Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben Prinzipien der Messtechnik Autor: Ing. Mag.rer.nat....

Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben

Prinzipien der Messtechnik

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

Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Prinzipien der Messtechnik

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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.


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Inhalt

• Wiederholung– Strahlung– Strahlenarten und

Ionisation– Radioaktivität– Einheiten– Quadratisches

Abstandsgesetz– Strahlenbelastung– Wechselwirkung mit

Materie– ALARA - Prinzip

• Messtechnik• Detektoren

– Ionisationsdetektoren– Szintillationszähler– Halbleiterzähler

• Dosisleistungs-messgerät 6150AD6/E– Aufbau und Bedienung– Handhabung

• Praktische Übungen


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Wiederholung

• Strahlung• Strahlenarten und Ionisierung• Radioaktivität• Einheiten• Quadratisches Abstandsgesetz• Strahlenbelastung• Wechselwirkungen mit Materie• ALARA - Prinzip


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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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Strahlenarten und Ionisierung (1)

• 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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Strahlenarten und Ionisierung(2)

• Elektromagnetische Strahlung– Gammastrahlung

• Gamma-Photon – indirekt ionisierend

Gammazerfall © Wikimedia Commons


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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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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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Quadratisches Abstandsgesetz

• Dosisleistung nimmt quadratisch zur Entfernung ab.

• Strahlungsintensität I

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© 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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• 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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Abschirmung von Strahlungsquellen


Papierblatt

Aluminiumplatte

Bleiblock


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ALARA - Prinzip

• 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.


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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


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Detektoren

• Arten von Detektoren:

– Ionisationsdetektoren• Gaszählrohre

– Szintillationszähler• Szintillatorsonde

– Halbleiterzähler• Diodeneffekt


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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


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Gaszählrohre (2)



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Gaszählrohre (3)

• Vorteile:– gute Empfindlichkeit– sehr handlich

• Nachteile:– zählt nur einzelne Impulse,

keine Energien– Standardtyp nur für Gammastrahlung

(ohne Fenster)


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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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Schemata:



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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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Halbleiterzähler (1)

• Funktionsweise Diode, ähnlich Solarzelle• Ionisierende Strahlung erzeugt Elektron-

Loch-Paare

• Output: Spannung

© www.lehrbuch-photovoltaik.de


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• 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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Dosisleistungsmessgerät6150AD6/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


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Dosisleistungsmessgerätautomess 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) Mittelwert der DL DL-Warnschwelle Höchstwert DL Dosis Dosiswarnschwelle Batteriespannung Kalibrierparameter danach wieder Dosisleistung (DL)

• Dosisleistung in µSv/h• bei Anschluss von Sonden (z.B.: ext 17): s-1 (Impulse)


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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/hDL digital: 0,01 µSv/h - 9,99 mSv/hDL eichfähig: 0,5 µSv/h - 9,99 mSv/hEnergiebereich: 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


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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)

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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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