Ganzkörperzähler (Messung)

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1 Ganzkörperzähler (Body Counter) Allgemeines: Im Body Counter werden Personen, die mit offenen radioaktiven Stoffen umgehen auf Inkorporation (Aufnahme in den Körper) untersucht. Dabei können die Radionuklide und deren Aktivität über die Gammastrahlung bestimmt werden. Mit dieser Methode können Nuklide zwischen 100 kev und 2500 kev durch Direktmessung nachgewiesen werden. Darunter fallen die Spalt und Aktivierungsprodukte aus dem kerntechnischen Bereich, wie z.b.: Cs-137 und Co-60, aber auch Radioisotope, die in der Nuklearmedizin verwendet werden, wie z.b.: I-123 oder Tc-99m. Der Ganzkörperzähler besteht aus vier 8*4 großen NaI(Tl)- Detektoren, die paarweise ober- und unterhalb einer Probandenliege angebracht sind. Auf diese Weise wird die Nuklidverteilung im gesamten Körper gleichmäßig erfasst (daher der Name Ganzkörperzähler). Die Messzeit für eine Routinemessung liegt bei 5 Minuten. Bei dieser Messzeit erhält man z.b.: für Cs-137 eine Nachweisgrenze von 60 Bq, für Co Bq. Der verwendete Stahl stammt von den Panzerplatten eines vor dem zweiten Weltkrieg gebauten englischen Schlachtschiffes. Nach 1945 hergestellter Stahl kann Verunreinigungen von Cs-137 aus dem Fallout der oberirdischen Kernwaffenversuche enthalten oder Co-60. Mit Co-60 Drähten wurde früher der Abbrand der Hochofenauskleidung bei der Stahlherstellung gemessen. Diese Nuklide würden die Messung extrem stören. Der verwendete Stahl des britischen Schlachtschiffes ist extrem aktivitätsarm. Die 70 t schwere Abschirmung besteht aus diversen Stahlplatten. Die Stahlplatten der Wände und Decken sind 15 cm, die des Bodens 25 cm dick. Die Innenseite der Kammer ist zusätzlich mit 1 cm starken Bleiplatten ausgekleidet. In der Abschirmkammer ist die natürliche Strahlung, um den Faktor 50 reduziert. Nulleffekt: Aufbau der Abschirmkammer aus Stahlplatten Abschirmkammer: Ganzkörperzähler in Standardmessposition Um möglichst empfindlich messen zu können werden die Messungen in einer Abschirmkammer aus aktivitätsarmem Stahl durchgeführt. Die Kammer wird über einen Labyrinth Eingang begangen, dessen Abschirmwirkung eine Tür ersetzt. Die natürliche Gammastrahlung aus dem Boden und der Luft lässt sich trotz Abschirmkammer nicht vollständig abschirmen. Zusätzlich gelangt Radon über die durch Luftfilter gefilterte Luft in die Messkammer, in der dann auch die gammastrahlenden Folgeprodukte des Radons entstehen. Der Nulleffekt ist abhängig von Tages- und Jahreszeit und trägt zum Untergrund des gemessenen Spektrums bei. Durch einen hohen Luftwechsel sorgt man für eine kurze Verweildauer der Luft in der Messkammer. Der Nulleffekt wird in regelmäßigen Abständen gemessen. Bei der Auswertung der Personenspektren wird jeweils ein aktuelles, an die Messzeit angepasstes Nulleffektspektrum abgezogen. Datum: Kontakt

