2 Strahlenschutz und Dosimetrie

Transkript

1 2 Strahlenschutz und Dosimetrie

2 Strahlenbelastung

3 Physikalische, chemische und biologische Vorgänge in einer Zelle nach Bestrahlung

4 Einheiten im Strahlenschutz Aktivität einer radioaktiven Substanz: Bequerel [Bq] = 1 s -1 - ein Bequerel ist gleich einem Kernzerfall pro Sekunde 1 Ci (Curie) = 3,7 x Bq Energiedosis: Gray 1 Gy = 1 J/kg - ist gesamte absorbierte Strahlungsenergie pro Masseneinheit Äquivalentdosis: Sievert 1 Sv - ist das Produkt aus Energiedosis und Bewertungsfaktor [Bewertungsfaktor ist das Produkt aus Qualitätsfaktor (linearem Energieübertragungsvermögen der jeweiligen Strahlenart abhängig) und anderen modifizierenden Faktoren (z.b. äußere oder innere Bestrahlung)] Qualitätsfaktor für Röntgen-, Gamma- und Betastrahlung 1, bei Alphastrahlung bis 20, Einheit nur im Strahlenschutz gültig

5 Definitionen - Energiedosis - die bei Kernumwandlungen auftretenden Strahlen sind ein Energiestrom - die Energiedosis einer ionisierenden Strahlung gibt die pro Masse des durchstrahlten Stoffes abgegebene Energie an Energiedosis = - Einheit der Energiedosis 1 J / kg besonderer Einheitsname: Gray 1 Gy = 1 J / kg frühere Bezeichnung: Rad (radiation absorbed dose) 10-2 J / kg = 10-2 Gy - in Wasser bzw. in tierischem Gewebe entspricht die Energiedosis von 1 J / kg einer Temperaturerhöhung von < 0,001 C, kann schon Strahlenschäden bewirken

6 Äquivalentdosis - für die biologische Wirkung ionisierender Strahlung ist nicht nur von der pro Masse absorbierten Energie, sondern auch von weiteren Faktoren abhängig: * Strahlenart * Strahlenenergie * räumlicher und zeitlicher Umfang * Beschaffenheit des biologischen Objekts - um Maß für die biologische Strahlenwirkung zu erhalten, wird die Energiedosis mit einem Qualitätsfaktor multipliziert - Qualitätsfaktor ist aus experimentellen Daten gefundener Erfahrungswert Äquivalentdosis = Energiedosis = Qualitätsfaktor H = D = Q - vereinbarungsgemäß: Röntgenstrahlung von 200 kv, Beschleunigungsspannung ist Q = 1

7 Einheit und Qualitätsfaktor der Äquivalentdosis - SI-Einheit Sievert (Sv) 1 Sv = 1 J / kg, da Qualitätsfaktor eine dimensionslose Zahl ist frühere Einheit: REM (röntgen equivalent man) 1 rem = 10-2 J / kg = 10-2 Sv Strahlung Qualitätsfaktor Q Röntgenstrahlen / Gammastrahlen 1 Beta- und Elektronenstrahlen 1 Thermische (langsame Neutronen) 2,3 Schnelle Neutronen und Protonen 10 Alpha-Strahlen 20 Schwere Rückstoßkerne (Richtwert) 20

8 Strahlenschutzgrenzwerte - in Gesetzen und Verordnungen niedergelegt - Strahlenschutzgrundsätze und Regelungen von internationalen Gremien (IAEO, WHO, EURATOM) basieren meist auf Empfehlungen der Internationalen Strahlenschutzkommission (International Commission on Radiological Protection, ICRP) - Weg zu Grenzwerten bei Röntgenpersonal, 1 % der Dosis innerhalb von 30 d die eine Hautrötung hervorrufen ICRP 0,2 Röntgen (2 m Sv) pro Tag ICRP 0,6 Rem / Woche (6 msv / Woche oder 0,5 Sv / a) für Haut, andere Organe (z. B. Gonaden, Augenlinse geringer) - heute: ICRP 0,5 msv / a für Bevölkerung resultierend aus Einsatz ionisierender Strahlung nicht zu überschreiten

