Radioökologie und Strahlenschutz Vorlesung FHH: SS 2010 Ulrich J. Schrewe Themen: Anwendung kernphysikalischer Messverfahren in der industriellen Messtechnik Eigenschaften ionisierender Strahlung Strahlungswirkung - Strahlenschutz

Inhaltsverzeichnis 1. Atome, Bausteine der Materie 2. Grundlagen zum Atomaufbau 3. Basiswissen Kernphysik 4. Röntgenstrahlung 5. Strahlungswechselwirkung 6. Strahlungsnachweis

Kapitel 6 Strahlungsnachweis Präsentation mit Microsoft PowerPoint Kopie des Unterrichtsmaterials in: userid@www.stud.fh-hannover.de/ VOL1/DOCS/MBAU/SCHREWE oder besser www.stud.fh-hannover.de/~schrewe Fragen (jederzeit) auch per e-mail: ulrich.schrewe@fh-hannover.de

Ionisation in Gasen Geladene Teilchen p können durch Stoßionisation mit einem Gas-atomen X Elektronen freisetzen. Der Nachweis ionisierender Strahlung beruht im allgemeinen auf Messung der durch die Strahlung erzeugten elektrischen Ladung. Reaktionsgleichung: X + p  X+ + p + e- Reaktionswirkungsquerschnitte:  ~ 10-16 cm2 entsprechend R ~ 0,1 nm Die Ionisationspotentiale für Gasatome liegen zwischen 10 und 20 eV. Bei der Bremsung geladener Teilchen in Gasen ist die mittlere Energie zur Erzeugung eines Ionenpaares W/e mit ca. 30 eV jedoch höher, da neben der Ionisation auch Anregung auftritt. W/e hängt nur wenig von der Energie des Teilchens ab. In trockener Luft gilt: W/e = 33,97 eV

Ionisationskammern Eine sehr einfache und trotzdem sehr genaue Methode zum Nachweis von Strahlung ist die Messung des Ionisationsstroms in einem Plattenkondensator. Geladene Strahlungsteilchen erzeugen Ionisationen entlang ihrer Bahnspur. Legt man die Spannung U an die im Abstand d befindlichen Platten des Kondensators, so entsteht eine elektrisches Feldstärke E = U/d, die positive und negative Ionisationsprodukte trennt. Negative Elektronen wandern zum + Pol, positive Ionen zum - Pol des Kondensators. Es fließt ein messbarer elektrischer Strom. d U

Energiedosis Louis H. Gray 1905 - 1965 Basisgröße der Dosimetrie: Die Energiedosis D („absorbed dose“) in einem bestimmten Punkt eines ionisierenden Strahlungsfeldes ist die pro Masseneinheit durch ionisierende Teilchen übertragene Energie. Rin ist die in ein Volumenelement eintretende, Rout die aus dem Volu-menelement austretende Energie, die Summe der Änderungen. Die Einheit „Gray" ist: 1 Gy = 1 J/kg (alte Einheit "Rad" : 1Gy = 100 rd) mit Neben der Energiedosis D existiert die Größe "exposure" X. Einheit: 1 Röntgen = 1 R In Deutschland verwendete man nicht „exposure“ sondern die etwas anders definierte „Standard-Ionendosis“ JS. Es gilt bei trockener Luft: 1R ~ 0,01 Gy (Trotz unterschiedlicher Definition gilt: X = JS für Zahlenwert und Einheit)

Präzisionsmessung von Js Beispiel: Ionisationskammer V Dosisleistung ist proportional zur Stromstärke:

Freiluftkammer der PTB Elektrodendurchmesser: 40 cm; Hochspannung: 3 kV; Energiebereich: 30 kV – 300 kV; Bezugsvolumen: V = 2,5 – 180 cm3; Leckstrom: < 50 fA; Unsicherheit: 0,64%.

