How To Read A Powerline

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Gotthilf Hochberg
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1 5 γ- Spektrometrie Nuklididentifikation Aktivitätsmessungen

2 5.1 γ - Spektrometrieplatz Probe Detektor Vorverstärker Bildschirm Kryostat Hauptverstärker Impulshöhenanalysator Oszilloskop Drucker

3 5.1.1 Spektrometerkomponenten

4 5.1.2 Detektor mit Bleiabschirmung 1 2 Halbleiterdetektor Dewar mit flüssigem Stickstoff 3 3 Bleiabschirmung (Abschirmung gegen Umgebungsstrahlung) 1 2

5 5.1.3 AD - Wandler Impulshöhenhistogramm MCA

6 AD - Wandler Animation analog digital Spectrum der Analog-Signale Addresszähler

5.1.4 NIM Elektronik von ORTEC 1 2 3 1 2 3

7 5.1.4 NIM Elektronik von ORTEC Hochspannungsversorgung Hauptverstärker für Ortec Ge Detectors Analog Digital - Wandler

5.1.5 NIM Elektronik von CANBERRA 1 2 3 1 2 3

8 5.1.5 NIM Elektronik von CANBERRA Signalhöhe CANBERRA Research Amplifier Mod 2025 AFT A/D Wandler

9 5.1.6 Datenaufnahme

10 5.1.7 γ-spektrum mit Ge - Detektor Photonenintensität [cps] backscattering peaks COMPTON continuum Photopeak Pairpeak Detector: Ge Photonenenergie [MeV]

11 5.1.8 γ-spektrum mit Szintillationszähler Photonenintensität [cps] backscattering peaks COMPTON continuum Photopeak Pairpeak Detector: NaI (Tl) Photonenenergie [MeV]

12 5.1.9 Spektrenvergleich Photonenintensität [cps] Ge: NaI(Tl) höhere Auflösung höhere Anschaffungskosten technisch anfälliger höhere Empfindlichkeit besser für mobile Einsätze Photonenenergie [MeV]

13 Zerfallsdiagram Co-60 (III)

14 Na-24 Gammaspektrum

15 5.2 Spektroskopische Grundbegriffe Untergrund X Nachweisgrenze NG = X± 3σ Wahrscheinlichkeit, daß das Signal keine Rauschen ist: 50 % Erfassungsgrenze EG = X± 6σ Wahrscheinlichkeit, daß das Signal keine Rauschen ist: 99,7 % Bestimmungsgrenze Präzise Messwertbestimmung BG = X± 12σ

16 5.3 Nuklididentifizierung z.b. I-131 Ordnungszahl I (Z = 53) Atomgewicht I-131 Physikalische HWZ 8,02 d Zerfallsart beta zu Xe-131 Betaenergie 0,971 MeV Gammaenergie 0,365 MeV Aktivität

17 5.3.1 Nuklidbestimmung Messungen Einkanalmessungen Mehrkanalmessungen γ - Spektrometrie Halbleiterdetektor (Ge) Szintillationszähler NaI(Tl ) Nachweisgrenzen g Co g Mn g As

18 5.3.2 γ Spektrometrie Nuklididbestimmung 1. Kalibrierung Kanal-zu-Energie-Umwandlung Kalibrierstandards: Co-60 E1 = 1332,50 kev E1' = 1173,24 kev Cs-137 E2 = 661,66 kev 2. Untergrundmessung Spektrum ohne Probe 3. Spektenaufnahme Impulshöhenhistogramm (Intensitäten, Energien) 4. Spektrenauswertung Vergleich mit Nuklidbibliotheken

19 Spektrum der Energiekalibrierstrahler

20 Ge vs. NaI(Tl) Detektor Cs-137

21 Co-60 Spektrum

5.3.3 Spektrum von Natururan http://de.wikipedia.org/w/index.php?

22 5.3.3 Spektrum von Natururan

23 5.3.4 Peak Halbwertsbreite

24 5.3.5 Gestreckte Peaks

25 5.3.6 Tee Spektrum

26 What is the Cs-137 Activity of this Tea?

27 5.4 Aktivitätsbestimmung Es wird grundsätzlich die Aktivität eines bekannten Nuklides bestimmt! 1. Kalibrierung der Energiekanäle 2. Bestimmung der Detektoreffizienzkurve 3. Kalibrierung der Intensität 4. Bestimmung der unbekannten Aktivität

28 5.4.1 Aktivität Aktivität eines Radionuklids: A( t) A e ln 2 t t = 1/ 2 0 A(t) Aktivität zur Zeit t A 0 Aktivität zur Zeit t=0 t 1/2 Halbwertszeit des Nuklids Einheit: 1 Bq = 1 Zerfall pro Sekunde = s -1 3, Bq = 1 Curie (Ci)