9 Voraussetzungen für Strahlenschutzempfehlungen -kein Umwelteinfluss, der Spätschäden verursachen kann, ist so genau untersucht wie die Einwirkung ionisierender Strahlung -Erfahrungen der Strahlenschädigungen auf Menschen sind bei hoher Dosis gemacht worden, Vorbehalt bei Tier-Mensch-Übertragung -im Dosisbereich der natürlichen Strahlenexposition konnten keine statistisch gesicherten Auswirkungen bei unterschiedlichen Belastungen gemacht werden (BRD: μgy / a Indien Kerala (Monazit CePO 4, [Th]) 10 mgy / a durch terrestrische Strahlung)... im 1980 erschienenen Bericht des Komitees zur Beurteilung biologischer Effekte durch ionisierende Strahlung der nationalen Akademie der Wissenschaften in den Vereinigten Staaten von Amerika zum Problem niedriger Dosis: Das Komitee weiß nicht, ob Gamma- oder Röntgenstrahlung von etwa 1 mgy pro Jahr für den Menschen schädlich ist. Jede somatische Wirkung bei dieser Dosisrate würde von Umwelt- und anderen Faktoren überdeckt, die dieselbe somatische Wirkung wie ionisierende Strahlen hervorrufen können. Für höhere Dosisraten, beispielsweise einige zehn mgy / a über eine lange Zeitspanne, könnte sich ein erkennbarer karzinogener Effekt manifestieren.

10 Bezüge zu Gesetzen und Verordnungen - Atomgesetz: 9 a: Verwertung radioaktiver Reststoffe und Beseitigung radioaktiver Abfälle (1) Wer Anlagen, in denen mit Kernbrennstoffen umgegangen wird,... betreibt..., hat dafür zu sorgen, dass anfallende radioaktive Reststoffe... schadlos verwertet oder als radioaktive Abfälle geordnet beseitigt werden (direkte Endlagerung). (2) Wer radioaktive Abfälle besitzt, hat diese an eine Anlage nach Absatz 3 abzuliefern... (3) Die Länder haben Landessammelstellen für die Zwischenlagerung der radioaktiven Abfälle, der Bund hat Anlagen zur Sicherstellung der Endlagerung radioaktiver Abfälle einzurichten... - Strahlenschutzverordnung Vierter Teil: Ablieferung radioaktiver Abfälle 81 Ablieferung an Anlagen des Bundes 82 Ablieferung an Landessammelstellen 83 Ausnahme und Befreiung von der Ablieferungspflicht bis zur Inbetriebnahme der Anlagen des Bundes 81 - Zwischenlagerungspflicht

11 Ionisierende Strahlung - Strahlung ausgehend von radioaktiven Nukliden, Röntgenanlagen und Teilchenbeschleunigern vermag beim Durchgang durch Stoffe, Atome und Moleküle anzuregen und zu ionisieren Ionisierende Strahlung - direkt ionisierend geladene Teilchen mit nicht vernachlässigbarer Ruhemasse kinetische Energie reicht aus, um durch Stoß Ionen zu erzeugen α-, β + -, β Teilchen, p - indirekt ionisierend ungeladene Teilchen mit nicht vernachlässigbarer Ruhemasse (Neutronen) oder Photonen (Quanten der Röntgen und γ-strahlung) mit Ruhemasse 0, die im durchstrahlten Stoff energiereiche Teilchen freisetzen oder Kernumwandlungen auslösen - Wechselwirkungsprozess Strahlung erleidet Energieverlust und Streuung Energie wird auf Stoff übertragen, Auftreten von Erwärmung oder / und Veränderung der physikalischen, chemischen und biologischen Stoffeigenschaften

12 Wechselwirkung geladener Teilchen mit Atomen - geladene Teilchen können mit Hüllenelektronen oder Atomkernen in Wechselwirkung treten, wobei alle vier Wechselwirkungsarten zur Abbremsung beitragen: - unelastische Stöße mit Hüllenelektronen Anregung oder Ionisation der Atome (Abbremsung der Teilchen = Ionisationsbremsung, Energieverlust = Ionisationsverlust der Teilchen, Richtungsänderung der Teilchenbahnen) - Elastische Stöße mit Hüllenelektronen spielen nur bei kleinen Teilchenenergien eine Rolle, Teilchenenergie wird gering verändert - Unelastische Stöße mit Atomkernen durch Wechselwirkung mit Coulombfeldern Änderung der Teilchengeschwindigkeit nach Betrag und Richtung, Teilchen emittieren eine elektromagnetische Strahlung = Bremsstrahlung, Energieverlust infolge von Photoemission = Bremsstrahlverlust - Elastische Stöße mit Atomkernen Ablenkung der Teilchen aus ihren Teilchenbahnen, infolge Impulsübertragung verlieren die Teilchen einen Teil ihrer Energie

