Natürliche Radioaktivität

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1 Natürliche Radioaktivität 1 Motivation Seit dem Entstehen von Leben auf der Erde ist dieses ständiger ionisierender radioaktiver Strahlung auf Grund von Radioaktivität ausgesetzt. Zu dieser natürlichen Belastung hat sich in den letzten hundert Jahren die zivilisatorische Belastung gesellt, für den Menschen hauptsächlich durch die Medizin, in geringem Maße auch durch Kernwaffentests und die Kernenergienutzung. Es sollen einige Quellen der uns umgebenden radioaktiven Strahlung untersucht werden. Nach der Vermittlung physikalischer Größen des Strahlenschutzes soll mit der Gammaspektroskopie eine wichtige kernphysikalische Untersuchungsmethode kennengelernt werden. Gammastrahlung wird in der Regel nach einem Kernzerfall emittiert und kann sowohl zur Nuklididentifizierung wie auch zur Aktivitätsbestimmung genutzt werden. Es besteht die Möglichkeit, Proben aus Ihrer Umgebung (Gestein, Nahrungsmittel, alte Uhren...) mitzubringen und auf ihre eventuelle Radioaktivität zu überprüfen. Literatur Skript Grundlagen zum Versuch Natürliche Radioaktivität (Addendum zur Anleitung) Musiol/Reif/Seeliger/Ranft: Kern- und Elementarteilchenphysik, VCH, Kap. 5.5 und 9.1; Kleinknecht: Detektoren für Teilchenstrahlung, 2. Aufl., Teubner Studienbücher; T. Meyer-Kuckuk: Kernphysik, 4. Aufl., Teubner Studienbücher; H. Neuert: Kernphysikalische Messverfahren zum Nachweis für Teilchen und Quanten, Braun-Verlag, Karlsruhe 2 Fragen zur Vorbereitung:? Was sind die wichtigsten Quellen der radioaktiven Belastung des Menschen? Welcher Anteil entsteht dabei durch die zivilisatorische Nutzung der Kernenergie sowie durch die Nutzung ionisierender Strahlung in der Medizin?? Wie sind die Größen Aktivität, Energiedosis und Äquivalentdosis definiert?? Was versteht man unter Nukliden, Isotopen und Isobaren?? Welche Arten von Kerninstabilität gibt es?? Nennen Sie die wichtigsten Strahlungsarten der Radioaktivität!? Wie lässt sich γ-strahlung nachweisen? 141

2 NATÜRLICHE RADIOAKTIVITÄT? Machen sie sich mit den wichtigsten Prinzipien zum Nachweis radioaktiver Strahlung vertraut. Wie funktionieren Geiger-Müller-Zählrohr, Halbleiterzähler und Szintillationsdetektor? Mit welchen dieser Detektoren lässt sich die Energie von γ-strahlung bestimmen?? Wie funktioniert ein Sekundärelektronenvervielfacher (Photomultiplier)?? Was wird bei einem Energiespektrum aufgetragen? 3 Versuchsprinzip Es werden mit einem NaI-Szintillationsdetektor oder Germanium-Halbleiterdetektor die γ- Energiespektren verschiedener Proben aufgenommen. Mit einer Probe bekannter γ-energien lässt sich die Energiekalibrierung durchführen, womit Linien weiterer Nuklide identifizierbar sind. Aus dem Spektrum kann die Aktivität der Probe wie auch ihre potenzielle Dosisleistung (bei Kontakt oder Inkorporation) abgeschätzt werden. 4 Versuchsaufbau 4.1 NaI-Detektor Das Schema des Versuchsaufbaus ist in Abb..2 gezeigt. Die vom Szintillator nach Absorption der γ-quanten ausgesandten Lichtblitze treffen auf den Photomultiplier und reagieren dort auf der Photokathode (1) durch den Photoeffekt. Die dabei freigesetzten Elektronen werden durch die angelegte Hochspannung (im Versuch ca. 700 V) zur ersten Dynode (2) beschleunigt und setzen dort weitere (Sekundär-) Elektronen frei. Dies wiederholt sich, bis schließlich eine Elektronenlawine auf der Anode ein Signal auslöst. Alternativ kann ein Halbleiterdetektor verwendet werden: Eine massive PIN-Diode wird auf die Siedetemperatur von Stickstoff gekühlt und in Sperrrichtung unter Hochspannung gesetzt (ca. 2 kv). In den Kristall einfallende ionisierende Teilchen erzeugen Elektron-Loch- Paare, die von der angelegten Spannung abgesaugt werden. Die erzeugte Ladung jedes Pulses ist dann proportional zur deponierten Energie im Detektor. Die elektrischen Signale werden von einem Verstärker weiterverarbeitet (verstärkt und geformt) und dann auf den Eingang des Analog-Digital-Wandlers (ADC, Steckkarte im PC) gegeben, der es in eine digitale Zahl wandelt, die vom Computer in eine Häufigkeitsverteilung einsortiert wird (d.h. in ein Spektrum der Impulshöhen). 142