29 5.4.2 Labornuklide Strahler Nuklid Aktivität Lambda Halbwertszeit 302 Cs-137 t 0 = A 0 = 1,85E+07 Bq 6,3174E-05 1,0972E+04 days t 1 = A= 6,27 MBq days= Cs-137 t 0 = A 0 = 1,85E+07 Bq 6,3174E-05 1,0972E+04 days t 1 = A= 6,27 MBq days= Co-60 t 0 = A 0 = 7,40E+04 Bq 3,6001E-04 1,9254E+03 days t 1 = A= 0,2 kbq days= Sr-90 t 0 = A 0 = 1,11E+05 Bq 6,6031E-05 1,0497E+04 days t 1 = A= 37,61 kbq days= Sr-90 t 0 = A 0 = 2,90E+05 Bq 6,6031E-05 1,0497E+04 days t 1 = A= 100,66 kbq days= Sr-90 t 0 = A 0 = 1,90E+06 Bq 6,6031E-05 1,0497E+04 days t 1 = A= 643,78 kbq days= Ra-226 t 0 = A 0 = 3,70E+05 Bq 1,1861E-06 5,8440E+05 days t 1 = A= 362,72 kbq days= 16755

30 5.4.3 Kalibrierstrahler TB877 Daten Referenzdatum Nuklid E [MeV] p t 1/2 [d] A 0 Y-88 1,8360 0, , ,0000 Co-60 1,3330 0, , ,0000 Co-60 1,1730 0, , ,0000 Y-88 0,8980 0, , ,0000 Cs-137 0,6620 0, , ,0000 Sr-85 0,5140 0, , ,0000 Sn-113 0,3920 0, , ,0000 Hg-203 0,2790 0, , ,0000 Ce-139 0,1660 0, , ,0000 Co-57 0,1220 0, , ,0000 Cd-109 0,0880 0,04 463, ,0000

31 5.4.4 Kalibrierstrahler TB877 Spektrum

32 5.4.5 Nuklidaktivität Energiekalibrierung Effizienzkalibrierung ε = R = N T R A p 100 A = A e t t 1/ 2 0 ln 2 ε = Nachweisempfindlichkeit, efficiency N = Nettofläche T = Messzeit (live) R = γ - Emissionsrate p = γ - Übergangswahrscheinlichkeit A = Aktivität des Kalibrierstandards A 0 = Aktivität des Kalibrierstandards bei t=0

33 5.4.6 Kalibrierstandard GG 999 Referenzdatum: (12:00) Nuklid γ-energie [kev] p [%] t 1/2 [d] Aktivität [kbq] γ Emissionsrate [Bq/s] Ba ,00 356,02 0,3411 0, , Co ,06 0, ,84 2, Ce ,85 0, ,65 1, Sr ,01 0,984 64,85 10, Cs ,66 0, , Mn ,84 0, ,3 3, Y , ,06 0,946 0, ,66 4, Zn ,55 0, ,26 10, ml

34 5.4.7 Kalibrierstandard DG 824 Referenzdatum Nuklid γ-energie p t 1/2 Aktivität γ Emissionsrate [kev] [%] [d] [kbq] [Bq/s] Am ,54 0, , Cd ,03 0, ,00 17,2 633 Co ,06 0, ,84 0, Ce ,85 0, ,65 0, Hg ,2 0,813 46,612 1, Sn ,69 0, ,1 2, Sr ,01 0,984 64,85 2, Cs ,66 0, , Co ,24 0, ,5 3, ,5 Y , ,06 0, ,946 0,9924 3,57 106,66 4,81 4,

35 Kalibrierstandardspektrum 1

36 Kalibrierstandardspektrum 2 Cs-137

37 5.4.8 Kalibrierkurve Efficiency ε Cd-109 Co-57 Am-241 Ce-139 Hg-203 Sn-113 Sr-85 Cs-137 Y-88 Co-60 Y-88 Photonenenergie [MeV]

38 5.4.9 Aktivitätsberechnung Energiekalibrierung Effizienzkalibrierung Aktivität einer unbekannten Probe A u = N u 100 Tu ε p

39 5.5 Berechnung der Aktivität von KCl kg kbq m K t M M p N m A KCl Cl K K A KCl KCl / 16, ,28 ln(2) 35,453 39, , ,022 40) ( ln(2) /

40 6 Neutronenaktivierungsanalyse Zerstörungsfrei Materialanalysen Qualitätssicherung

41 6.1 Aktivierungsarten Aktivierung durch Neutronenquellen, z.b. Cf-252 t 1/2 = 2,638 a 96,8 % α und 3,1 % sf 3,8 n / sf 2, Neutronen / s. g Moderator Spaltprodukte Kernreaktoren Spaltprodukte Beschleunigte Teilchen O( p, α) N( λ, n) N Hochenergetische Photonen N σ ~ 1 mbarn

42 6.1.1 Nullleistungsreaktor SUR 100 Kern Neutronenquelle Steuerstab Moderator Gamma-Abschirmung Neutronen-Abschirmung Neutronendetektor