13 Energieverlust geladener Teilchen - Ionisationsbremsung schwere geladene Teilchen (p, d, α-t, FP) verlieren Energie durch Ionisationsbremsung = durch sehr große Anzahl unelastischer Stöße Abgabe von kleinen Energieteilbeträgen Elektronen und Positronen verlieren ebenfalls durch unelastische Stöße mit den Hüllenelektronen ihre Energie, werden aber aufgrund ihrer kleinen Masse abgelenkt - Strahlungsbremsung Energieverlust durch Bremsstrahlung: geladene Teilchen mit Masse m und Kernladungszahl z erfahren im Coulombfeld der Atomkerne Richtungsänderungen es wird elektromagnetische Strahlung emittiert Bremsstrahlung der auftretende Energieverlust je Wegelement ist proportional der Beschleunigung und steigt mit der Teilchenenergie an, - Bremsstrahlverluste müssen nur bei Elektronen mit Energien E > m e c o 2 berücksichtigt werden, bei schweren Teilchen spielen diese keine Rolle

14 Emission von Cerenkov-Strahlung

15 Strahlungsbremsung (Fortsetzung) - Energieverlust durch Cerenkov-Strahlung bewegen sich Teilchen mit der Ladung (ze o ) durch ein dielektrisches Medium, indem die Phasengeschwindigkeit des Lichtes (c o /n) (n = Brechzahl) kleiner als die Teilchengeschwindigkeit v ist so erleiden sie zusätzlich zum Ionisations- und Bremsstrahlverlust einen Energieverlust infolge der Emission einer elektromagnetischen Stoßwelle Cerenkov-Strahlung fällt z. T. in den sichtbaren Spektralbereich, optisches Analogon zur Machschen Kopfwelle bei Überschallgeschwindigkeit in Luft, Intensitätsmaximum im Blau oder nahen UV bleibt auf Kegel beschränkt Lichtemission ist auf die unsymmetrische Polarisation des Dielektrikums in nächster Umgebung der Teilchenbahn beschränkt (Abb.) ist 1/100 bis 1/1000 des gesamten Energieverlustes

16 Wechselwirkung von ungeladenen Teilchen mit Atomen (I) - Neutronen sie verlieren keine Energie durch Ionisations- oder Strahlungsbremsung, sondern ausschließlich durch Wechselwirkungsprozesse mit Atomkernen, erst dadurch werden geladene Sekundärteilchen erzeugt - Elastische Streuung führt zur Änderung der Bewegungsrichtung und Energie der Neutronen (Summe Neutronen und Energie des Kernes bleibt konstant) - Unelastische Streuung Veränderung der Energie und Richtung der Neutronen, Kernanregungen führen zu Energieverlusten, angeregte Kerne kehren unter Emission von γ-strahlung in den Grundzustand zurück - Neutronenabsorption Neutronen können in Atomkerne des absorbierenden Mediums eindringen und Kernreaktionen verursachen (Einfang-, Austausch- und Spaltungsreaktionen

17 Wechselwirkung von ungeladenen Teilchen mit Atomen (II) - Photonen Wechselwirkungspartner der Photonen (Quanten der Röntgenund Gammastrahlung) sind die Elektronen der Atomhülle, die Coulombfelder im Atom und die Nukleonen des Kernes - die wichtigsten Wechselwirkungsprozesse sind: * Photoeffekt * Comptoneffekt * Paarbildungseffekt * Kernphotoeffekt

