Messtechnischer Nachweis radioaktiver Strahlung. Strahlungsmessung. Geschichtliche Entwicklung der Zählertechnik

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1 Messtechnischer Nachweis radioaktiver Strahlung Jens Kurth UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT Strahlungsmessung Nachweis ionisierender Strahlung Detektorentypen Filmdosimeter Gasdetektoren Szintilatoren Aktivimeter und Aktivitätsmessung Messung von Energiespektren Qualitätskontrolle von Aktivimetern Strahlenschutz im Labor UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 2 Geschichtliche Entwicklung der Zählertechnik 1907/08: Geiger und Rutherford bauen in Manchester das erste Zählrohr für Alpha-Teilchen um 1920: Ionisationskammer zur Dosimetrie von Röntgenstrahlung wird entwickelt 1928: Geiger und Müller veröffentlichen das Prinzip des Elektronen-Zählrohres, später als Geiger-Müller-Zählrohr bekannt danach: Weiterentwicklung im Detail, Verwendung neuer Materialien, elektronischer Zähler verbesserte Gasgemische zur Verringerung der Totzeit u. v. m. Parallel dazu entwickelt sich der Strahlenschutz 1905: Gründung der Deutschen Röntgen-Gesellschaft : Das Röntgen wird als internationale Strahlendosiseinheit eingeführt 1932: Müller erkennt die genetische schädigende Wirkung ionisierender Strahlung 1934: Die internationale Schutzkommission empfiehlt als Grenzwert 0,2 Röntgen/Tag 1960: Erste Verordnung zum Schutz vor Schäden durch radioaktive Stoffe 1976: Strahlenschutzverordnung der Bundesrepublik UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 3 1

2 Dosismessung Aktivitätsbestimmung Auswahl des Messgeräts bestimmt von der zu messenden Größe: Messung von Dosis bzw. Dosisleistung oder Bestimmung von Aktivitäten bzw. Kontaminationen. Größe Einheit physikalisches Phänomen Zweck Messgerät Dosis msv Strahlung Abschätzung der Gefährdung Dosismessgerät Aktivität Achtung: Mit einem Dosimeter kann man für gewöhnlich keine Aktivitäten bestimmen! Mit einem Aktivitätsmessgerät lässt sich keine Dosis messen! Bq Radioaktivität Menge einer radioaktiven Substanz Aktivitätsmessgerät UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 4 Dosis- und Dosisleistungsmessung Messprinzip: Grundlage meist Geiger-Müller-Zähler, Natrium-Iodid-Detektoren oder Ionisationskammer Komplexe Anordnung von Energieabsorptionsfiltern gewährleisten radiobiologische Bewertung Beiträge zur Dosis: Gamma-Strahlung Röntgen-Strahlung Neutronen-Strahlung hochenergetische Beta-Strahlung Messgeräte für die Ermittlung der Körperdosis müssen geeicht sein UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 5 Aktivitätsbestimmung Verwendete Messprinzipien und typische Anwendungsbereiche: Proportionalzähler Alpha- und Beta-Aktivität (Kontamination) Geiger-Müller-Zähler Beta-Aktivität Natrium-Iodid-Detektoren Gamma-Aktivität Halbleiterdetektoren Gamma-Spektrometrie Flüssigszintillatoren niederenergetische Beta- und Gamma-Strahler η, R 0 Essenzielle gerätespezifische Kenngrößen: Nulleffekt und Wirkungsgrad UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 6 2

3 Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad eines Strahlenmessplatzes ist das Verhältnis der Anzahl der gemessenen Impulse zur tatsächlichen Anzahl von Zerfällen. Detektor erfasst nur einen Bruchteil der tatsächlich emittierten Strahlung. R M A Wirkungsgrad = Impulsrate Aktivität η = R M R 0 A Je höher der Wirkungsgrad, desto geringer ist der statistische Fehler UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 7 Messprinzipien Filmschwärzung elektr. Leitfähigkeit Lichterzeugung in Festkörpern Film Halbleiterdetektoren Gasdetektoren Ionisationskammer Geiger-Müller-Zähler Szintillationsdetektoren Thermolumineszenzdetektoren UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 8 Personendosimetrie / Filmdosimeter Zur Überwachung der aufgenommenen Dosis von in strahlengefährdeten Bereichen tätigen Personen Filmschwärzung ist Funktion der Dosis bei Bleiplättchen bekannter Energie Kupferplättchen 0,03 1,2 mm dick Aussagen über Strahlungsart und Energieverteilung durch Filtermaterialien Filmstreifen UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 9 3

