Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben

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1 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben Becquerel-Monitor Autor: Ing. Mag.rer.nat. Ewald Grohs, Bakk.rer.nat.

2 Vorwort Dieser dritte Baustein gibt einen Überblick über die Bestimmung der Radioaktivität von Gammastrahlern in Lebensmitteln, Flüssigkeiten, Schüttgütern etc. Das komplette Lehrveranstaltungsmodul besteht aus vier Bausteinen. Für diesen Baustein wird das Grundlagen-Modul benötigt. 2

3 Inhalt Wiederholung Gammaspektroskopie Strahlung Detektorentypen Gammastrahlung und Halbleiterzähler Ionisation Szintillatorsonde Isotope Radioaktivität Folgen eines AKW-Unfalls Halbwertszeit Becquerel-Monitor LB 200 Einheiten Einfluss der natürlichen Wechselwirkung mit Materie Radioaktivität auf die Messung Biologische Wirkung Kaliumgehalt der Lebensmittel Strahlenschäden LB200 Kurzbedienungsanleitung Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung Praktische Übungen 3

4 Wiederholung Strahlung Gammastrahlung und Ionisation Isotope Radioaktivität Halbwertszeit Einheiten Wechselwirkung mit Materie Biologische Wirkung Strahlenschäden Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung Gammaspektroskopie Detektorentypen Halbleiterzähler Szintillatorsonde 4

5 Strahlung Strahlung: Ausbreitung von Teilchen und Wellen Auswirkungen auf Atome nicht ionisierende Strahlung Auswirkung auf Atome oder Moleküle: keine ionisierende Strahlung Auswirkung: kann aus Atome oder Moleküle Elektronen entfernen: Entstehung von positiv geladene Ionen oder Molekülreste (Ionisation) direkt ionisierende Strahlung indirekt ionisierende Strahlung 5

6 Strahlung Elektromagnetische Strahlung Nichtionisierende Strahlung: elektromagnetische Wellen bis zum UV-Bereich Ionisierende Strahlung: Wellenlänge < 100 nm Wikimedia Commons 6

7 Gammastrahlung und Ionisation Elektromagnetische Strahlung Gammastrahlung Gamma-Photon indirekt ionisierend Gammazerfall Wikimedia Commons 7

8 Isotope Isotop Ein Isotop ist ein Nuklid mit gleicher Protonenzahl (Ordnungszahl), aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Stabile und instabile Isotope (ca Isotope davon 274 stabil) Instabile Elemente (Radionuklide) zerfallen = radioaktiv Es gibt drei natürliche und eine künstliche Zerfallsreihe: Uran-Radium-Reihe: 238 U 206 Pb Uran-Actinium-Reihe: 235 U 207 Pb Thorium-Reihe: ( 244 Pu) 232 Th 208 Pb Neptunium-Reihe kommt in Natur nicht vor: ( 241 Pu) 237 Np 209 Bi ( 205 Tl) 8

9 Radioaktivität Radioaktivität ist die Eigenschaft eines instabilen Atomkerns (Radionuklids), sich spontan in andere Atomkerne umzuwandeln. Bei diesem Prozess tritt ionisierende Strahlung aus 9

10 Halbwertszeit (HWZ) (1) Die Halbwertszeit ist abhängig von der Aktivität des Elements. von Mikrosekunden bis Trillionen von Jahren HWZ Wikimedia Commons 10

11 Halbwertszeit (HWZ) (2) Isotop 131 I 137 Cs 239 Pu 235 U 238 U 232 Th Halbwertszeit 8 Tage 30 Jahre Jahre Jahre Jahre Jahre spezifische Aktivität Bq/mg Bq/mg Bq/mg 80 Bq/mg 12 Bq/mg 4 Bq/mg Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und spezifischer Aktivität 11

12 Einheiten Aktivität Anzahl der radioaktiven Zerfälle pro Zeiteinheit. Einheit: Becquerel [Bq] Energiedosis in Materie abgegebene Energiemenge pro Masse. Einheit: Gray [Gy] Äquivalentdosis Energiedosis gewichtet nach Wirkung auf menschlichen Körper. Einheit: Sievert [Sv] Qualitätsfaktor Äquivalentdosis / Energiedosis. Einheit: Sievert/Gray [Sv/Gy] Dosisleistung Äquivalentdosis pro Zeiteinheit. Einheit: Sievert/Stunde [Sv/h] Dosisfaktor Äquivalentdosis / Aktivität. keine Einheit; dimensionsloser Faktor [ ] 12