18 Schematische Darstellung des Photoeffektes

19 Photoeffekt - bei dieser Wechselwirkungsart wird die gesamte Energie des Photons E γ = h x f auf ein Hüllenelektron übertragen, niederenergetische Photonen mit Atomen mit hohem Z - das Elektron wird aus der Hülle herausgeschlagen und das Photon vollständig absorbiert und das Atom ionisiert - Photonenenergie muss die Bindungsenergie der Elektronen der Elektronen in den jeweiligen Schalen (K, L, M...) übertreffen - Photonenimpuls wird beim Photoeffekt immer von zwei Partnern aufgenommen: vom Photoelektron, vom ionisierten Atom - kinetische Anfangsenergie des Photoelektrons E e = E γ E K, L, M... - Bindungsenergie wächst mit steigender Ordnungszahl Z und zunehmender Kernnähe (ist Photonenenergie größer als die Bindungsenergie der Elektronen in der K-Schale werden ca. 80 % der Photonen in dieser Schale absorbiert und ca. 20 % in äußerer Elektronenschale) - nachfolgend auf die Photonenabsorption erfolgt die Auffüllung der Lücke durch Elektronen höherer Schalen a) die freiwerdende Energie ist charakteristische Röntgenfluoreszenzstrahlung b) strahlungslos, aus L-Schale wird Elektron (Auger-Elektron) emittiert mit der kinetischen Energie E Auger = E K 2 E L

20 Schematische Darstellung des Comptoneffektes

21 Comptoneffekt - mit zunehmender Photonenenergie (E γ > E K, L, M... ) gibt das Photon nur einen Teil der Energie auf ein lockeres oder freies Elektron ab und erfährt selbst eine Richtungsänderung - das Rückstoßelektron (Comptonelektron) bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit - die Gesamtenergie und der Gesamtimpuls bleiben beim Comptoneffekt erhalten - die Wahrscheinlichkeit für den Comptoneffekt ist bei Elementen mit kleinen Ordnungszahlen zwischen 50 kev und 15 MeV und bei Elementen mit hoher Ordnungszahl zwischen 0,5 MeV und 5 MeV sehr hoch

22 Schematische Darstellung des Paarbildungseffektes

23 Wirkungsbereich von Photoeffekt, Comptoneffekt und Paarbildungseffekt

24 Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Materialschichten Wechselwirkung von ungeladenen Teilchen Photonen: Durchdringt ein schmales Photonenstrahlungsbündel einheitlicher Energie eine Materialschicht der Dicke x so verringert sich durch Wechselwirkungsprozesse mit den Atomen des Materials die Photonenflussdichte φ. - Schwächung von Photonenstrahlen Schwächungsgesetz (für β-strahlen nur für kleine Schichtdicken erfüllt, für schmale Photonenstrahlbündel voll erfüllt) - allgemeines Schwächungsgesetz: φ(x) = φ(0)e -Nσx N: Anzahldichte der Atome, σ: totaler atomarer Wirkungsquerschnitt Nσ: linearer Schwächungskoeffizient μ φ(x) = φ(0)e -μx (auch Umrechnung unter Verwendung des Massen-Schwächungskoeffizienten) Da maximale Reichweitenangabe nicht möglich, wird häufig Halbwertsschichtdicke benutzt

25 Schwächung eines schmalen und eines breiten Strahlenbündels durch einen Absorber

26 Photonen für Photonen maximale Reichweite nicht angebbar Halbwertschichtdicke (HWS) = x½ = ln 2/μ - Linearer Schwächungskoeffizient setzt sich aus drei Anteilen zusammen: dem Photoabsorptionskoeffizienten, dem Schwächungskoeffizienten des Comptoneffektes, dem Paarbildungskoeffizienten μ = μ Ph + μ c + μ paar Schwächung abhängig von Photonenenergie und Ordnungszahl des Wechselwirkungsmaterials

27 Durch jede Halbwertschicht wird die Strahlungsintensität um den Faktor 2 geschwächt (schematische Darstellung: Streuung nicht berücksichtigt) Da Reichweite von Photonenstrahlen nicht angebbar, deshalb Charakterisierung durch Halbwertsschichtdicke

28 Halbwerts- und Zehntelwertschicht für Gammaquanten unterschiedlicher Energie

29 Bremsung/Schwächung von Neutronen - z.b. radioaktive Neutronenquellen und Neutronengeneratoren emittieren primär schnelle Neutronen - durchdringen Neutronen eine Substanz, so verlieren sie infolge von elastischen Streuprozessen an den Atomkernen schrittweise ihre kinetische Energie, bis die thermische Energie erreicht ist - Wasser bremst schnelle Neutronen stärker als Graphit

30 Grundsätzlicher Aufbau eines Neutronenschildes Schnelle Neutronen verlieren Energie durch Stöße und werden thermalisiert Paraffin, Kunststoffen, Wasser als Moderator Entstanden durch Kernreaktion

31 Unterschiedliche Absorption von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung

32 Aktivitätsbestimmung K = 540/217 = 2,488 Durch die Glaswand des Zählrohres gelangen nur die Gammaquanten und die energiereichen Betateilchen. Bei reinen Alphastrahlen oder reinen Betastrahlen muss ein anderes Messverfahren gewählt werden.

