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

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Präsentation zum Thema: "Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben Becquerel-Monitor Autor: Ing. Mag.rer.nat. Ewald Grohs, Bakk.rer.nat."—  Präsentation transkript:

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

2 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 2 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.

3 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 3 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

4 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 4 Wiederholung Strahlung Gammastrahlung und Ionisation Isotope Radioaktivität Halbwertszeit Einheiten Wechselwirkung mit Materie Biologische Wirkung Strahlenschäden Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung Gammaspektroskopie Detektorentypen Halbleiterzähler Szintillatorsonde

5 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 5 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

6 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 6 Strahlung Elektromagnetische Strahlung Nichtionisierende Strahlung: elektromagnetische Wellen bis zum UV-Bereich Ionisierende Strahlung: Wellenlänge < 100 nm © Wikimedia Commons

7 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 7 Gammastrahlung und Ionisation Elektromagnetische Strahlung –Gammastrahlung Gamma-Photon – indirekt ionisierend Gammazerfall © Wikimedia Commons

8 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 8 Isotope Isotop Ein Isotop ist ein Nuklid mit gleicher Protonenzahl (Ordnungszahl), aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Stabile und instabile Isotope (ca Isotope davon 274 stabil) Instabile Elemente (Radionuklide) zerfallen = radioaktiv Es gibt drei natürliche und eine künstliche Zerfallsreihe: –Uran-Radium-Reihe: 238 U 206 Pb –Uran-Actinium-Reihe: 235 U 207 Pb –Thorium-Reihe: ( 244 Pu) 232 Th 208 Pb –Neptunium-Reihe – kommt in Natur nicht vor: ( 241 Pu) 237 Np 209 Bi ( 205 Tl)

9 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 9 Radioaktivität Radioaktivität ist die Eigenschaft eines instabilen Atomkerns (Radionuklids), sich spontan in andere Atomkerne umzuwandeln. Bei diesem Prozess tritt ionisierende Strahlung aus

10 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 10 Halbwertszeit (HWZ) (1) Die Halbwertszeit ist abhängig von der Aktivität des Elements. von Mikrosekunden bis Trillionen von Jahren HWZ © Wikimedia Commons

11 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 11 Halbwertszeit (HWZ) (2) Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und spezifischer Aktivität Isotop Halbwertszeitspezifische Aktivität 131 I8 Tage Bq/mg 137 Cs30 Jahre Bq/mg 239 Pu Jahre Bq/mg 235 U Jahre80 Bq/mg 238 U Jahre12 Bq/mg 232 Th Jahre4 Bq/mg

12 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 12 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 [ ]

13 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 13 Strahlenbelastung Durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung pro Jahr (Effektivdosis in mSv pro Jahr) ©

14 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 14 Strahlenbelastung Isotope in Nahrung (300 µSv/a) –besonders durch 40 K Atombombentests (<10 µSv/a) AKW-Unfälle: –Chernobyl: (<10 µSv/a)

15 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 15 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).

16 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 16 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)

17 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 17 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

18 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 18 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 ( 137 Cs) HWZ = 30a

19 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 19 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.

20 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 20 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)

21 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 21 Halbleiterzähler (1) Aufbau Ge-Kristall für Gammaspektroskopie © © Wikimedia Commons

22 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 22 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 ©

23 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 23 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 verstärkt Signal digital detektiert

24 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 24 Szintillatorsonde (2) Schemata: © Wikimedia Commons

25 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 25 Szintillatorsonde (3) Vorteile: –sehr empfindlich, Hintergrund präzise messbar –kurze Reaktionszeiten –Je nach Bauart auch Energie bestimmbar Nachteile: –unhandlich ©

26 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 26 Folgen eines AKW-Unfalls Austreten von verschiedenen Isotopen: – 131 I (Jod-137, HWZ – 8,02 d) – 137 Cs/ 134 Cs (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 137 Cs in Pilzen (besonders in Maronenröhrling) –betroffen: Wildtiere, die Pilze fressen

27 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 27 Bodenbelastung durch Cäsium-137 im Jahr 2000 (Umweltbundesamt) Einheit kBq/m²

28 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 28 Becquerel-Monitor LB 200 Technische 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 137 Cs/ 134 Cs Messbereiche: –0,1 bis 9999 ips –1 bis 9999 Bq/l ©

29 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 29 Einfluss der natürlichen Radioaktivität auf die Messung Die meisten Lebensmittel enthalten Kalium mit dem natürlichen Radionuklid 40 K. Da der LB 200 kein Energiefenster besitzt, sondern oberhalb einer Schwelle von ca. 40 keV den gesamten Energiebereich misst, wird die Gamma-Strahlung des 40 K mit erfasst. Dabei ergibt 1 g Kalium pro Liter eine Anzeige von ca. 2 Bq/l, bezogen auf den Kalibrierfaktor für 137 Cs

30 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 30 Kaliumgehalt von Lebensmittel LebensmittelKaliumgehalt g K/kg Anzeige Bq/l Milch1,5 - 1,66,1 - 6,5 Magermilchpulver1664,8 Fisch2,5 - 4,510,1 - 18,2 Nüsse4,0 - 6,016,2 - 24,3 Pilze, frisch1,5 - 4,56,1 - 18,2 Pilze, getrocknet20,0 - 50, ,5 © Bedienungsanleitung Becquerel-Monitor LB 200

31 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 31 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

32 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 32 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 ( 40 K) –Bodenproben –Radonhältigem Wasser Vorsicht: Eichung ist für 137 Cs – nur hier richtige Anzeige (z.B.: bei Bodenproben)


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