Markus Drapalik. Universität für Bodenkultur Wien Institut für Sicherheits- und Risikowissenschaften

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1 Praxisseminar Strahlenschutz Messtechnik Markus Drapalik Praxisseminar Strahlenschutz: Messtechnik 1 1

2 Inhalt Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 2

3 Inhalt Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 3

4 Ionisierende Strahlung 3 Typen: Elektromagnetisch: UV, Röntgen, Gamma Geladene Teilchen: Beta (Elektron), Alpha (He-Kern), (Protonen, Positronen) Neutronen 4

5 Ionisierende Strahlung Typische Reichweite/Abschirmung Gamma: mehrere cm Blei (exponentielle Abschwächung) Beta: bis zu 10 m in Luft, 4 mm Glas Alpha: 10 cm in Luft, Papier, Kunststofffolie Neutronen: Kombination aus Eisen, Wasser/Paraffin, Bor zusätzlich Schutz vor Sekundärstrahlung (Blei) 5

6 WW Alphastrahlung Atome werden ionisiert Elektron wird aus Hülle gestoßen Dadurch alpha-teilchen gebremst Nach mehreren 1000 Zusammenstößen abgebremst Stoppt bei Eindringtiefe Quelle: wikipedia 6

7 WW Betastrahlung Wesentlich kleiner geringere WW Daher größere Eindringtiefe Zusätzlich Bremsstrahlung (Röntgen) 7

8 WW Gammastrahlung Mehrere verschiedene WW möglich Keine Teilchenstrahlung wird mit Tiefe exponentiell geschwächt, aber keine feste Eindringtiefe Nach Halbwertsschicht auf halbe Intensität reduziert 8

9 Teilchenspuren 9

10 Ionisierende Strahlung Wirkung Strahlung zerstört Moleküle im Organismus Funktion der Zellen eingeschränkt, bzw Zellen werden zerstört Durch Zerfall der Moleküle Entstehung von Radikalen schädigen weitere Zellen Erbgut besonders anfällig, Gefahr von Mutationen (Krebs) als Langzeitfolgen 10

11 Größen und Einheiten Radioaktivität: Becquerel [Bq] = [1/s] Energiedosis: Gray [Gy] = [J/kg] Äquivalentdosis: Sievert [Sv] = [J/kg] Qualitätsfaktor: Sievert / Gray = [] Dosisleistung: Sievert pro Zeiteinheit Dosisfaktor: Sievert / Becquerel Zählrate (Counts): Impulse pro Zeiteinheit [1/s] 11

12 Typische Dosen und Dosisleistungen Typische jährliche Dosis in Österreich: ~5 msv Maximale Dosis im Einsatz: 15 msv Katastrophendosis: 250mSv Tödliche Einzeldosis: 7 Sv Brustkorb-CT: 7 msv Typischer Hintergrund: nsv/h 12

13 Zerfallsreihen Zerfall bis zu stabilem Isotop 4 Reihen: Uran-Actinium ( 235 U) Uran-Radium ( 238 U) Thorium ( 232 Th) Neptunium ( 237 Np) 13

14 Inhalt Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 14

15 Messtechnik Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an Effekt ist messbar Mögliche Effekte: Ionisation 15

16 Messtechnik Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an Effekt ist messbar Mögliche Effekte: Ionisation Angeregte Ladungsträger 16

17 Messtechnik Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an Effekt ist messbar Mögliche Effekte: Ionisation Angeregte Ladungsträger Ladungsträger-Trennung 17

18 Messtechnik Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an Effekt ist messbar Mögliche Effekte: Ionisation Angeregte Ladungsträger Ladungsträger-Trennung Gemessen wird Spannung oder Licht 18

19 Inhalt Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 19

20 Gas-Zählrohre Gasgefülltes Zählrohr Mantel aus Metall In der Mitte dünner Draht Einfallende Strahlung ionisiert Gasatome Quelle: wikipedia 20

21 Gas-Zählrohre Fenster: meist nur dünneres Metall (für Gamma egal) Für Alpha und Beta wird Glimmer oder PET-Folie benutzt Quelle: wikipedia 21

22 Gas-Zählrohre 22

23 Gas-Zählrohre Vorteile: gute Empfindlichkeit pflegeleicht, handlich Nachteile: Nur einzelne Impulse, keine Energien messbar Standardtyp nur für Gammastrahlung 23

24 Gas-Zählrohre Quelle: automess 24

25 Hintergrundstrahlung Natürlicher Hintergrund ist immer vorhanden Typisch: nSv/h Für exakte Messungen zusätzliche Abschirmung erforderlich 25