4 Messprinzipien Filmschwärzung elektr. Leitfähigkeit Lichterzeugung in Festkörpern Film Halbleiterdetektoren Gasdetektoren Geiger-Müller-Zähler Ionisationskammer Szintillationsdetektoren Thermolumineszenzdetektoren UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 10 Funktionsweise gasgefüllter Detektoren Ionisierende Strahlung erzeugt im Elektronen-Ionen-Paare. Um deren Rekombination zu vermeiden, werden sie durch ein elektrisches Feld abgesaugt. Elektronen (negativ geladen) wandern zur positiven Anode. Positiv geladene Ionen wandern zur negativen Kathode. An den jeweiligen Elektronen angekommen, erzeugen die Ladungen einen Strom UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 11 Zählrohr/Ionisationskammer - Arbeitsbereiche Rekombination Ionisationskammer Proportionalzähler Geiger-Müller- Zähler Selbstentladung Signalhöhe UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 12 4

5 Eigenschaften gasgefüllter Detektoren UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 13 Aktivitäts- oder Dosisleistungsmessgerät Kontaminationssonde LB1231 Grundgerät LB1230 für β- und γ-strahlung kalibriert in IPS und Bq/cm² für 131 I und 99m Tc 24 IPS Dosisleistungssonde LB 1236 Auswerteelektronik UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 14 Aktivimeter - Ionisationskammer Ionisationskammer Radioaktives Präparat Außenelektrode 2,34 MBq Innenelektrode Mess- und Anzeigeteil (PC) Messung von angelieferten Aktivitäten, Generator-Eluaten Applikationsfertigen Abfüllungen Messbereich: kbq bis GBq ISOMED 1000 von MED Dresden GmbH UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 15 5

6 Messprinzipien Filmschwärzung elektr. Leitfähigkeit Lichterzeugung in Festkörpern Film Halbleiterdetektoren Gasdetektoren Ionisationskammer Geiger-Müller-Zähler Szintillationsdetektoren Thermolumineszenzdetektoren UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 16 Szintillation - Entstehung Beim Auftreffen radioaktiver Strahlung werden aus fluoreszierenden Mineralien Photonen herausgelöst; das heißt, es kommt zu einem Lichtblitz. γ-quanten Elektron Leitband Aktivatorzustände Szintillationskristall NaI (Tl) div. Kunststoffe Energie Loch Valenzband UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 17 Strahlungsmessung: Szintillationszähler NaI-Kristall U Spannungssignal am Ausgang des SEV Quanten-Energie E 1 = h*ν 1 E 1 <E 2 SEV SEV U E 2 =h*ν 2 Intensität des Lichtblitzes ist proportional zur Energie des Quants Einteilung in Intensitätsbereiche Energiespektrum Energieeffizienz: NaI(Tl) 40*10³ Photonen pro MeV anregender Energie Plastikszintilllatoren nur ca % davon UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 18 6

7 Strahlungsmessung: Szintillationszähler An der Fotokathode werden durch Lichtquanten Elektronen herausgelöst γ-quanten Sekundär-Elektronen-Vervielfacher (SEV) U Szintillationskristall aus NaI mit Spuren von Thallium hohe Verstärkung: ca. 1 Mio.-fach Auswerte- Elektronik Intensität des Lichtblitzes ist proportional zur Energie des Quants Zahl der ausgelösten Fotoelektronen ist proportional zur Lichtintensität Höhe des Ausgangsimpulses am SEV ist energieproportional Einteilung in Intensitätsbereiche Energiespektrum UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 19 Aktivimeter - Bohrlochszintillationszähler 567Bq SEV Schwachradioaktive Probe im Bohrloch NaJ-Kristall SEV Messung von Messproben (z.b. Blutserum) Gewebeproben Messbereich: einige Bq bis einige kbq UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 20 Germanium-Halbleiter-Detektor Im Halbleitermaterial werden durch die eindringenden Quanten bei Wechselwirkung mit dem Material Elektronen herausgelöst, die als Strom messbar sind. Die Stromstärke ist proportional zur Quantenenergie. Vorteile: Kryo-Gefäß Flüssiger Stickstoff (-190 C) Kühlfinger Sondenkopf Detektor Radioaktive Quelle Detektor- Elektronik Steuer- und Auswerte-PC Empfindlichkeit ist höher Energieauflösung besser Nachteile: Kühlung mit flüssigem Stickstoff und damit verbundenes kompliziertes Handling große Bauform (wegen Kühlung) Flächendetektoren problematisch UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 21 7

