K3 Dosismessungen und Strahlenschutz

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1 Universität Potsdam Institut für Physik Physikalisches Praktikum für Fortgeschrittene 2005 K3 Dosismessungen und Strahlenschutz Physikalische Grundlagen Die von einer radioaktiven Quelle ausgehende Anzahl N von Teilchen, die in einem Zeitelement dt eine Kugel mit der Großkreisfläche da am Ort r zur Zeit t durchqueren, r ϕ r,t bezeichnet man als Teilchenflussdichte ( ) N ϕ = (1) da dt Die Wirkung ionisierender Strahlung auf Stoffe wird durch die Energiedosis definiert. Sie beschreibt die einem Massenelement dm zugeführte Energie de de D = (2) dm und wird in der SI-Einheit Gray (Gy) mit 1 Jkg -1 = 1 Gy gemessen. Für belebte Materie, insbesondere beim Menschen, ist noch zu berücksichtigen, dass bei gleicher Energiedosis verschiedene Strahlenarten unterschiedliche biologische Wirkungen hervorrufen, die mit dem Strahlungswichtungsfaktor w R beschrieben werden. Das Produkt aus Strahlungswichtungsfaktor und Energiedosis definiert die Äquivalentdosis H, die in der Einheit Sievert(Sv) angegeben wird. Für Fotonenstrahlung ist der Strahlungswichtungsfaktor w R = 1. Die Messung der Wirkung ionisierender Strahlung erfolgt mit Hilfe der Expositionsdosis X,d.h. es wird die Ionisierung von Gasen bzw, Festkörpern gemessen. In diesen Medien kann man relativ leicht einen Zusammenhang zwischen gemessener Expositionsdosis und Energiedosis herstellen. Die Schwierigkeit besteht in der Übertragung der Wirkung auf belebte Materie. Bei der Diskussion von Ereignissen im Strahlenschutz ist aber nur die Energiedosis bzw. die Äquivalentdosis zugelassen. Als Messgeräte werden am häufigsten Ionisationskammern, Auslösezählrohre und Szintillationszähler verwendet. Dabei ist zu beachten, dass der Messeffekt (Zahl der Impulse) durch sekundäre Wechselwirkungen entsteht und der Zusammenhang zur Energiedosis nicht einfach herzustellen ist. Deshalb nimmt man Eichkurven auf und bestimmt den Kalibrierungsfaktor f K

2 f K =, (3) N& der den Zusammenhang zwischen Dosisleistung und Impulsrate herstellt. Den Kehrwert des Kalibrierungsfaktors bezeichnet man als Dosisleistungsempfindlichkeit des entsprechenden Zählers. Zwischen der Energiedosisleistung und der Fotonenflussdichte φ besteht in Luft die Beziehung µ E D & γ = ϕ E ρ (4) Dabei ist E die Energie der Fotonen und µ E der Massenenergieabsorptionskoeffizient. ρ Da nicht jeder Wechselwirkungsprozess zur Auslösung eines Impulses führt, muss die in den Detektor einfallende Anzahl der Fotonen N & D der Fotonenflussdichte φ mit der Ansprechwahrscheinlichkeit fa multipliziert werden. Damit ergibt sich für den Kalibrierungsfaktor f K f K =, (5) f N& A D Dabei bedeuten N & D die Anzahl der je Zeitelement in den Detektor einfallenden Fotonen und fa seine Ansprechwahrscheinlichkeit. Mit N& = ϕ D A D (6) ergibt sich damit der Kalibrierungsfaktor zu f K =. (7) ϕ A f D A Dabei ist A D die Querschnittsfläche des empfindlichen Detektorvolumens senkrecht zur Strahleneinfallsrichtung. Wird eine punktförmige Gamma-Strahlenquelle durch eine Absorberschicht aus Blei der Dicke x abgeschirmt, so berechnet sich die Dosisleistung D & im Abstand r nach der Grundgleichung des Strahlenschutzes x µ = kγ B e, (8) 2 r A

3 wobei A die Aktivität der Strahlungsquelle, B der Aufbaufaktor (oder build up) und µ der lineare Schwächungskoeffizient ist. Für die Praxis des Strahlenschutzes hat diese Größe besondere Bedeutung, da man davon ausgehend die Aufenthaltsdauern bzw. die erforderlichen Abstände errechnet. Liegt eine punktförmige Quelle vor, so müsste die Dosisleistung 1 D & = f (9) 2 r nur vom Abstand abhängig sein. In der Realität kann man aber meist nicht von punktförmigen Strahlungsquellen ausgehen, da die Quellen in Containern oder in anderen Abschirmungen lagern, die keine absolut homogene Abschirmung nach allen Seiten garantiert. Deshalb muss der Aufbaufaktor berücksichtigt werden. Zur Beschreibung der Verteilung der Dosisleistung werden also Kurven gleicher Dosisleistung (Isodosen) aufgenommen, um an jeder Stelle des Messraumes die Dosisleistung ermitteln zu können. Aufgaben 1) Der Einfluss des Aufbaufaktors ist durch Messung einer Absorptionskurve nachzuweisen. Dazu sind Blenden so in den Strahlengang einzufügen, dass ein nahezu linearer Strahlendurchgang mit weitestgehend reduzierter Streuung realisiert wird. Die Messung ist sonst unter gleichen Bedingungen ohne die Blenden zu wiederholen. 2) Die mit dem Zählrohr und Szintillationszähler gemessenen Zählraten bei verschiedenen Abständen sind mit Hilfe eines Dosisleistungsmessers umzueichen. Dazu ist eine Eichkurve N = f( D & ) aufzunehmen. Dosisleistungsempfindlichkeiten und Ansprechwahrscheinlichkeiten von Zählrohr und Szintillationszähler sind zu bestimmen. 3) Vergleich der Anzeige verschiedener Dosisleistungsmesser. Hinweis: Für verschieden Abstände und zwei unterschiedliche Strahler werden die Dosisleistungen mit verschiedenen Dosisleistungsmessgeräten gemessen und die Kalibrierungsfaktoren bestimmt. Der Kalibrierungsfaktor berechnet sich nach f K ( Eichgerät) =. ( anderes Gerät) 4) Die zur Abschirmung von Gamma-Strahlung notwendige Schichtdicke eines Materials ist für eine in bestimmtem Abstand befindliche Strahlungsquelle zu ermitteln, so dass die maximal zulässige Dosis nicht überschritten wird. 5) Es ist die Isodosenverteilung eines Gamma-Strahlers, der sich in einem seitlich geschlitzten Container befindet, mit einem vorher geeichten Auslöse-Zählrohr oder einem Szintillationszähler zu bestimmen.