3 Messungen NaI-Kristall (thalliumaktiviert) a b PMT Impulse Verstärker a b - + Hochspannung Abbildung.1: Schema eines Sekundärelektronenvervielfachers(Photomultiplier) 5 Messungen Inkorporationsgefahr Um Inkorporationen von Blei oder Radioaktivität zu vermeiden, sind Essen und Trinken im Versuchsraum nicht gestattet. Nach Kontakt mit Blei die Hände waschen! In Folie eingeschlossene Proben nicht entnehmen! Aufgabe.I Messen Sie drei γ-energiespektren: Eine Probe Ihrer Wahl, eine Kalibrierungsprobe sowie den Untergrund innerhalb der Bleiabschirmung (Leermessung). Die Messzeit sollte jeweils 20 Minuten betragen, bei stärkeren Proben kann sie auch kürzer gewählt werden. Die Reihenfolge dieser Messungen kann beliebig sein, da nicht alle Proben mehrfach vorhanden sind. Eine Anleitung zur Bedienung des Messsystems finden Sie im Anhang. 143

4 NATÜRLICHE RADIOAKTIVITÄT grob fein grob fein grob fein Speicher CPU PMT ADC NaI Verstärker Hochspannung Abbildung.2: Versuchsaufbau: anschaulich (oben) und schematisch (unten) 5.1 Einschalten der Apparatur Hinweis Im Allgemeinen sind Hochspannungsversorgung und Verstärker bereits eingeschaltet und eingestellt, verständigen Sie sich also mit dem Assistenten, bevor Sie etwas einschalten oder verändern. Nur falls Sie ausdrücklich dazu aufgefordert werden: Vergewissern Sie sich, dass die Hochspannungsversorgung ausgeschaltet und auf 0 gestellt ist! Die Verstärkung sollte auf ein Minimum eingestellt sein (d.h. Coarse auf 10 und Fine auf 0.5) Netzspannungen einschalten Hochspannung HV an: Dazu Feststellknopf lösen, Schalter auf ein, oberen Drehschalter auf 500 V drehen, anschließend am mittleren Drehschalter auf 800 V hochschalten. Selbstständig Computer einschalten, Linux booten. Das Programm zur Aufnahme der Spektren wird mit dem Befehl histuegram auf der Kommandozeile oder durch Drücken des zugehörigen Icons (GammaMCA) gestartet. Hinweise zur Bedienung des Programms finden sich in Abschnitt Liste der Messproben Ein Becher mit Kaliumkarbonat: K 2 CO 3, m = 192g Eine Probe mit 22 Na-haltiger NaCl-Lösung Ein Glühstrumpf für Propangaslampen (in Folie) 144

