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Geeignete Verfahren zu HP-Identifikation

© D. Lux, Bundesamt für Strahlenschutz,Institut für Strahlenhygiene, Oberschleißheim

x geeignet0 bedingt geeignet (1) z.B. Folien, Vaselineplatten,Pflanzenblätter, etc. (2) Beschädigung der Eintrittsfolie vermeiden (Schutzgitter)(3) auch automat. Fahrzeuge mit Szintillationszähler (4) auch digitale Autoradiographie mit orts-auflösenden Vieldraht-Zählrohren (5) Eindampfrückstände (6) auch Probenteilung (7) Schrittfiltergeräte mit geeigneter Software


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Alpha/Beta-Monitor LB 2046

Der Alpha/Beta-Messplatz LB 2046 dient zur Messung von Alpha-, Beta- und Gammaaktivitäten bei Wischproben oder auf bestaubten Filtern und für die Analyse von Umweltproben.

• großflächiger ZnS(Ag) Szintillator• der Probenschieber ist für flache Proben, z.B.:

Papierfilter, 60 oder 100 mm Durchmesser, vorgesehen. Es können Probeschälchen mit einer Höhe von max. 8 mm gemessen werden (Adapter).


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LB2046 Kurzbedienungsanleitung

• Hauptfenster:– Messung: Durchführung von Probemessungen– Nulleffekt: Ermittlung des Nulleffekts für Korrektur der Rohdaten– System Test:– Service:– Parameter: Anschauen und Ändern der System- und

Messparameter– Speicher:

• Tastenüberblick:– START und STOP: Messung– PROBE:– NUKLIDE: Messnuklide auswählen– SAVE: Speichern von Parametern und Messergebnissen– DRUCK:– FF:– MENÜ: Aufruf des Messfensters : Bewegen des Cursorbalkens : um ins ausgewählte Menü zu kommen– ESC: Menü verlassen– DEL: löscht ein Zeichen bei der Text-

und Zahleneingabe


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Praktische Übungen

• (Kurz-) Bedienungsanleitung durchlesen

• Praxisaufgabe: (Übungsblatt verwenden) Aktivitätsmessungen von verschiedenen Proben:– Thorium-Glühstrumpf– Co-60 Messprobe

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