8 Germanium-Halbleiter-Detektor (Testscanner) Kryo-Gefäß mit flüssigem N 2 Detektorelektronik Kühlfinger Detektor UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 22 Personendosimetrie: Alarmdosimeter Halbleiterdetektor als Detekorelement sofortige Anzeige der kumulierten Dosis und Dosisleistung Alarmschwelle einstellbar Datenübergabe an PC und Datenbankabgleich geeignet für die in der Diagnostik und Therapie am häufigsten verwendeten Nuklide (Tc-99m, In-111, Ga-67, Tl-201, I-131, Ir-192, Co-60, Cs-137) DoseGUARD S10 Tragbares, direkt ablesbares Personendosimeter mit Si-PIN-Diode Messbereich: 10 µsv bis 10 Sv Energiebereich: 55 kev bis 6MeV UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 23 Aktivitätsmessungen Was ist zu beachten Durchführung Einfluss der Totzeit UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 24 8

9 Nulleffekt bzw. Untergrundstrahlung Verursacht durch natürliche Strahlungsquellen (kosmische Strahlung, im Gebäude und Personen enthaltene natürliche Radioaktivität) sowie durch künstliche Nuklide hervorgerufene messbare Aktivität Netto-Impulsrate = gemessene Impulsrate - Nulleffekt Bei Nullpunktsmessungen zu beachten: keine störende Aktivitäten in der Nähe der Messung dulden stark erhöhte Werte deuten auf Kontamination oder Störquellen hin regelmäßig kontrollieren und in Berechnungen berücksichtigen ggf. müssen zusätzliche Abschirmungen verwendet werden oder Patienten mit Restaktivität an anderen Orten warten lassen bei Verdacht auf Störquellen Nullpunkt kontrollieren UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 25 Aktivitätsmessung Wichtig! Gerät muss einen Zusammenhang zwischen der Zahl der Zerfälle (Aktivität) und den registrierten Ereignissen (Impulsrate) herstellen Problem: es gelangt immer nur ein Teil der von einem Volumen ausgehenden Strahlung in den Detektor (vorher absorbiert oder Detektor nicht getroffen) im Detektor wird nur ein Teil der Strahlung ein zählbares Ereignis auslösen (Totzeit, ohne Wechselwirkung hindurch fliegende Quanten) Verfahren: Aktivität (Eichpräparat) Aktivität (Probe) = Impulsrate (Probe) x Impulsrate (Eichpräparat) Dabei ist zu beachten: Impulsraten von Probe und Eichpräparat müssen mit dem gleichen Gerät, unter vergleichbaren geometrischen Verhältnissen ermittelt werden Art und Energie der der Strahlung müssen vergleichbar sein UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 26 Spezifische Aktivitätsbestimmung Standardlösung A sp. = 540 Bq/g Genau 1 g entnehmen und in 1 l Wasser geben 1 l Wasser + 1 g Standardlösung Zählgerät zur Messung der Impulsrate z.b. 217 cps Probe z.b. 1l Milch Zählrate der Probe: z.b. 108 cps = 270 Bq/s Zählrohr Bleiabschirmung A sp (Standard) Zählrate (Standardlösung) = A sp (Probe) Zählrate (Probe) UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 27 9

10 Was ist die Totzeit eines Detektors/ einer Sonde? je nach Detektortyp verhindern verschiedene physikalische Prozesse nach einer Ereignisregistrierung die sofortige Erfassung eines weiteren Die Zeit, die vergeht, bis der nächste neue Puls wieder registriert wird, nennt man Totzeit Ereignisse die während der Totzeit auftreten, können nicht gemessen werden typische Totzeiten bei Zählrohren liegen zwischen 10 und 100 µs Beispiel: Zählrohr Nach Aufnahme der Elektronen am Anodendraht befindet sich ein Ionenschlauch um den Draht. Dieser schirmt das elektrische Feld des Zähldrahtes ab. Diese Abschwächung der Feldstärke hat zur Folge, dass keine neuen Pulse an den Draht abgegeben werden. Da der Ionenschlauch sich langsam in Richtung der Kathode bewegt, nimmt die Abschirmung langsam ab; das nächste Quant/Teilchen kann registriert werden. Der Totzeitanteil nimmt mit steigender Aktivität und damit steigender Countrate zu. Dieser Anteil an der Gesamtmesszeit sollte aber einige Prozent nicht überschreiten UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 28 Messung von Energiespektren Was sind Energiespektren? Wie entstehen Sie? Wie erfolgt deren Zuordnung? Wozu werden Sie benötigt? UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 29 Energie-Spektrum Was ist ein Spektrum? Die von einem geeigneten Detektor registrierten Gamma-Quanten werden ihrer Energie nach in getrennte Energiebereiche (Kanälen) gezählt. Die Counts je Kanal werden über der Energie ( Kanälen) aufgetragen. Wofür braucht man Spektren? Identifikation von Nukliden Aktivitätsmessung bestimmter Nuklide Berücksichtigung nur bestimmter Energiebereiche (Energiefenster, umfasst mehrere Kanäle), um Streuquanten auszublen-den, die den Sondenmesswert oder das Bild verschlechtern/verfälschen Womit erhält man Spektren? Szintillationszähler oder kamera und eine gute Elektronik Halbleiterdetektoren UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 30 10