5 Messungen ein kleines Stück Pechblende (UO 2 ) verschiedene Steine aus dem Schwarzwald Uranhaltiges Glas (sog. Annaglas) verschiedene Uhren mit radiumhaltigen Leuchtziffern Sand aus der Region Gomel (Weißrussland, 2004) Japanischer Reis aus dem Jahr Aufgaben Die folgenden Messungen können in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden, da insbesondere die Kalibrierungsproben K 2 CO 3 und NaCl nur jeweils einmal vorhanden sind. Die Messzeiten können variabel gewählt werden, empfohlen werden 20 min für die K 2 CO 3 - Probe, 5 min für die Leermessung, für die stärkeren Proben genügen meist 5 min. Die unterschiedlichen Messzeiten müssen bei der Subtraktion des Untergrunds berücksichtigt werden. Aufgabe.II Führen Sie die Kalibrierung durch Messung einer K 2 CO 3 -Probe durch, bei der Sie den Vollabsorptionspeak ( kev) und den β + Vernichtungspeak (511 kev) im Spektrum zuordnen können. Alternativ können Sie die Kalibrierung mit der 22 Na-Probe durchführen. 22 Na ist ein β + -Strahler. Sie finden neben dem β + Vernichtungspeak auch eine γ-linie bei 1275 kev. In allen Fällen finden Sie auch deutlich die Emission charakterischer Röntgenstrahlung aus der Bleiabschirmung, prominent ist die K α -Linie bei 77 kev. Aufgabe.III Messen Sie den Untergrund mit geschlossener Bleitür. Sie benötigen insbesondere bei der Messung schwacher Quellen dieses Leerspektrum, das sie vom Bruttospektrum subtrahieren müssen. Aufgabe.IV Nehmen Sie ein γ-spektrum von einer Probe Ihrer Wahl auf. 145

6 NATÜRLICHE RADIOAKTIVITÄT Aufgabe.V Bestimmen Sie die natürliche Dosisleistung im Praktikumsraum. Aus Gewichtsgründen kann die Bleiabschirmung nicht ohne weiteres entfernt werden. Daher ist ein Untergrundspektrum, welches 2 Stunden ohne Bleiabschirmung aufgenommen wurde, auf der Anleitungsseite unter Untergrundspektrum zur Aufgabe 4 abgespeichert. Analysieren Sie das Spektrum in der Auswertung (siehe Hinweise dort). 6 Auswertung Die Auswertung kann zum großen Teil mit dem Messprogramm während des Versuchstermins vorgenommen werden. Sie sollten aber auch alle gemessenen Spektren speichern, per , USB-Stick o.ä. nach Hause transferieren und dort mit einem Programm Ihrer Wahl (z.b. einem Tabellenkalkulationsprogramm) auswerten. Nähere Hinweise zum Messprogramm HisTueGram finden Sie im Anhang zu dieser Anleitung. Aufgabe.VI Kalibrierung: Die horizontale Achse ist zunächst nur in äquidistante Kanäle aufgeteilt, die γ-energien zugeordnet werden müssen. Da lediglich bekannt ist, dass ein linearer Zusammenhang E γ = E off + v c zwischen Kanalnummer c und der Energie E γ besteht, müssen die unbekannte Verstärkung v und der mögliche Energieoffset E off (hat elektronische Ursachen) aus Strahlern bekannter Energie bestimmt werden. Mit zwei bekannten Energien lässt sich bereits eine Kalibrierung durchführen, bei lediglich einer Energie wird E 0 = 0 angenommen. Der Menüpunkt Kalibrierung bietet zwei Möglichkeiten: Ein Kalibrierungspeak kann mit oder ohne Berücksichtigung des Untergrundes ermittelt werden. Die erste Variante empfiehlt sich, wenn der Peak auf einem stark abfallendem Untergrund sitzt. Aufgabe.VII Energiebestimmung: Bestimmen Sie die wichtigsten Peakenergien in der Probe Ihrer Wahl! Die Energiezuordung ist (sofern Sie weder Hochspannung noch Verstärkung geändert haben) identisch mit der Kalibrierungsprobe. Welche Nuklide können Sie identifizieren? Für besonders Sportliche: Unter der Adresse finden Sie NUDAT, die Datenbank für sämtliche bekannten γ Linien instabiler Nuklide. Wählen Sie dort den Punkt Deacy Radiation Search. Bei der Suche nach einem Nuklid geben Sie möglichst viele Einschränkungen an (γ-strahlung, Halbwertszeit, Massenzahl, Energieintervalle entsprechend der Auflösung, sinnvolle Intensitäten usw.), sonst erhalten Sie zu viele irrelevante Antworten. Da unsere Proben im Wesentlichen natürliches Uran bzw. Thorium oder 226 Ra (Leuchtziffern) enthalten, sollten auch diese Nuklide und die Tochterkerne in der jeweiligen Zerfallskette zu finden sein. 146