4 Dazu sind die Dosisleistungen für 4 Abstände und alle Winkel zwischen 0 und 180 im Abstand von 10 zu messen. 6) Für einen vorgegebenen Abstand ist durch zehnmalige Messung das Vertrauensintervall sowie der Einfluss des Nulleffektes zu bestimmen. Auswertung 1) Der Aufbaufaktor ist aus dem Vergleich der Absorptionskurven mit und ohne Blenden. zu berechnen. 2) Aus der gemessenen Zählrate N & als Funktion der Dosisleistung ist nach Gl. (3) die Dosisleistungsempfindlichkeit 1 zu bestimmen. f K Mit Hilfe der im Anhang tabellierten und dargestellten Funktion φ = f(e, D & ) ermittelt ϕ man näherungsweise den Quotienten für den verwendeten Strahler und damit nach D & Gl. (7) die Ansprechwahrscheinlichkeit des Detektors. 3) Die mit den verschiedenen Geräten gemessenen Dosisleistungen und die berechneten Kalibrierungsfaktoren sind tabellarisch zu erfassen und grafisch darzustellen. Der Einfluss der Energie auf die Dosisleistung D & ( Eichgerät) = ist zu diskutieren. f ( ( anderesgerät) ) 4) Aus den Messungen mit einem Dosisleistungsmesser ist für einen Strahler die maximale Aufenthaltsdauer in Abhängigkeit vom Abstand zu berechnen. Die so erhaltenen Werte sind mit denen zu vergleichen, die man aus der Grundgleichung des Strahlenschutzes für verschiedene Abstände erhält. Dazu ist die Momentanaktivität aus dem Abklinggesetz zu berechnen. Die Halbwertzeit und die Gamma-Strahlenkonstante sind aus der Literatur zu entnehmen. Die Messdaten der Quellen sind vom Betreuer zu erfragen. 5) Aus der grafischen Darstellung D & = f(d) ist der Schwächungskoeffizient über die Halbwertsdicke zu bestimmen. Es ist diejenige Schichtdicke zu berechnen, die der maximalen Aufenthaltsdauer für den entsprechenden Abstand entspricht. 1 6) Zum Nachweis der Funktion N & = f 2 werden die Ergebnisse doppelt-logarithmisch r lg N& = f lg r dargestellt: ( ) 7) Die Isodosen sind in Polarkoordinaten darzustellen.

5 Literatur /1/ Herforth, L.und H. Koch: Praktikum der Radioaktivität und Radiochemie, Berlin 1992 /2/ Stolz,W. und R. Bernhardt: Dosimetrie ionisierender Strahlung, Berlin 1981 /3/ Schuricht, V. und J. Steuer Praktikum der Strahlenschutzphysik, Berlin 1989 /4/ Vogt, H.-G. und H. Schultz: Grundzüge des praktischen Strahlenschutzes, München 1992 /5/ Petzold, W. und H. Krieger: Strahlenphysik, Dosimetrie und Strahlenschutz, Bd. 1, Stuttgart 1998 /6/ Dörschel, B. u.a.: Praktische Strahlenschutzphysik, Heidelberg 1992 /7/ Verordnung über den Schutz vor Schäden durch ionisierende Strahlen (StrlSchV - Strahlenschutzverordnung ) vom 20.Juli 2001 /8/ Reich, H. ( Hrsg. ): Dosimetrie ionisierender Strahlung, Stuttgart 1990 Hinweis: In den angegebenen Büchern entsprechen einige Begriffe und Grenzwerte nicht der neuen Strahlenschutzverordnung.

6 Anhang Tabelle: Fotonenflussdichte φ in Abhängigkeit von der Fotonenenergie für eine Dosisleistung von D & = 33,7 Gy/s E / MeV φ / m -2 s -1 0,010 0,453 0,015 1,10 0,02 2,06 0,04 7,87 0,06 11,50 0,10 8,99 0,15 5,61 0,20 3,92 0,40 1,78 0,60 1,19 1,00 0,757 1,50 0,552 2,00 0,449 4,00 0,383 6,00 0,214 10,00 0,145