43 6.1.2 Thermische Neutronenaktivierung Wirkungsquerschnitte σ n,th [barn] Mn-55 Fe-56 2,8 Cu-63 4,5 Cu-65 2,2 Mn-55 13,4 As-75 4,5

44 6.1.3 Nukliderzeugung thermische Neutronenaktivierung M Z A + n B + γ M + 1 Z M Z A( n, γ ) M + 1 Z B Beispiele Mo-98 (n,γ) Mo-99 Te-130 (n,γ) Te-131

45 Neutronenaktivierung mit anschließendem β-zerfall Masse = M + 1 Ordnungszahl = Z + 1

46 Mn-55 Aktivierung Aktivierung durch thermische n: 55 Mn 56 2,58 h 56 ( n, γ ) Mn Fe + β + γ γ - Energie γ - Intensität 0,84660 MeV 99,00 1,81120 MeV 30,00 2,11260 MeV 15,5

47 Beispiel 2 26,3 h 75 As (n,γ) 76 As 76 Se + β + γ γ - Energie γ - Intensität 0,55910 MeV 44,6 0,56280 MeV 1,60 0,65710 MeV 6,40

48 Beispiel 3 63 Cu (n,γ) 64 12,8 h Cu 64 Ni K / β /β + /γ γ - Energie γ - Intensität 0,00756 MeV 14,0 1,34576 MeV 0,48 4,4 h 79 Br (n,γ) 80m Br 80 Br + γ γ - Energie γ - Intensität 0,03700 MeV 40 0,04890 MeV 0,3

49 Beispiel 4 2,7 d 197 Au (n,γ) 198 Au 198 Hg + β + γ γ - Energie γ - Intensität 0,00999 MeV 1,27 0,07082 MeV 1,38 0,41180 MeV 95,53 14,3 d 32 S (n,p) 32 P 32 S + β

50 6.2 Spezifische Aktivität nach Probenbestrahlung A ( t, t ' ) = m H σ M N L Φ e λ t' ( λ t 1 e ) A = erzeugte Aktivität (Bq) t = Bestrahlungszeit (s) t' = Zerfallszeit (s) m = Masse des Mutternuklids (g) H = Isotopenhäufigkeit des Mutternuklids (%) N L = Avogadro s Zahl (mol -1 ) σ = Wirkungsquerschnitt (barn) Φ = Neutronenflussdichte (n.cm -2.s -1 ) M = Atommasse des Mutternuklids (g.mol -1 ) λ = ln2 / t 1/2

51 6.2.1 Sättigungsaktivität bei konstantem Φ Bestrahlung mit thermischen Neutronen während t / t 1/2 A = m H σ N M L Φ t t 1/ 2 A 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, t / t 1/2

52 6.2.2 Wafer - Spektrum nach Neutronenaktivierung

53 6.2.3 Euro - Spektrum nach Neutronenaktivierung

54 7 Neutronenmessungen Messung thermischer Neutronen BF 3 -Zählrohr Aktivierungsfolien Messung schneller Neutronen REM-Counter mit Moderator

55 7.1 Das BF 3 -Zählrohr Zylinderkathode Isolator Kondensator Verstärker Zähldraht BF 3 -Gasfüllung 10 B(n,α) 7 Li Widerstand Impulszähler B Li Hochspannung

56 7.2 Neutronenmessungen 1. BF 3 Zählrohr Thermische Neutronen Schnelle Neutronen Zählrohr mit n Konverter Moderatormaterial 2. Aktivierung Goldfolien Manganproben

cm2) = 1 /650 msv/h = 0,00153846 msv/h Gesamtneutronen Fluss: Wirkungsgrad / Konversionsfaktor: 3,3 cps = 0.

57 7.3 Neutronenzählrohre der HS- Furtwangen Neutronen Neutronenzählrohr cps Thermischer Neutronen Fluss: Wirkungsgrad / Konversionsfaktor: 5,5 cps = 1 (n / s.cm2) = 1 /650 msv/h = 0, msv/h Gesamtneutronen Fluss: Wirkungsgrad / Konversionsfaktor: 3,3 cps = 0.01mSV/h =10 µsv/h 1 cps = 0,01/3,3 msv/h = 0, msv/h Graphik oben: Centronic Radiation Detectors Graphik unten: S. Mayer, et. al. CERN, Response of neutron detectors to high-energy mixed radiation fields

7.3.1 REM Counter Studsvik 2202D Boron plastic Polyethylene BF 3 tube Diameter : 215 mm Height : 325 mm Mass : 11 kg Energy range : 0.

58 7.3.1 REM Counter Studsvik 2202D Boron plastic Polyethylene BF 3 tube Diameter : 215 mm Height : 325 mm Mass : 11 kg Energy range : ev 17 MeV Dose rate range : 1 µsv/h 1 msv/h Quelle:: S. Mayer, et. al. CERN, Response of neutron detectors to high-energy mixed radiation fields

59 7.3.2 REM - Counter Dosismessgerät

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