7 Auswertung Aufgabe.VIII Aktivitätsbestimmung: Vergleichen Sie gemessene und erwartete Aktivität von 40 K. Aus dem Spektrum der K 2 CO 3 Messung (abzüglich der Leermessung) bestimmen Sie die Anzahl der γ Quanten an, die aus dem Zerfall von 40 K stammen. Diese kann man vereinfacht durch Integration über das gesamte Spektrum ermitteln. Die erwartete Aktivität ergibt sich aus der Zerfallsgleichung, wenn man Halbwertszeit und Stoffmenge berücksichtigt. Wieviele 40 K Kerne zerfallen pro Sekunde, wieviele davon unter Aussendung eines γ-quants? Vergleichen Sie diesen Wert mit dem von Ihnen gemessenen. Woher kommt der Unterschied? Folgende Vorgehensweise ist empfehlenswert: Wieviel Mol K sind in 192 g K 2 CO 3 enthalten? Wieviele Atome sind dies? Der Anteil der radioaktiven 40 K Kerne am natürlichen Kalium Isotopengemisch beträgt Wieviele 40 K Kerne zerfallen pro Sekunde? (T 1/2 = a). Wieviele davon zerfallen unter Aussendung eines γ Quants? Wieviele Zerfälle haben Sie nachgewiesen? Welchem Prozentsatz des theoretischen Werts entspricht das? Was sind die Ursachen der Reduktion? Ein großer Teil der Ursachen kann quantitativ erfasst werden, so dass die Unsicherheit zum Schluss max. 50 % betragen sollte. Falls Sie zur Kalibrierung 22 Na verwendet haben, so lassen Sie sich das Kalium-Spektrum von Ihren Mitarbeitern geben. Aufgabe.IX Dosisabschätzung: Aus dem Spektrum untergrund.histo lässt sich die natürliche Strahlenbelastung (in msv/a) durch γ Strahlung bis ca. 2 MeV bestimmen. Gehen Sie dabei wie folgt vor: Die Messzeit betrug 2 Stunden, die Absorption des NaI Kristalls entspricht der menschlichen Gewebes (eine sehr grobe Annahme) Die nachgewiesene Gesamtenergie ergibt sich durch Summation über alle Kanäle: 1023 E = N i E i, wobei E i und N i die einzelnen Energien bzw. Inhalte der Kanäle sind. i=0 Ermitteln Sie zum Vergleich die zusätzliche Jahresdosis, wenn Sie die Probe Ihrer Wahl (z.b. die Armbanduhr) ständig am Körper tragen würden. Gehen Sie beim NaI-Detektor von 40 %, beim hpge-detektor von 2 % Nachweiswahrscheinlichkeit aus. Warum unterscheidet man im Strahlenschutz zwischen Ganzkörperdosis und Gewebedosis? Geben Sie an, welche Art von Dosis Sie ermittelt haben. 147