Ionisationskammer für die Medizin Ionisationskammern (Hohlraumsonden) sind zuverlässige und sehr genaue Instrumente zur Dosisbestimmung in der Medizin. Sehr gute Reproduzierbarkeit ( < 10-3) bei hoher Strahlungsdosis Kompaktkammer (Fingerhutkammer) Kondensator-kammer Flachkammer Quelle: http://www.ptw.de/radiation_therapy.html

Ionisationskammer Strahlenschutz Hochdruckionisationskammer (Bereich 0 - 10 R/h) Größe: 12" (30 x 30 x 30 cm) Konstante Nachweiswahrscheinlichkeit von 0.07 bis 10 MeV Unsicherheit +/- 5% bei Untergrundstrahlung HPIC Druck: 25 at reines Argongas Isotropes, sehr großes Ansprechvermögen, sehr zuverlässig, auch unter extremen Umgebungsbedingungen. Ionisationskammer (0,1mR/h - 50 R/h) Volumen: 0,5 l Konstante Nachweiswahrschein- lichkeit von 0.02 bis 1,3 MeV Unsicherheit +/- 10% Luft bei Atmosphärendruck

Ionisationskammer Strahlenschutz Ortsdosisleistungsmessgerät mit Ionisations-kammer Vorteil: Großer dynamischer Bereich. Geringe Energieabhängigkeit. Anwendung: Gepulste Strahlenquellen. Luftionisationskammer mit V = (515±10) cm3 Wandstärke: 0.007 g/cm2 aus gewebeäquivalentem Material zur Bestimmung der Dosis direkt unter der Haut (D‘(0.07), H’(0.07). Empfindlichkeit: 4.8·10-12 A pro mGy/h; Untergrundanzeige: 0.6 μGy/hEnergiebereich: 8 keV bis 2 MeV. Weitgehend isotropes Ansprechvermögen.

Proportionalzählrohr Bei geringen Strahlungsintensitäten ist es vorteilhaft, die primär erzeugte Ionisationsladung zu verstärken. In Zähldrahtnähe bewirkt die große elektrische Feldstärke (hohe Feldliniendichte) eine Ladungsvervielfachung durch Lawineneffekt. Elektrische Feldstärke beim zylindrischen Kondensator E(r)   wenn r  0

Prinzip der Gasverstärkung Bei hoher Betriebsspannung und dünnem Zähldraht kann durch die große elektrische Feldstärke in der Nähe des Zähldrahtes eine Ladungslawine erzeugt werden. In einem Bereich dicht um den sehr dünnen Zähldraht ist die Feldstärke so groß, dass die primär gebildeten Elektronen durch Stoßionisation weitere Elektronen erzeugen können. Die so gebildeten sekundären Elektronen werden erneut beschleunigt und erzeugen dann ihrerseits wieder neue Elektronen. Man erhält ein exponentielles Anwachsen der elektrischen Ladung.

Eigenschaften von Gasdetektoren Ionisationskammer Proportionalzähler Geiger-Müller-Detektor

Dosimeter mit Proportionalzählern Foto: U. Ankerhold@ptb.de Bildnachweis: z. T. Internetauftritt gezeigter Unternehmen

Geiger-Müller-Zählrohr Das Geiger-Müller-Zählrohr ist ein im Auslösebereich betriebener Gasdetektor. Die elektrische Ladungsmenge, die nach einem Strahlungsereignis erzeugt wird, ist unabhängig von der Teilchenart und der Energie. Quelle: http://www-med-physik.vu-wien.ac.at/physik/ws95/w9590dir/w9596000.htm Kennlinie des Geiger-Müller-Zählrohrs: Man misst die Zählrate als Funktion der Spannung. UE ist die Einsatzspannung, UP der Propor-tionalbereich. Man betreibt das Zählrohr im Plateau und meidet den Übergang zur Glimm-entladung. Quelle:http://www.tu-chemnitz.de/physik/FPRAK/F-Praktikum/Versuche/vgeiger.pdf

Dosimeter mit GM-Zählrohr Bildnachweis: z. T. Internetauftritt gezeigter Unternehmen Foto: U. Ankerhold@ptb.de Foto: U. Ankerhold@ptb.de