11 Zerfall von 131 I β - -Zerfall: Zerfall eines Neutrons in ein Proton, dass im Kern verbleibt, und ein Elektron, dass emittiert wird für I-131, gibt es verschiedene Wege des Zerfalls; jeder dieser Wege hat seine eigene Wahrscheinlichkeit UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 31 Energie-Spektrum Energieachse (x) wird in kleine Bereiche eingeteilt (Kanäle) jedes registrierte Quant wird seiner Energie nach in einen solchen Kanal eingeordnet (gezählt) Counts Compton-Quanten durch Streuung im Strahlenweg entstanden Photopeaks: Quanten die noch Originalenergie vom Zerfall besitzen Energie in kev z.b. Kanal n: kev Counts (registrierte Ereignisse) UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 32 Energie-Spektrum - Zuordnung Gamma-Quanten mit Energie E NaI(Tl)-Kristall SEV Spannungssignal am Ausgang des SEV U Jedem Kanal entspricht ein kleiner Energiebereich Gezählte Impulse je Kanal E1 Kanal n Kanal m Signalhöhe bestimmt den Kanal Kanal Energie UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 33 E2 11

12 Spektrenvergleich: 131 Iod und Nulleffekt 131 Iod-Spektrum Nulleffekt-Spektrum UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT Iod-Spektrum mit ROI auf dem Jod-Peak UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 35 Beispielspektrum: 131 Iod (Ausschnitt) UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 36 12

13 99m Tc-Spektrum mit wenig Streuanteilen UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 37 Germanium-Halbleiter-Detektor UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 38 Beispielspektrum: 99m Tc 99m Tc-Peaks 18 und 20 kev 99m Tc-Peak 140 kev Energie (kev) Ratio (%) ,51 89,3 18,35 6,0 20,60 1,2 142,68 0, ,30 0, UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 39 13

14 Qualitätssicherung der Messungen - DIN 6855 Dazu gehören: regelmäßige Wartung und Kontrolle der Geräte Überprüfung der Untergrundstrahlung (täglich) und Berücksichtigung in den Messungen Kontrolle der Effizienz der Geräte (täglich) Kalibrierung durch zugelassene Stelle, wenn nötig oder vorgeschrieben Buchführung über QS und Mängel, bzw. deren Behebung UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 40 Kalibrierung / Sensitivitätskontrolle Kalibrierung heißt Rückführung der Messgröße mit einem Normal ist in regelmäßigen Abständen vorzunehmen Fristen vom Hersteller und der DIN geregelt neben der regelmäßigen Kontrollmessung sind die Geräte von einer vom DKD zugelassenen Kalibrierlabor überprüfen zu lassen Kalibrierfaktor = Eich-Aktivität /Impulsrate der Eichaktivität Moderne Messgeräte haben internen Speicher für den Kalibrierfaktor, so dass nur noch die korrekte Funktion überprüft werden muss Bei Kalibriermessungen zu beachten: Einfluss von Fremdaktivitäten ist auszuschließen Aktivitätsstandards sind auf ihre Verwendbarkeit zu prüfen (Verfallsdatum) Prüfaktivität ist nach dem Zerfallsgesetz zu korrigieren Einhaltung der vorgeschriebenen Messanordnung UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 41 Konstanzprüfung von Aktivimetern Für die Qualitätskontrolle/Konstanzprüfungen sind folgende Messungen durchzuführen: täglich Untergrundzählrate in einer Nuklideinstellung Messung der Prüfaktivität und Vergleich mit dem vom Hersteller bestimmten und auf den Messtag korrigierten Sollwert der Prüfaktivität. Die Abweichung soll unter 5% liegen! monatlich/ halbjährig Überprüfung des Aktivimeters in allen Nuklideinstellungen mit dem Prüfstrahler Grundlage für die Konstanzprüfungen bilden die DIN und die Richtlinien der DGN (Deutsche Gesellschaft für Nuklearmedizin) UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 42 14

15 Strahlenschutz Einwirkzeit gering halten Entfernung zum Radionuklid groß Quelle abschirmen UNIVERSITÄT ROSTOCK MEDIZINISCHE FAKULTÄT 43 15