2 Ganzkörperzähler (Messung) Prinzip der Gammaspektroskopie: Die Gammaspektroskopie mit Szintillationsdetektoren funktioniert nach folgendem Prinzip: Über verschiedene Wechselwirkungsprozesse geben die Gammaquanten Energie an die Elektronen im Kristall ab. Diese werden dadurch aus ihrem Kristallgefüge gerissen und in einen angeregten Zustand versetzt. Danach fallen die Elektronen in ihren Grundzustand zurück und geben die überschüssige Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichtes ab. Die Intensität des Szintillatorlichts ist proportional zur Anzahl der durch die Gammastrahlung angeregten Elektronen. Das Szintillationslicht wird durch einen direkt auf den NaI(Tl)- Kristall aufgesetzten Photomultiplier in einen elektrischen Impuls umgesetzt, dessen Höhe proportional zur Energie der Strahlung ist. Die Impulse werden verstärkt, geformt und gelangen in einen Vielkanalanalysator auf einem Messcomputer. Dort erhält man ein Spektrum. In diesem Spektrum sind die einzelnen Impulse je nach ihrer Höhe einem Kanal zugeordnet. Wenn Gammastrahlung einer bestimmten Energie auf den NaI(Tl)- Kristall trifft, so erscheint im Spektrum an der entsprechenden Stelle eine Häufung von Impulsen. Diese Häufung nennt man Peak. Über die Kanallage des Peaks kann die Energie des Radionuklids und somit das Nuklid identifiziert werden. Die Aktivität des inkorporierten Stoffes wird über die Anzahl der im Peakbereich registrierten Impulse bestimmt. Gammaspektrum eines Probanden: Das gemessene Spektrum setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: Nulleffekt: Der Nulleffekt setzt sich aus der natürlichen Radioaktivität aus dem Boden, dem in der Messkammer verwendeten Material und der Radioaktivität aus der Luft zusammen. Es wird regelmäßig ein Nulleffektspektrum aufgenommen und vom gemessenen Probandenspektrum abgezogen. Natürliches Kalium-40: Jeder Mensch enthält Kalium, das zu 0,0117% aus Kalium-40 besteht. Der Kaliumanteil eines Menschen liegt bei etwa 2 g pro Kilogramm Körpergewicht. Daraus ergibt sich im Schnitt eine K-40 Ganzkörperaktivität um die 4000 Bq K-40. Deshalb findet man bei jeder Personenmessung im Spektrum K-40. Bei vollständiger Abgabe der Energie der Gammaquanten entsteht ein Peak bei 1460 kev aus dem die K-40 Aktivität berechnet wird. Durch unvollständige Abgabe der Energie entsteht ein Kontinuum (ein relativ gleichförmiger Anstieg des gesamten Spektrums unterhalb des Photopeaks). Durch das (Compton-) Kontinuum wird der Untergrund erhöht. Bremsstrahlung: Durch den Betazerfall einiger natürlicher Nuklide entsteht Bremsstrahlung. Diese weist keine diskreten Energien auf. Die Bremsstrahlung zeigt sich im unteren Energiebereich des Spektrums durch ein rutschbahnähnliches Aussehen. Andere Nuklide: Alle anderen Nuklide, die sich im oder am Körper des Probanden befinden erhöhen den Untergrund. Falls die Nuklide Gammastrahlung aussenden können sie anhand ihrer Energie identifiziert und die Aktivität gemessen werden. Spektrum einer Ganzkörpermessung mit Phantom Messungen: Die Messzeit im Ganzkörperzähler beträgt in der Routine 5 Minuten. Dabei erreicht man z.b. für Cs-137 eine Nachweisgrenze von 60 Bq, für Co Bq. Referenzmessungen zur Bestimmung des Cs-137 Gehaltes und des K-40 Gehaltes haben eine Messdauer von 30 Minuten. Datum: Kontakt