Szintillationsdetektor Einige Einkristalle, zum Beispiel NaJ mit einer geringen Beimischung Tl können durch geladene Teilchen zum Leuchten angeregt werden. Das im Kristall entstandene Licht kann anschließend nachgewiesen werden. Die Dotierung mit Tl ist entscheidend für Lichterzeugung Plastikszintillator NAJ(Tl) Mit Hilfe eines Photomultipliers kann aus dem Licht des Szintillators ein elektrische Signal gewonnen werden. Photomultiplier http://de.wikipedia.org/wiki/Photomultiplier

Prinzip des Photomultiplier

Szintillationsdetektor Szintillationsdetektor für den Einsatz im industriellen Bereich. Das gezeigte Modell ist vollständig gekapselt und kann zusätzlich mit Wasser gekühlt werden.

Wechselwirkung im Szintillator Häufig wird ein Szintillator zum Nachweis von -Strahlung (Photonen) benutzt. Photonen selbst können jedoch kein Licht im Szintillator produzieren. Sie erzeugen geladene Sekundärteilchen im Szintillator, die dann den Nachweis ermöglichen. Die -Strahlung kann durch Photo-, Comp-ton- oder Paarbildungseffekt wechselwirken und geladene Teilchen (Elektronen) erzeugen. In den spektralen Energieverteilungen können die verschiedenen Effekte dann weitgehend getrennt beobachtet werden.

NaJ-Spektrum Spektrale Energieverteilung des 60Co Photopeak: E =1173 keV Spektrale Energieverteilung des 60Co Photopeak: E =1333 keV Comptonverteilung Zerfallsschema des 60Co

Weitere Szintillatoren Man verwendet auch andere anorganische Szintillationskristalle: NaJ(Tl), CsJ(Tl), LiJ(Eu) sowie: Bismutgermanat (BGO) - Bi4Ge3O12 Bleiwolframat (PWO) - PbWO4 Lutetiumoxyorthosilicat (LSO) - Lu2SiO5 Zinksulfid - ZnS organische Festkörperszintillatoren: Anthrazen, Naphtalen und flüssige Szintillatoren: p-Terphylen in Xylol Flüssige Szintillatoren können auch einem Plexiglas zugemischt werden. Es entsteht ein dem Plexiglas sehr ähnlicher Werkstoff, der Plastikszintillator genannt wird.

Ionisation in Festkörpern Quelle: http://www.halbleiter.org/grundlagen/leiter/ Strahlungswechselwirkung in Festkörpern kann im Bändermodell erklärt werden. Diskrete Energieniveaus einzelner Atome werden durch die Wechselwirkung zu breiten Energiebändern. Die Energie-bänder der äußeren Elektronen erstrecken sich dann über den gesamten Festkörper. Ist ein Valenzband leer oder nur teilweise gefüllt, können sich die Elektronen bewe-gen. Ist es voll besetzt, sind die Elektronen an die Atome gebunden und nicht verschiebbar.

Elektrische Leitfähigkeit Nichtleiter/Isolatoren: Valenzband und Leitungsband sind durch eine Bandlücke getrennt, die so groß ist, dass sie nur mit erheblichem Energieaufwand überwunden werden kann. Halbleiter: Valenzband und Leitungsband sind zwar ebenfalls getrennt, aber sowohl die Temperaturbewegung der Elektronen, als Stöße mit geladenen Teilchen können Elektronen aus dem Valenz- ins Leitungsband befördern. Elektrischer Leiter: Das Valenzband ist entweder nur teilweise gefüllt oder es überlappt mit einem leeren Leitungsband. Quelle: http://www.halbleiter.org/grundlagen/leiter/

Halbleiterdetektoren In Sperrrichtung gepolte Dioden bilden einen Kondensator. Sie sind mit den Gasionisationskammern vergleichbar: Festkörper-ionisationskammer Das Kondensator-Volumen ist ein Festkörper.