26 Inhalt Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 26

27 Szintillatorsonde Szintillation: durch Strahlung angeregte Atome senden (sichtbares) Licht aus Sehr alte Technik Röntgenschirme, Rutherford Quelle: wikipedia 27

28 Szintillatorsonde Wird heute durch Photomultiplier verstärkt und digital detektiert Quelle: wikipedia 28

29 Szintillatorsonde Verschiedene Materialien: organisch anorganisch Verschiedene Aggregatszustände: fest flüssig gasförmig 29

30 Szintillatorsonde Flüssiges Medium Quelle: Quelle: 30

31 Szintillatorsonde Festes Medium Quelle: wikipedia Quelle: automess 31

32 Szintillatorsonde Vorteile: sehr empfindlich (auch Untergrund präzise messbar) weiter Messbereich kurze Reaktionszeiten Je nach Bautyp auch Energie bestimmbar Nachteile: unhandlich Quelle: automess 32

33 Inhalt Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 33

34 Halbleiterzähler Technisch gesehen Diode, Prinzip ähnlich Solarzelle Ionisierende Strahlung erzeugt Elektron-Loch-Paare Als Spannung messbar Quelle: wikipedia 34

35 Halbleiterzähler Besonders geeignet für Gamma-Spektroskopie Energie von Gamma-Quant ist typisch für Isotop Erfordert hochreine Halbleiter (meist Germanium) Brauchbare Messgenauigkeit erfordert Kühlung (flüssiger Stickstoff) Präzision ist stark von Messdauer abhängig 35

36 Halbleiterzähler High Purity Ge-Detektor Quelle: wikipedia 36

37 Gammaspektrometer 37

38 Spektrum von Uran-Erz Quelle: wikipedia 38

39 Halbleiterzähler Rauschen: Elektronik, Hintergrund Nebenpeaks: Paarbildung, Compton-Streuung Quelle: wikipedia 39

40 Halbleiterzähler Energieeichung sollte durch Kalibrierung sichergestellt sein, Kontrolle durch typische Linien: 40 K: 1460 kev 232 Th: 4038 kev 226 Ra: 4871 kev Paarbildung: 511keV 40

41 Halbleiterzähler Vergleich mit Szintillationszähler Quelle: 41

42 Halbleiterzähler Probenvorbereitung Spezielle Probenbehälter an Detektorform angepasst Wohldefiniertes Volumen sollte homogen und dicht befüllt sein Feuchte Proben schlecht vergleichbar Trocknung sinnvoll Radonmessungen: Aktivkohle Zerfall bedenken ggf. kurze Zeiten zwischen Probennahme und Messung notwendig 42

43 Halbleiterzähler Vorteile Bestimmung der Isotope möglich Hohe Präzision Nachteile: Teils aufwändige Probenaufbereitung Lange Messzeiten schlecht mobil möglich 43

44 Inhalt Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 44

45 Personendosimeter Überwachung der aufgenommenen Dosis Unterschiedliche Bauweisen Meist Pflicht für beruflich strahlenexponierten Personen: Radiologie, Nukleartechnik, ggf Einsatzkräfte 45

46 Personendosimeter Thermoluminiszenz- Dosimeter (TLD) Füllfederhalter- (pen) Dosimeter Quelle: Digitaldosimeter Quelle: wikipedia Filmdosimeter Quelle: Quelle: wikipedia 46

47 Inhalt Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 47

48 Nebelkammer/Blasenkammer Kammer mit übersättigtem Dampf / Flüssigkeit bei Siedeverzug Ionisierung führt zu Kondensation / Sieden Elektrisches Feld lenkt geladene Teilchen ab Bahnen mit freiem Auge erkennbar Quelle: wikipedia 48

49 Widerstandsplattenkammer Quelle: wikipedia 49

50 Kalorimeter Viele Szintillatoren übereinander Gesamte Strahlung wird absorbiert Totale Energie wird gemessen Quelle: wikipedia 50

51 Tscherenkow-Detektoren Bremsstrahlung wird gemessen Können extrem groß gebaut werden Neutrino-Detektoren Quelle: wikipedia 51

52 Inhalt Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 52

53 Mag. Markus Drapalik Borkowskigasse Baracke 4, A-1190 Wien Tel.: , Fax: markus.drapalik@boku.ac.at, Praxisseminar Strahlenschutz: Messtechnik 53 53