3 Ganzkörperzähler (Kalibrierung) Kalibrierung des Ganzkörperzählers mit Phantomen: Zur Ermittlung des Wirkungsgrades bzw. der Kalibrierfaktoren werden Messungen mit verschiedenen Phantomen durchgeführt. Bei den Phantomen handelt es sich um Nachbildungen des menschlichen Körpers, in denen sich bekannte Mengen radioaktiver Stoffe befinden. Dabei können die Radionuklide homogen im gesamten Körper oder in einzelnen Organen verteilt sein. Es gibt Phantome, die den ganzen Körper darstellen und Phantome, die nur einzelne Körperteile simulieren. Im Ganzkörperzähler werden folgende Phantome eingesetzt: Flaschen-Phantom: Das Flaschenphantom besteht aus einem Satz zylinderförmiger 2 l und 1l Kautexflaschen, die mit in Wasser gelöster Aktivität gefüllt sind. Nach verschiedenen Bauplänen können mit diesen Flaschen menschliche Körper von 10 kg bis zu 100 kg simuliert werden. Das Ziegel - Phantom kann in verschiedenen Konfigurationen aufgebaut werden. So können Probanden mit unterschiedlichem Körperbau simuliert werden. Rumpf Phantom: Ziegelphantom Igor Ziegel - Phantom Igor Bei diesem Phantom handelt es sich um ein antropomorphes Phantom. Es besteht aus gewebeäquivalentem Material mit ähnlichen Absorptionseigenschaften, wie das menschliche Gewebe. Die verschiedenen Organnachbildungen des Phantoms verfügen über eine Lochmatrix. Die Organnachbildungen können mit radioaktiv markierten Pins definierter Aktivität bestückt werden. Durch die Bestückung einzelner oder aller Organe können verschiedene Nukliddepositionen simuliert werden. Es lassen sich so organspezifische Wirkungsgrade bestimmen. Flaschen Phantom K-40 Ziegel- Phantom ( IGOR ) Typ SET UPH-02T : Das Ziegelphantom besteht aus quaderförmigen Ziegeln aus Polyethylen. Die Ziegel haben Löcher, in welche Stabquellen definierter Aktivität eingesetzt werden können. Das Phantom muss vom Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) entliehen werden. Es wird vom BfS für die jährlich angebotenen Ringversuche zur Qualitätssicherung der Messstellen eingesetzt. Rumpf- Phantom Phantom zerlegt Datum: Kontakt

4 Teilkörperzähler mit Phoswich - Detektoren Der Teilkörperzähler ergänzt den Ganzkörperzähler bei der Inkorporationsüberwachung. Im Teilkörperzähler werden spezielle Detektorsysteme eingesetzt mit deren Hilfe Radionuklide, die Gammaquanten zwischen 10 kev und 200 kev aussenden nachgewiesen werden können. In diesen Energiebereich liegt z.b. die Photonenstrahlung von einigen Aktiniden mit hoher Radiotoxizität ( z.b.: Am-241, U-235, Pu-239). Mit dem Teilkörperzähler werden Messungen der Lunge, der Leber und Skelettmessungen (Schädel und Kniemessungen) durchgeführt. Da im niederenergetischen Bereich gemessen wird, muss der Nulleffekt niedrig sein. Das Detektorsystem befindet sich deshalb in einer Abschirmkammer mit einer pneumatisch bewegten Tür. Die Abschirmung besteht aus 15 cm starken Wänden aus aktivitätsfreiem Stahl, der mit einer Innenauskleidung von 3 mm Blei, 1,5 mm Zinn und 0,5 mm Kupfer (Graded-Z- Abschirmung) belegt ist. Messgeometrien: Lungenmessung Schädelmessung Kniemessung Zur Messung wird das Detektorsystem in direktem Körperkontakt über das zu messende Organ des Probanden gebracht. So wird nur ein Teil des Körpers erfasst (daher der Name: Teilkörperzähler), diese Messgeometrie ist jedoch notwendig, da im niederenergetischen Bereich gemessen wird und schon durch dünne Gewebeschichten eine Schwächung bzw. Absorption der Photonenstrahlung erfolgt. Bei Routinemessungen wird zunächst eine Messung der Lunge durchgeführt, da man davon ausgeht dass die Aktivität über Inhalation in die Lunge aufgenommen wurde. Findet man in der Lunge Aktivität, bzw. ist bekannt das eine Inkorporation schon länger zurückliegt oder die Aktivität durch Ingestion aufgenommen wurde, so geht man von einer