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

Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben

Becquerel-Monitor

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

Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor

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Vorwort

• Dieser dritte Baustein gibt einen Überblick über die Bestimmung der Radioaktivität von Gammastrahlern in Lebensmitteln, Flüssigkeiten, Schüttgütern etc.

• Das komplette Lehrveranstaltungsmodul besteht aus vier Bausteinen. Für diesen Baustein wird das Grundlagen-Modul benötigt.


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Inhalt

• Wiederholung– Strahlung– Gammastrahlung und

Ionisation– Isotope– Radioaktivität– Halbwertszeit– Einheiten– Wechselwirkung mit

Materie– Biologische Wirkung– Strahlenschäden– Nachhaltigkeit im

Umgang mit Strahlung

– Gammaspektroskopie– Detektorentypen– Halbleiterzähler– Szintillatorsonde

• Folgen eines AKW-Unfalls• Becquerel-Monitor LB 200• Einfluss der natürlichen

Radioaktivität auf die Messung• Kaliumgehalt der Lebensmittel• LB200 Kurzbedienungsanleitung• Praktische Übungen


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Wiederholung

• Strahlung• Gammastrahlung und Ionisation• Isotope• Radioaktivität• Halbwertszeit• Einheiten• Wechselwirkung mit Materie• Biologische Wirkung• Strahlenschäden• Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung• Gammaspektroskopie• Detektorentypen• Halbleiterzähler• 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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Gammastrahlung und Ionisation

• Elektromagnetische Strahlung– Gammastrahlung

• Gamma-Photon – indirekt ionisierend

Gammazerfall © 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/mg137Cs 30 Jahre 3.300.000.000 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

Durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung pro Jahr

(Effektivdosis in mSv pro Jahr)

© http://www.ages.at


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Strahlenbelastung

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

• Atombombentests (<10 µSv/a)

• AKW-Unfälle:– Chernobyl: (<10 µSv/a)


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Abschirmung von Gammastrahlen

• Gammastrahlung ist elektromagnetische Strahlung

• in Materie exponentiell abgeschwächt• keine feste Eindringtiefe• nach einer Halbwertsschicht

Reduzierung der Intensität auf die Hälfte• die Halbwertsschicht von Energie der

Gammastrahlung abhängig (z.B.: bei 2 MeV ist dies in Blei bei 1,3 cm).


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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

• Gammastrahlung:• Ionisierung und freigesetzte Sekundärstrahlung

(Zellmutation, Tumor, Metastasen)


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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– Kontaminierte Lebensmittel – Wild, Pilze (137Cs) HWZ = 30a


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Gammaspektroskopie

• Gammaspektroskopie ist die Messung des Spektrums der Gammastrahlung einer radioaktiven Strahlungsquelle.

• Gammaquanten haben nicht beliebige, sondern bestimmte (diskrete), für das jeweilige Nuklid charakteristische Energien, ähnlich wie in der optischen Spektroskopie die Spektrallinien für die in der Probe enthaltenen Stoffe charakteristisch sind. Deshalb ist die Gammaspektroskopie eine wichtige Methode zur Untersuchung radioaktiver Substanzen.


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Detektorentypen

• Halbleiterdetektoren: – aus hochreinem Germanium (High Purity

Germanium, kurz HPGe)– weniger reinem, mit Lithium dotierten

Germanium Ge(Li)

• Szintillationsdetektoren mit Einkristallen aus:– Natriumiodid oder – Bismutgermanat (BGO)


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Halbleiterzähler (1)

• Aufbau Ge-Kristall fürGammaspektroskopie

© http://www.tu-dortmund.de © Wikimedia Commons


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Halbleiterzähler (2)

• 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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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 verstärktSignal digital detektiert


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• Vorteile:– sehr empfindlich,

Hintergrund präzise messbar– kurze Reaktionszeiten– Je nach Bauart auch Energie bestimmbar