33 Nutzbare Effekte zur Strahlungsmessung Ionisierende Strahlung ruft Wechselwirkung hervor, diese stark abhängig von Strahlungsart und -energie Strahlungsart α β γ Ionisation Ionisation Photoeffekt Wechsel- Anregung Anregung Comptoneffekt wirkung Bremsstrahlung Paarbildung Streuung Nicht nur Bestimmung der gesamten Strahlung von Interesse, sondern Art und Herkunft, deshalb Spektrometrie Unterscheidung der Strahlungsenergie notwendig - erzeugte Ladungsträger und Energie -

34 Messung radioaktiver Strahlung - in den letzten 50 Jahren sind verschiedenste Detektoren entwickelt worden - Nachweis der radioaktiven Strahlung beruht auf Ionisations- oder Anregungsprozessen, die in Gasen bzw. in festen Stoffen durch die Strahlung ausgelöst werden - Prozesse führen in Gasen und Halbleitern zur Erzeugung beweglicher elektrischer Ladung - Kristalle, Gase und Lösungen können auch Lumineszenzlicht emittieren - ungeladene Teilchen (Photonen, Neutronen) lassen sich nur über die im Wechselwirkungsmaterial gebildeten geladenen Sekundärteilchen nachweisen (bei Neutronen, Protonen, α- Teilchen; bei Photonen Photo-, Compton-, Paarelektronen) - Klassifizierung in drei Gruppen: * Ionisationsdetektoren (Gasdetektoren) * Szintillationsdetektoren * Halbleiterdetektoren

35 Ionisationsdetektoren - bei diesen Detektoren wird die Ionisation in Gasen ausgenutzt - drei grundsätzliche Arbeitsweisen solcher Zähler in Abhängigkeit des Druckes und der Art des Gases, des Baues und der Bauweise (z. B. Feldstärke) * Ionisationskammer * Proportionalitätszählrohr * Auslösezählrohr (Geiger-Müller-Zählrohr)

36 Wirkungsweise der Ionisationsdetektoren - an Elektroden wird eine langsam ansteigende Spannung angelegt, dadurch gelangen die durch radioaktive Strahlung gebildeten Ionen zunehmend an die entsprechenden Elektroden Erreichen eines Sättigungsstromes, wenn alle Ionen bei anliegender Spannung an Elektroden = Arbeitsbereich der Ionisationskammer (Messung von α-strahlung) - wird Feldstärke weiter erhöht, Effekt, dass Elektronen auf ihrem Weg zur Anode so stark beschleunigt werden, dass durch Stoßionisation weitere Ionenpaare (Faktor ) erzeugt werden (Durchflusszähler, Präparat in Zähler) durch radioaktive Strahlung erzeugtes Ionenpaar wird vervielfacht (Messung von α- und β-strahlung) = Arbeitsbereich des Proportionalitätszählers - wird Spannung weiter erhöht, wird der Auslösebereich erreicht, Entladung breitet sich lawinenartig über den Zähler aus, neben vielfacher Stoßionisation auch Ionisation des Zählgases möglich (Messung energiereicher β-strahlung nur ca. 1 % der γ-quanten) Entladungserscheinungen müssen gelöscht werden, bei nicht selbstlöschenden Zählern Abschaltung (500 μs) durch elektronische Einheit, bei selbstlöschenden Löschgas Methanol, Brom z. B., Totzeit zwischen μs) = Arbeitsbereich des Geiger-Müller-Zählrohres

37 Impulshöhe als Funktion der Feldstärke

38 Gasgefülltes Zählrohr (Schnitt) Kammer- und Elektrodenmaterial von Art der nachzuweisenden Strahlung abhängig, (Al, Cu, Messing, Graphit, e-leitende Kunststoffe) Füllgas: Luft, Wasserstoff, Argon, Kohlendioxid, Bortrifluorid Isolierung: sehr wichtig, hoher Widerstand Bernstein, Quarz, Polystyren, Keramik