Verteilung der Aktivität im Körper aus und führt zusätzlich Leber- und Skelettmessungen durch. Die Messzeit beträgt in der Regel 35 Minuten. Als Ergänzung zum Teilkörperzähler mit Phoswich Detektoren steht noch ein Teilkörperzähler mit HPGe Detektoren zur Verfügung. Dieser erlaubt aufgrund seines besseren Auflösungsvermögens eine verbesserte Nuklididentifikation. Bei Bedarf können ebenfalls Messungen mit diesem Detektorsystem durchgeführt werden. Bereits im Jahr 1961 wurde im Forschungszentrum Karlsruhe ein Teilkörperzähler betrieben. Man setzte damals einen Großflächenproportionalzähler mit Doppelantikoinzidenz zum Nachweis der charakteristischen Röntgen-Strahlung von Plutonium und anderen Transuranen ein wurde diese Technik durch die neu auf den Markt gekommenen Phoswich Detektoren ersetzt. Datum: Kontakt:

5 Teilkörperzähler mit Phoswich-Detektoren Aufbau der Detektoren und Wirkungsgradkalibrierung Aufbau der Phoswich Detektoren: Die Phoswich-Detektoren bestehen im wesentlichen aus einem dünnen NaI(Tl)-Szintillationskristall und einem vergleichsweise dicken CsI(TI)-Kristall. Die Kristalle sind als Sandwich hinter einem Eintrittsfenster aus Berylium angeordnet. Hinter dem Sandwich befindet sich ein nicht Tl - aktivierter NaI-Kristall, der als Lichtleiter dient und gleichzeitig die Szintillationskristalle vor der Hintergrundstrahlung des Photomultipliers schützt. Durch eine Impulsformdiskriminierung werden die Impulse des NaI(Tl)- und CsI(Tl) Kristalls voneinander getrennt. Die niederenergetische Strahlung wird vollständig im NaI(Tl)-Kristall absorbiert, während die höherenergetische Strahlung oft in Wechselwirkung mit beiden Kristallen tritt. Wirkungsgradkalibrierung: Mit der Wirkungsgradkalibrierung wird der Zusammenhang zwischen gemessener Impulsrate und Emissionsrate des Radionuklids bei einer Energie beschrieben. Der Wirkungsgrad hängt von der Schwächung der Photonenstrahlung im Gewebe ab. Aus diesem Grund wird die Wirkungsgradkalibrierung mit geeigneten Phantomen für die jeweilige Messposition durchgeführt. Als geeignete Phantome gelten sogenannte anthropometrische Phantome. Das sind menschenähnlich geformte Phantome, die aus Material bestehen, welches in Dichte und Ordnungszahl dem menschlichen Gewebe nahe kommt. Ein geeignetes Phantom ist das Lawrence Livermore Torso Phantom. Dabei handelt es sich um ein gewebeäquivalentes Phantom. Das Phantom simuliert einen männlichen Torso vom Halsansatz bis zum Becken. Das Phantom kann auseinandergebaut und mit Organen (z.b. Lunge oder Leber), die zuvor mit definierter Aktivität bestückt worden sind, gemessen werden. Um unterschiedliche Körperproportionen zu simulieren, können Overlays, die verschiedene Brustwandstärken simulieren, auf den Phantomtorso gelegt werden. Der Wirkungsgrad muss für die jeweilige Körperproportion des Probanden und die jeweilige Messposition individuell bestimmt werden. Energiekalibrierung: Aufbau eines Phoswich - Detektors Um Radionuklide anhand ihrer Gammaenergie zu identifizieren wird eine Energiekalibrierung durchgeführt. Bei der Energiekalibrierung werden Punktstrahler gemessen, um den Zusammenhang zwischen Kanalnummer und Energie zu bestimmen. Lawrence Livermore Phantom mit Overlays Energiekalibrierung mit Am-241 Punktstrahler Lawrence Livermore Phantom mit geöffnetem Torso Datum: Kontakt