• Nachteile:– unhandlich

© http://www.automess.de


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Folgen eines AKW-Unfalls

• Austreten von verschiedenen Isotopen:– 131I (Jod-137, HWZ – 8,02 d)– 137Cs/134Cs (Cäsium-137, HWZ 30,17 a;

Cäsium- 134, HWZ 2,0648 a)• Jod wird von der Schilddrüse aufgenommen –

Schilddrüsenkrebs• Cäsium wird vom Körper mit Kalium verwechselt – vor

allem in Muskel-, Nieren-, Leber- und Knochenzellen, aber auch im Blut angereichert

• Fallout von Cäsium in vielen Gebieten Europas nach Chernobyl – AKW-Unfall– Belastung der Milch– besondere Anreicherung von 137Cs in Pilzen (besonders in

Maronenröhrling)– betroffen: Wildtiere, die Pilze fressen


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Bodenbelastung durch Cäsium-137 im Jahr 2000 (Umweltbundesamt)

http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/umweltkontrolle/2001/20_radio.pdf

Einheit kBq/m²


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Becquerel-Monitor LB 200Technische Daten

• Szintillations-Messgerät zur Bestimmung der Gamma-Aktivität

• Nachteil: Isotopen können nicht bestimmt werden – kein Energiefenster

• NaI(Tl*)-Kristall- Detektorteil mit Verstärker und Hochspannungseinheit

• Auswerteelektronik mit Stromversorgung• Zubehör zur Aufnahme und

Abschirmung der Messproben• Werksseitige Einstellung für 137Cs/134Cs• Messbereiche:

– 0,1 bis 9999 ips– 1 bis 9999 Bq/l

© www.berthold.com


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Einfluss der natürlichen Radioaktivität auf die Messung

• Die meisten Lebensmittel enthalten Kalium mit dem natürlichen Radionuklid 40K. Da der LB 200 kein Energiefenster besitzt, sondern oberhalb einer Schwelle von ca. 40 keV den gesamten Energiebereich misst, wird die Gamma-Strahlung des 40K mit erfasst. Dabei ergibt 1 g Kalium pro Liter eine Anzeige von ca. 2 Bq/l, bezogen auf den Kalibrierfaktor für 137Cs


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Kaliumgehalt von Lebensmittel

Lebensmittel Kaliumgehaltg K/kg

AnzeigeBq/l

Milch 1,5 - 1,6 6,1 - 6,5

Magermilchpulver 16 64,8

Fisch 2,5 - 4,5 10,1 - 18,2

Nüsse 4,0 - 6,0 16,2 - 24,3

Pilze, frisch 1,5 - 4,5 6,1 - 18,2

Pilze, getrocknet 20,0 - 50,0 81 - 202,5© Bedienungsanleitung Becquerel-Monitor LB 200


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LB 200 Kurzbedienungsanleitung

• Nulleffekt bestimmen - „Ein/Aus“-Taste• Warten, bis gewünschte Messgenauigkeit erreicht ist• Messung mit „STOP“-Taste beenden• Messprobe hineinstellen• Messung mit „Bq“-Taste starten• Warten, bis gewünschte Messwert-Sichheit erreicht ist• Messung mit „STOP“-Taste beenden• Messwert ablesen• Nächste Messprobe hineinstellen• Messung mit „Bq“-Taste starten


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Praktische Übungen

• ACHTUNG: NaI-Kristall ist mit Glas vergleichbar. Vermeiden Sie deshalb Stöße und starke Temperaturschwankungen!

• Kurzbedienungsanleitung durchlesen• Nulleffekt bestimmen• Praxisaufgabe: (Übungsblatt) Aktivitätsmessungen von

Lebensmitteln, Flüssigkeiten, Schüttgütern etc.: z.B.:– Milch oder Magermilchpulver (40K)– Bodenproben– Radonhältigem Wasser

• Vorsicht: Eichung ist für 137Cs – nur hier richtige Anzeige (z.B.: bei Bodenproben)

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