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

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

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

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

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

5 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-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 - AlphaBeta-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 - AlphaBeta-Monitor 7 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

8 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-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 - AlphaBeta-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 - AlphaBeta-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 - AlphaBeta-Monitor 11 Halbwertszeit (HWZ) (2) Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und spezifischer Aktivität IsotopHalbwertszeitspezifische Aktivität 131 I8 Tage Bq/mg 210 Po138,4 Tage Bq/mg 137 Cs30 Jahre Bq/mg 226 Ra1.602 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 - AlphaBeta-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 - AlphaBeta-Monitor 13 Strahlenbelastung (1) Durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung pro Jahr (Effektivdosis in mSv pro Jahr) ©

14 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 14 Strahlenbelastung (2) 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 40 K Radon (1600 µSv/a) –aus den drei Zerfallsreihen der Elemente Uran und Thorium gibt es 3 verschiedene Radonisotope – 222 Rn aus der 238 U-Zerfallsreihe: HWZ: 3,8d – 220 Rn aus der 232 Th-Zerfallsreihe: HWZ: 55s – 219 Rn aus der 235 U-Zerfallsreihe: HWZ: 4s – 222 Rn kann durch die längere Lebensdauer durch Risse in Keller strömen. –Radon ist zweithäufigste Ursache für Lungenkrebs nach dem Rauchen.

15 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 15 Strahlenbelastung (3) 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) = 10 15

16 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 16 Ortsdosisleistung in Österreich Aktuelle Messwerte aus dem Strahlenfrühwarnsystem

17 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 17 Energiespektren (Alpha) Die Alpha-Strahlung eines Isotops hat nur eine bestimmte diskrete Energie. ©

18 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 18 Alpha-Strahler alpha-strahlende Radionuklide: 210 Po, 226 Ra, 232 Th

19 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 19 Beta-Strahler rein beta-strahlende Radionuklide: 3 H, 14 C, 32 P, 35 S, 89 Sr, 90 Sr, 99 Tc, 131 I 90 Sr (HWZ: 28,78 a) entsteht bei allen Kernspaltungen (AKW und A-Bomben) –Chernobyl-Unfall: Freisetzung von PBq –wird in Knochen abgelagert (Ähnlichkeit mit Kalzium)

20 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 20 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.

21 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 21 Wechselwirkungen mit Materie (2) Abschirmung von Strahlungsquellen © Wikimedia Commons Papierblatt Aluminiumplatte

22 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 22 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)

23 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 23 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

24 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 24 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 ( 222 Rn)Alpha-Strahler –Rauchen – Polonium ( 210 Po)Beta-Strahler

25 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 25 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

26 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 26 Szintillatorsonde Schemata: © Wikimedia Commons

27 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 27 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 – km² –ca 1,1 PBq Kontamination

28 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 28 Freisetzen von Heißen Teilchen ©

29 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 29 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.

30 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 30 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

31 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 31 Geeignete Verfahren zu HP-Identifikation © D. Lux, Bundesamt für Strahlenschutz,Institut für Strahlenhygiene, Oberschleißheim x geeignet 0 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

32 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 32 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).

33 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 33 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

34 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - AlphaBeta-Monitor 34 Praktische Übungen (Kurz-) Bedienungsanleitung durchlesen Praxisaufgabe: (Übungsblatt verwenden) Aktivitätsmessungen von verschiedenen Proben: –Thorium-Glühstrumpf –Co-60 Messprobe


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