13 Strahlenbelastung Durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung pro Jahr (Effektivdosis in msv pro Jahr) 13

14 Strahlenbelastung Isotope in Nahrung (300 µsv/a) besonders durch 40 K Atombombentests (<10 µsv/a) AKW-Unfälle: Chernobyl: (<10 µsv/a) 14

15 Abschirmung von Gammastrahlen Gammastrahlung ist elektromagnetische Strahlung in Materie exponentiell abgeschwächt keine feste Eindringtiefe nach einer Halbwertsschicht Reduzierung der Intensität auf die Hälfte die Halbwertsschicht von Energie der Gammastrahlung abhängig (z.b.: bei 2 MeV ist dies in Blei bei 1,3 cm). 15

16 Biologische Wirkung von Strahlung Auswirkung auf Zellen Direkte Schädigung der Zellen bzw. DNA Zellmutation, Zelltod Indirekte Effekte Radiolyse der Aminosäuren Wasserradiolyse Radikale werden gebildet Gammastrahlung: Ionisierung und freigesetzte Sekundärstrahlung (Zellmutation, Tumor, Metastasen) 16

17 Strahlenschäden Somatische Schäden Schäden durch Exposition Deterministische, akute oder kausale Schädigung Stochastische oder Spätschäden Dosis von 1mSv führt etwa zu 3000 Basenschäden (DNA) pro Zelle Teratogene Schäden Schädigung des Embryos Genetische Schäden Schäden in der Folgegeneration 25% höhere Mutationsrate bei 4 Gray einmaliger Bestrahlung einer Keimzelle 17

18 Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung Oberster Grundsatz beim Umgang mit Strahlung: das ALARA-Prinzip As Low As Reasonably Achievable = = so niedrig wie vernünftigerweise erreichbar Beim Umgang mit ionisierenden Strahlen ist eine Strahlenbelastung von Menschen, Tieren, Pflanzen so gering als möglich zu halten, wie dies mit vernünftigen Mitteln machbar ist, um die Gesundheit nicht zu gefährden. Sorgsamer Umgang mit radioaktiven Stoffen Kontaminierte Lebensmittel Wild, Pilze ( 137 Cs) HWZ = 30a 18

19 Gammaspektroskopie Gammaspektroskopie ist die Messung des Spektrums der Gammastrahlung einer radioaktiven Strahlungsquelle. Gammaquanten haben nicht beliebige, sondern bestimmte (diskrete), für das jeweilige Nuklid charakteristische Energien, ähnlich wie in der optischen Spektroskopie die Spektrallinien für die in der Probe enthaltenen Stoffe charakteristisch sind. Deshalb ist die Gammaspektroskopie eine wichtige Methode zur Untersuchung radioaktiver Substanzen. 19

20 Detektorentypen Halbleiterdetektoren: aus hochreinem Germanium (High Purity Germanium, kurz HPGe) weniger reinem, mit Lithium dotierten Germanium Ge(Li) Szintillationsdetektoren mit Einkristallen aus: Natriumiodid oder Bismutgermanat (BGO) 20

21 Halbleiterzähler (1) Aufbau Ge-Kristall für Gammaspektroskopie Wikimedia Commons 21

22 Halbleiterzähler (2) Vorteile: besonders geeignet für Gamma- Spektroskopie Energie von Gamma-Quant ist typisch für Isotop hohe Präzision Nachteile: erfordert hochreinen Halbleiter (meist Germanium) brauchbare Messgenauigkeit erfordert Kühlung (flüssiger Stickstoff) (77 K) Präzision ist stark von Messdauer abhängig teils aufwändige Probenaufbereitung lange Messzeiten kein mobiler Betrieb möglich 22