Halbleiterdetektoren Vorteile des Halbleiterdetektors verglichen mit einer Gasionisations kammern: 1. Die mittlere Energie zur Bildung eines Ion-Elektron-Paares ist erheblich kleiner, 2 - 4 eV in Si- bzw. Ge-Halbleiter im Vergleich zu 30 - 40 eV in Gas. Deshalb werden mehr primäre Elektronen erzeugt. Die insgesamt erzeugte elektrische Ladung pro Strahlungsquant einer bestimmten Energie ist im Festkörper mehr als 10 mal größer als im Gas. Folge: Halbleiter haben eine erheblich bessere Energieauflösung als Gasionisationskammern oder Szintillatoren. 2. Die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung ist dichteabhängig und deshalb im Festkörper erheblich (1000mal) höher, als in Gasen. Folge: Die Nachweiswahrscheinlichkeit ist viel höher.

Aufbau der Halbleiterdetektoren

Vergleich Der Vergleich von Ge-Detektor mit einem NaJ(Tl)-Detektor zeigt: Die Photolinien der -Strahlung sind beim Ge-Detektor erheblich schmaler. Energie und Intensität der -Strahlung können somit besser bestimmt werden. Halbleiter eignen sich deshalb besonders gut für die Unter-suchung der komplexen nuklid-spezifischen -Strahlung.

Vergleich Die -Spektren verschiedener Isotope können eindeutig zugeordnet werden, sofern man, wie beim Ge-Detektor, die unterschiedlichen Linien auflösen und trennen kann. Auch in Mischungen aus verschiedener Isotope kann praktisch immer eine eindeutige Nuklidzuordnung gefunden werden. Nachweisgrenze für Aktivitäten bis zu ~ mBq (milli Becquerel). Vergleich von NaJ- und Ge-Detektor am Beispiel des 110Ag und 110mAg

Aktivitätsmessplatz

Aufbau verschiedener Ge-Detektoren

Stabdosimeter Älterer Typ eines Personendosimeters zur direkten Dosisablesung: Messprinzip: Entladung eines elektrisch aufgeladenen Kondensators. Anwendung: Besucher, persönliche Kontrolle

Elektronisches Dosimeter Modernes elektronisches Personendosimeter: Sehr vorteilhaft zur direkten Dosis-ermittlung in Bereichen mit kritischer Ortsdosisleistung. Einfache und sichere Bedienung. Digitale Direktanzeige der Dosis und der Dosisleistung.

Amtliches Personendosimeter Strahlenexponierte Personen müssen im Kontrollbereich ein amtliches Personendosimeter tragen. Die Dosis wird monatlich von einer zugelassenen Auswertestelle ermittelt und in einem zentralen Dosisregister erfasst.

Personendosimeter für Neutronen Bei Arbeiten und Tätigkeiten unter Neutronenstrahlung sind spezielle Personendosimeter erforderlich, da die normalen Filmdosimeter die Dosis der Neutronen nicht korrekt nachweisen können.

Ortsdosisleistungs- messgerät (ODL) Ortsdosisleistungsmessgeräte mit Geiger-Müller-Zählrohr (oben) und mit Szintillator (rechts). Anwendung: Überprüfung im Labor, Untersuchungen in der Nähe von Strahlungsquellen

Ortsdosisleistungs- messgerät (ODL) Ortsdosisleistungsmessgerät (ODL) mit Proportionalzählrohr. Vorteil: Sehr hohe Empfindlichkeit, hohe Genauigkeit. Anwendung: Umgebungsüberwachung, Umweltdosimetrie.

Ortsdosisleistungs- messgerät (ODL) Ortsdosisleistungsmessgerät (ODL) mit Ionisationskammer. Vorteil: Großer dynamischer Bereich. Geringe Energieab-hängigkeit. Messung basiert auf Strommessung. Anwendung: Gepulste Strahlenquellen.

Neutronendosimeter Ortsdosisleistungsmessgeräte (ODL) für Neutronenstrahlung.

Kontaminations- monitor Vorteil: Großer empfindliche Fläche, dünnes Eintrittsfenster. Anwendung: Labor, Überprüfung von Räumen und Gegenständen auf radioaktive Kontamination.

Hand-Fuß-Monitor Das Messsystem besteht aus einer Kombination verschie-dener Kontaminationsmonitore Anwendung: Eingangsbereiche von Laboratorien, in denen mit offenen radioaktiven Stoffen umgegangen wird. Überprüfung von Personen auf radioaktive Kontamination.