Messung von spezifischer Aktivität, Dichte und Feuchte Fachhochschule Hannover University of Applied Sciences and Arts Fachbereich Maschinenbau Radioökologie und Strahlenschutz (Isotopenlabor) Prof. Dr. Ulrich J. Schrewe Messung von spezifischer Aktivität, Dichte und Feuchte Versuchsaufbau Die Plexiglassäule im Erdgeschoss des Isotopenlabors besteht aus sechs Hohlzylindersegmenten (Durchmesser außen: 30 cm, innen 8 cm, Höhe: 50 cm), die mit natürlichen und industriellen Stoffen befüllt sind. Der Innenzylinder wird im ersten Stockwerk des Gebäudes durch ein mit Kies befülltes Fass geführt. Während des Laborversuchs kann zusätzlich Wasser in das Fass gefüllt werden. Der Innenzylinder kann vom oberen Stockwerk aus mit Messsonden beschickt werden. Die Segmente enthalten von unten nach oben: Spielsand, uranhaltiges Haldenmaterial aus dem Erzgebirge (Zeche „Wismut“), Kalidünger, Quarzsand, Zirkonsand und Erz aus dem Oberharz (Zeche „Roter Bär). Fast alle natürlichen Stoffe enthalten Radioaktivität. Man unterscheidet primordiale („von Anfang an“ vorhandene, z. B. 238U: T1/2 = 4,5·109 a, 235U:T1/2 = 0,7·109 a, 232Th:T1/2 = 14·109 a, 40K : T1/2 = 1,3·109 a), kosmogene (durch kosmische Strahlung ständig neu gebildete, z. B. 3H: T1/2 = 12 a, 14C: T1/2 = 5730 a, 7Be: T1/2 = 53 d) und anthropogene (durch menschliche Aktivitäten erzeugte, z.B. 137Cs: T1/2 = 30 a, 134Cs: T1/2 = 2 a, 90Sr: T1/2 = 29 a ) Radioaktivität. In den Füllstoffen der Säulensegmente dominieren primordiale radioaktive Isotope. Die Radioaktivitätsmessungen demonstrieren, dass die Aktivität in natürlichen Materialien stark variieren kann. Messungen mit der Neutronensonde ermöglichen einen Nachweis des Wassergehaltes. Messungen der -Rückstreuung erlauben eine Dichtebestimmung. Bohrlochsondierungen mit Kernstrahlungssonden (-Sonden, Neutronensonden, Dichtesonden,...) werden bei der Rohstoffexploration, in der Bodenkunde, im Bauwesen und im Umweltschutz eingesetzt, um Schichtenfolgen, Gesteins- und Bodenarten sowie Dichte- und Feuchtigkeitsgehalt zu bestimmen. Messungen mit der -Sonde Messung der -Radioaktivität: Mit einem 2“·2“ großen NaJ-Kristall werden alle Impulse über der Rauschschwelle gezählt. Ergebnis: Die Untergrundrate (kosmische Strahlung und Radioakti-vität aus Boden, Gebäudewänden und Luft) beträgt 30 s-1. Die Zähl-rate in der Säule variiert zwischen 15 s-1 (Wasserfass) und 3500 s-1 (mit „Pechblende“-Brocken versetztes Haldenmaterial der „Wismut“). Wegen der geringen Eigenaktivität und der Abschirmungswirkung des Wassers ist die Anzeige im Zentrum des Fasses nur halb so groß wie bei normalem Raumuntergrundes. In den anderen Säulen-segmenten erzeugen radiaktive Kontaminationen der Füllstoffe deut-liche Intensitätsanstiege. Sehr hohe Werte findet man im Zirkon-sand (ZS) und im Uranerz (HW) der Zeche „Wismut“. Auch Kali-dünger (KD) und das Erz (RB) der Zeche „Roter Bär“ sind kontaminiert, während Spielsand (SS) und reiner Quarzsand (QS) kaum Radioaktivität enthalten. Wegen der großen Durchdringungs-fähigkeit der -Strahlung ist die Abgrenzung der Säulensegmente gering. Messungen mit der n-Sonde Neutronensonden sind empfindlich für leichte Elemente, besonders für Wasserstoff. Man verwendet sie zur Feuchtemessung. Prinzip: Kombination aus einer Strahlungsquelle für schnelle Neu-tronen und einem Detektor, der nur langsame Neutronen regis-triert und für andere Strahlungsarten (e--und -Strahlung) völlig un-empfindlich ist. Leichte Elemente in der Umgebung von Quelle und Detektor (besonders Wasserstoff) bremsen die schnellen Neutronen sehr effektiv (Moderation) und erhöhen die Detektorzählrate. Ergebnis: Das n-Sondenprofil zeigt keine Beeinflussung durch die -Radioaktivität. Die Zählraten innerhalb der Säule variieren um ca. zwei Größenordnungen: Die Minima liegen im Quarz- (QS) und im Spielsand (SS) und im Bereich zwischen Säule und Betondecke. Das Erz (RB) der Zeche „Roter Bär, der Kalidünger (KD) und der Beton (B) in Decke und Boden zeigen deutliche Intensitätserhöhun-gen, da sie Wasserstoff in Form von Wasser oder anderen chemi-schen Verbindungen. Das Zählratenmaximum liegt in der Mitte des Wasserfasses (WF). Erkennbar ist, dass bereits 10 cm unterhalb des Randes der Bereich konstanter Intensität erreicht wird. Die effektive Moderationswirkung durch Wasserstoff zeigt sich auch im unteren Bereich der Säule: Bereits 1 cm dicke Plexiglasplatten (PL) zwischen den einzelnen Säulensegmente erzeugen eine erkennbare Anzeigenerhöhung. Nachweis von - und Neutronenstrahlung - und Neutronenstrahlung sind elektrisch neutral. Sie können beide nicht direkt, sondern nur indirekt nach Wechselwirkung und Erzeugung elektrischer Sekundärteilchen nachgewiesen werden. -Strahlung reagiert mit Atomhüllenelektronen und kann die Energie vollständig oder teilweise übertragen. Im NaJ-Kristall erzeugt die Abbremsung der Sekundärelektronen Licht, das mit einem Photomultiplier in elektrische Impulshöhen umgewandelt wird. Neutronen reagieren nur mit dem Atomkern. Bei der Reaktion: 3He + n  3H + p erzeugen langsame (thermische) Neutronen zwei geladenen Wasserstoffionen (3H+ und 1H+) mit einer kinetischen Energie von 765 keV, die mit einem Proportionalzählrohr nachgewiesen werden. Inhaltliche Verantwortung: Prof. Dr. Ulrich J. Schrewe, Tel.: 0511/9296 1359 ulrich.schrewe@hs-hannover.de Dipl. Ing. Werner Freche, Tel: 0511/9296 1358 werner.freche@hs-hannover.de