8 NATÜRLICHE RADIOAKTIVITÄT 7 Fragen zum Versuch? Wie ist die Einheit kev in SI-Einheiten definiert?? Wieso haben die im Versuch beobachteten Peaks eine Breite, d.h. warum werden nicht alle vollständig absorbierten γ Quanten einer ganz bestimmten Energie in einem ganz bestimmten Kanal gezählt? Erläutern Sie die physikalischen Ursachen der endlichen Breite! Was versteht man unter dem Begriff Halbwertsbreite? Ermitteln Sie für eine Gauß-Verteilung den Zusammenhang zwischen σ und der Halbwertsbreite (engl. FWHM, full width at half of maximum).? In einem frisch gereinigten radioaktiven Präparat wie z.b. Ra steigt die Aktivität zunächst an. Können Sie sich dieses Verhalten erklären?? Wie kann α, β, γ Strahlung abgeschirmt werden? Welche Rolle spielt die Energie dieser Strahlung? Welcher grundsätzliche Unterschied besteht in der Abschirmung von Teilchenstrahlung (α, β) und elektromagnetischer (γ) Strahlung? Wie kann man kosmische Strahlung abschirmen?? Wie gefährlich ist natürliche radioaktive Strahlung eigentlich? Schätzen Sie dazu die Zahl der Personen ab, die in Deutschland pro Jahr an Krebs durch natürliche radioaktive Strahlung in Deutschland erkranken. Stellen Sie dies der Gesamtrate an Krebserkrankungen gegenüber. Die stochastische Strahlenwirkung wird hier vereinfacht mit 1 Erkrankung pro 60 Sv angenommen (s.a. Anhang)? Warum sieht man beim Zerfall von 232 Th Linien bei 2615 kev, 2104 kev und 1593 kev? 8 Bedienung des Programms HisTueGram Das Programm HisTueGram, welches 2006 von Hanno Rein speziell für diesen Versuch entwickelt wurde, ist eine komfortable Software Version eines Vielkanalanalysators (MCA, multi channel analyser). Das Spektrum wird erstellt, indem die Signale (d.h. Zahlen), die vom ADC kommen, proportional zur Signalhöhe verschiedenen Kanälen zugeordnet werden und der entsprechende Kanalinhalt jeweils um eins erhöht wird. So entsteht während der Messzeit ein Spektrum der Energieverteilung der in diesem Zeitraum gemessenen γ Quanten. Diesen Vorgang kann man am Bildschirm mitverfolgen, alle 256 Ereignisse wird der Inhalt des Spektrums grafisch dargestellt. In der Versuchsanordnung ist der ADC mittels einer Steckkarte in den PC integriert. Die im Versuch verwendete Auflösung beträgt 1024 Kanäle, was für die intrinsischen Auflösungen der Detektoren völlig ausreicht. Der PC wird im Linux-Modus gebootet. Man meldet sich als Nutzer praktikum an, das Passwort wird Ihnen vom Betreuer mitgeteilt. Das Programm wird über ein Icon auf dem Desktop aufgerufen. Start Start einer Messung. Hier geben Sie lediglich die Messzeit ein, die weiteren Optionen sind speziellen Aufgaben vorbehalten. Stop (Vorzeitiges) Stoppen einer laufenden Messung. 148

9 Bedienung des Programms HisTueGram Zoom In Out Alles Zoomfunktionen. Haben Sie zuvor mit der linken Maustaste einen Spektrenbereich markiert, so wird bei Zoom in dieser Bereich dargestellt. Lineare Darstellung Hier können Sie zwischen linearer und logarithmischer Darstellung der Ordinate wählen. Kalibrierung Das Kalibrierungsmenü wird aufgerufen. Die Kalibrierungspunkte werden tabellarisch dargestellt mit Status, Energie, Kanalnummer, Beschreibung und Abweichung von der (linearen) Kalibrierungsfunktion. Peak finden (ohne Untergrund) hinzu: 1. Peaks mit gedrückter linker Maustaste markieren 2. Mit rechter Maustaste Menü aufrufen fügt einen neuen Kalibrierungspunkt (einen Peak) 3. Im Menü entsprechende bekannte γ Energie und Bezeichnung eingeben Peak finden (mit Untergrund) erfordert zusätzlich zunächst die Markierung von Untergrundbereichen links und rechts des Peaks. Um die Kalibrierung auf andere gemessene Spektren anwenden zu können, müssen Sie die Kalibrierungsfunktion abspeichern (im Menü Kalibrierung, das unkalibrierte Spektrum messen oder einlesen und anschließend die Kalibrierung wieder laden. Bei der Speicherung des Spektrums wird die Kalibrierungsfunktion mit abgespeichert, ebenso wird zu jedem Kanal die zugehörige Energie berechnet. Untergrund Ermöglicht den gemessenen Untergrund abzuziehen. Dabei werden unterschiedliche Messzeiten automatisch berücksichtigt, die gleiche Kalibrierung wird vorausgesetzt. Nach Abschluss der Messungen können Sie Ihre Spektren per verschicken. Die Dateien sind im ASCII-Format abgelegt, ein Tabellenkopf sieht zum Beispiel so aus: # HisTueGram # Aufnahme: Freitag 17. Juli :58:57 # Einstellungen # Messzeit (s): 600 # Totzeit: 0.04 % # Eichfunktion: f(x)= * x # # Kanalnummer TAB Ereignisse TAB Energie (laut Kalibrierung)