39 Szintillationszähler - Nutzung der von angeregten Atomen oder Molekülen fester oder flüssiger Körper emittierten Fluoreszenzlichtblitze (Szintillationen), Vorteil hohe Nachweiseffektivität - Hauptbestandteil: Szintillator (nachzuweisende Strahlung erzeugt Fluoreszenzlicht) und Sekundärelektronenvervielfacher SEV- (Umwandlung der Lichtblitze in elektrische Impulse - eignen sich gut für γ-strahlen (dicke Kristalle, z. B. Nal/Th) und energiearme β-strahlung (Tritium, Kohlenstoff-14), α- Strahlung (dünne Schichten) - Szintillatorabmessungen so dimensionieren, dass Strahlung voll absorbiert wird

40 Szintillationszähler Szintillatoren: - Anorganische Kristall- und Glasszintillatoren: Nal/Th, ZnS/As, Csl/Tl - Organische Kristallszintillatoren: Antracen - Organische Lösungen: Lösungsmittel, Touluen, Xylen werden geringe Mengen Substanz zugesetzt: p-terphenyl, (A) 1,4-Bis(5-phenyloxazol-2yl)benzen (POPOP) (B) - Organische Plastszintillatoren: polymerisierte Kunststoffe (Polystyren) A B

41 α-, β-spektrometrie Szintillationsprozess homogenes Gemisch aus Probe und Szintillations-Cocktail Szintillations-Cocktail wird durch β- oder a-teilchen zur Emission von Lichtquanten angeregt: - Lösungsmittel (z. B. Touol, Benzol, Xylol, Diisopropylnaphtalin) kinetische Energie des Kernzerfalls regt p-elektronen an: nm - primärer Szintillator (z.b. Oxazole, Oxadiazole, Benzooxazole, Pyrazoline, 2,5 Diphenyloxazol PPO ca m) Energieübertragung durch Molekülzusammenstöße, Strahlung, Dipol-Dipol-Wechselwirkung: nm - sekundärer Szintillator (ähnliche Struktur wie primäre aber längerwelliges Fluoreszenzmaximum, z.b. p-bis-(o-methylsteryl)-benzol ca m) absorbiert das Licht vom primären Szintillator und gibt es als Fluoreszenzlicht weiter Wellenlängenschieber nm

42 α-spektrometrie Typische α-spektren 1.2x x Np 241 Am 244 Cm 8.0x10 5 Impulse 6.0x x x Energie in kev α-standard Probe Mit 241 Am kontaminierter Bauschutt

43 β- Spektrometrie Typische β- Spektren mittlerer Energie lineare Energieachse 14 C: 156,5 kev maximale β-energie logarithmische Energieachse C C Impulse Impulse Energie in kev Kanal

44 Messung der Gammaenergie mittels Halbleiterdetektor I - bei Bestimmung der Gesamtaktivität kann man nicht angeben, welche Radionuklide die Strahlung verursacht haben - die meisten Radionuklide senden aber bei Kernumwandlung Gammaquanten bestimmter Energie aus Energiewert(e) = Radionuklid - Bestimmung mittel Szintillationszähler oder Halbleiterdetektor Radionuklid Energie der Gammaquanten in kev 24 Na Co 1331, K Cs 605, 796, Cs / 137m Ba I 364, 637, N 6129, Ra 186 (262...) 238 U (50) 90 Sr kein γ

45 Messung der Gammaenergie mittels Halbleiterdetektor II - Halbleiterdiode, die in Sperrrichtung betrieben wird - dringt ein Gammaquant in die Sperrschicht ein, werden Elektronen-Loch-Paare erzeugt (bei Si 3,23 ev, Ge 2,84 ev) - der hervorgerufene geringe Strom führt zu einem Spannungsabfall an einem Arbeitswiderstand, der elektronisch verarbeitet wird - jedes Gammaquant erzeugt einen Spannungsimpuls, der gezählt wird, die Amplitude des Impulses ist proportional zur Energie, die das Quant an das Halbleitermaterial abgegeben hat - wird die gesamte Energie an das Halbleitermaterial abgegeben, ist die Höhe des Spannungsimpulses der Energie des Quants proportional - mittels Computer werden die Impulse nach ihrer Höhe elektronisch sortiert x-achse: Gammaenergie (in Form von Kanälen) y-achse: Anzahl der Impulse, die von Quanten bestimmter Energie erzeugt werden (Spektrum) - Kühlung der Detektoren (Verhinderung der unkontrollierten Elektronen- Lochpaarbildung durch Wärme), Abschirmung der Probe gegen Umgebungsstrahlung