23 Szintillatorsonde (1) Szintillation: durch Strahlung angeregte Atome senden (sichtbares) Licht aus einer der ältesten Methoden zum Nachweis Zinksulfidschirm Röntgenschirme (Rutherford) Heute meist Natriumiodid oder organische Verbindungen wie Plastik Licht wird heute mittels Photomultiplier verstärkt Signal digital detektiert 23

24 Szintillatorsonde (2) Schemata: Wikimedia Commons 24

25 Szintillatorsonde (3) Vorteile: sehr empfindlich, Hintergrund präzise messbar kurze Reaktionszeiten Je nach Bauart auch Energie bestimmbar Nachteile: unhandlich 25

26 Folgen eines AKW-Unfalls Austreten von verschiedenen Isotopen: 131 I (Jod-137, HWZ 8,02 d) 137 Cs/ 134 Cs (Cäsium-137, HWZ 30,17 a; Cäsium- 134, HWZ 2,0648 a) Jod wird von der Schilddrüse aufgenommen Schilddrüsenkrebs Cäsium wird vom Körper mit Kalium verwechselt vor allem in Muskel-, Nieren-, Leber- und Knochenzellen, aber auch im Blut angereichert Fallout von Cäsium in vielen Gebieten Europas nach Chernobyl AKW-Unfall Belastung der Milch besondere Anreicherung von 137 Cs in Pilzen (besonders in Maronenröhrling) betroffen: Wildtiere, die Pilze fressen 26

27 Bodenbelastung durch Cäsium-137 im Jahr 2000 (Umweltbundesamt) Einheit kbq/m² 27

28 Becquerel-Monitor LB 200 Technische Daten Szintillations-Messgerät zur Bestimmung der Gamma- Aktivität Nachteil: Isotopen können nicht bestimmt werden kein Energiefenster NaI(Tl*)-Kristall- Detektorteil mit Verstärker und Hochspannungseinheit Auswerteelektronik mit Stromversorgung Zubehör zur Aufnahme und Abschirmung der Messproben Werksseitige Einstellung für 137 Cs/ 134 Cs Messbereiche: 0,1 bis 9999 ips 1 bis 9999 Bq/l 28

29 Einfluss der natürlichen Radioaktivität auf die Messung Die meisten Lebensmittel enthalten Kalium mit dem natürlichen Radionuklid 40 K. Da der LB 200 kein Energiefenster besitzt, sondern oberhalb einer Schwelle von ca. 40 kev den gesamten Energiebereich misst, wird die Gamma-Strahlung des 40 K mit erfasst. Dabei ergibt 1 g Kalium pro Liter eine Anzeige von ca. 2 Bq/l, bezogen auf den Kalibrierfaktor für 137 Cs 29

30 Kaliumgehalt von Lebensmittel Lebensmittel Milch Magermilchpulver Fisch Nüsse Pilze, frisch Pilze, getrocknet Kaliumgehalt g K/kg 1,5-1,6 16 2,5-4,5 4,0-6,0 1,5-4,5 20,0-50,0 Anzeige Bq/l 6,1-6,5 64,8 10,1-18,2 16,2-24,3 6,1-18, ,5 Bedienungsanleitung Becquerel-Monitor LB

31 LB 200 Kurzbedienungsanleitung Nulleffekt bestimmen - Ein/Aus -Taste Warten, bis gewünschte Messgenauigkeit erreicht ist Messung mit STOP -Taste beenden Messprobe hineinstellen Messung mit Bq -Taste starten Warten, bis gewünschte Messwert-Sichheit erreicht ist Messung mit STOP -Taste beenden Messwert ablesen Nächste Messprobe hineinstellen Messung mit Bq -Taste starten 31

32 Praktische Übungen ACHTUNG: NaI-Kristall ist mit Glas vergleichbar. Vermeiden Sie deshalb Stöße und starke Temperaturschwankungen! Kurzbedienungsanleitung durchlesen Nulleffekt bestimmen Praxisaufgabe: (Übungsblatt) Aktivitätsmessungen von Lebensmitteln, Flüssigkeiten, Schüttgütern etc.: z.b.: Milch oder Magermilchpulver ( 40 K) Bodenproben Radonhältigem Wasser Vorsicht: Eichung ist für 137 Cs nur hier richtige Anzeige (z.b.: bei Bodenproben) 32