46 Versuchsaufbau zur Gammaspektrometrie (vereinfachte Darstellung)

47 γ-spektrometrie Schematischer Aufbau des γ-spektrometers Bleiabschirmung Probe Ge-Detektor Vorverstärker Hauptverstärker Vielkanalanalysator Spektrenauswertung Hochspannung Einfüllstutzen Entlüftung Dewargefäß Flüssiger N2 Isolierung

48 Geeignete Messanordnungen für verschiedene Strahlungsarten

49 Filmdosimeter - Verwendung als amtliches Dosimeter - dünne, lichtdichte Kunststoffkassette mit zwei Filmabschnitten - Teile des Films sind mit verschiedenen Metallfiltern abgedeckt - Gammastrahlen lösen in der Kunststoffwand, den Filtern und im Film Elektronen aus - Elektronen bewirken in der Silberbromid-Schicht Ionisationen, bei Entwicklung entstehen dort Silberkörnchen, diese sind für Licht undurchlässig und rufen eine Trübung hervor - Trübung ist von Energie und Menge der eingefallenen Quanten abhängig - Auswertung der Trübungsunterschiede, Ionendosis mit Computer berechenbar - zur Energiebestimmung Metallfilter - Bleifilter zur Bestimmung aus welcher Richtung Strahlung kam (von hinten = vollständige Bestrahlung des Körpers)

50 Personenüberwachung Amtliches Dosimeter Typ Gleitschattendosimeter Einsatzgebiete: Überwachung in Gamma-(Beta)-Strahlungsfeldern Messprinzip: Schwärzung fotografischer Film (Ionisation durch rad. Strahlung) Absorberplatten Aussagen über Art der Strahler Personendosis damit wird entsprechend den Anforderungen aus: StrlSchV: Anlage VI Richtlinie für die physikalische Strahlenschutzkontrolle zur Ermittlung der Körperdosen, Teil 1: Ermittlung der Körperdosis bei äußerer Strahlenexposition ( 40, 41, 42 StrlSchV; 35 RöV) Anforderungen an Personendosimeter, Empfehlungen der Strahlenschutzkommission vom , Bundesanzeiger Nr. 112 vom die Tiefen-Personendosis Hp(10) bestimmt. Durch das Prinzip des Gleitschattens wird der dosis-mitbestimmende Einfallswinkel der Strahlung automatisch berücksichtigt. Tragezeitraum für Mitarbeiter 3 Monate Auswertung an LPS-Berlin als zugelassene Messstelle (max. 6 msv/a für strahlenexponierte Person Typ B)

51 Prinzipaufbau Filmdosimeter

52 Thermolumineszenzdosimeter -Amtliches Dosimeter - Messprinzip: Thermolumineszenz Thermolumineszenz beruht auf durch Strahlung hervorgerufene angeregte Zustände (e-lochpaare) beim Erhitzen (ca. 300 C) Übergang unter Lichtemission in den Grundzustand hierbei ist die emittierte Lichtintensität proportional zur empfangenen Strahlungsdosis Einsatz bei β-strahlern, Photonenstrahlung

53 Stabdosimeter - arbeitet nach dem Prinzip der Ionisationskammer (Elektrometer, Elektroskop) - wird an einer Spannungsquelle aufgeladen, bewegliches Fädchen spreizt sich (Nullwert) - Auftreffen von Gammastrahlen, Entladung des Elektrometers, die Spannung an ihm sinkt, Rückgang des gespreizten Fädchens - Messwert, Skala ist in μsv kalibriert, Äquivalentdosis ablesbar - solange keine Bestrahlung erfolgt, beträgt der Spannungsrückgang durch Selbstentladung nur wenige Prozent - bei Messung geringenergetischer Gammastrahlung Kunststoffumhüllung statt Metall

54 Prinzipaufbau Stabdosimeter

55 Neutronenmessgeräte - keine direkte Ionisierung von Atomen, deshalb Nutzung von Kernreaktionen / Kernspaltungen, die dabei erzeugten geladenen Teilchen (Alphateilchen, Trümmerkerne) bewirken in der Gasfüllung Ionisation - Nachweis von thermischen Neutronen: *gasgefülltes Aluminium oder Messingrohr, Innenseite mit Bor, Lithium oder Uran-235 ausgekleidet - Reaktionen: *Bor bzw. BF 3 -Gas *Lithium *Uran-235