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

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1 Praxisseminar Strahlenschutz Teil 4: Messtechnik Markus Drapalik Praxisseminar Strahlenschutz Teil 4: Messtechnik 1 1

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

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

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

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

6 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 6

7 Ionisierende Strahlung 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 7

8 Ionisierende Strahlung Typische Dosen und Dosisleistungen Typische jährliche Dosis in Österreich: ~5mSv Maximale Dosis im Einsatz: 15mSv Katastrophendosis: 250mSv Tödliche Einzeldosis: 7Sv Brustkorb-CT: 7mSv Typischer Hintergrund: nSv/h 8

9 Ionisierende Strahlung 9

10 Inhalt Wiederholung ionisierende Strahlung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 10

11 Messtechnik Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an Effekt ist messbar Mögliche Effekte: Ionisation 11

12 Messtechnik Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an Effekt ist messbar Mögliche Effekte: Ionisation Angeregte Ladungsträger 12

13 Messtechnik Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an Effekt ist messbar Mögliche Effekte: Ionisation Angeregte Ladungsträger Ladungsträger-Trennung 13

14 Messtechnik Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an Effekt ist messbar Mögliche Effekte: Ionisation Angeregte Ladungsträger Ladungsträger-Trennung Gemessen wird Spannung oder Licht 14

15 Inhalt Wiederholung ionisierende Strahlung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 15

16 Gas-Zählrohre Gasgefülltes Zählrohr Mantel aus Metall In der Mitte dünner Draht Einfallende Strahlung ionisiert Gasatome 16

17 Gas-Zählrohre Fenster: meist nur dünneres Metall (für Gamma egal) Für Alpha und Beta wird Glimmer oder PET-Folie benutzt 17

18 Gas-Zählrohre 18

19 Gas-Zählrohre Vorteile: gute Empfindlichkeit pflegeleicht, handlich Nachteile: Nur einzelne Impulse, keine Energien messbar Standardtyp nur für Gammastrahlung 19

20 Gas-Zählrohre 20

21 Hintergrundstrahlung Natürlicher Hintergrund ist immer vorhanden Typisch: nSv/h Für exakte Messungen zusätzliche Abschirmung erforderlich 21

22 Inhalt Wiederholung ionisierende Strahlung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 22

23 Szintillatorsonde Szintillation: durch Strahlung angeregte Atome senden (sichtbares) Licht aus Sehr alte Technik Röntgenschirme, Rutherford 23

24 Szintillatorsonde Wird heute durch Photomultiplier verstärkt und digital detektiert 24

25 Szintillatorsonde Wird heute durch Photomultiplier verstärkt und digital detektiert 25

26 Szintillatorsonde Vorteile: sehr empfindlich (auch Untergrund präzise messbar) weiter Messbereich kurze Reaktionszeiten Je nach Bautyp auch Energie bestimmbar Nachteile: unhandlich 26

27 Inhalt Wiederholung ionisierende Strahlung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 27

28 Halbleiterzähler Technisch gesehen Diode, Prinzip ähnlich Solarzelle Ionisierende Strahlung erzeugt Elektron-Loch-Paare Als Spannung messbar 28

29 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 29

30 Halbleiterzähler 30

31 Halbleiterzähler Rauschen: Elektronik, Hintergrund Nebenpeaks: Paarbildung, Compton-Streuung 31

32 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 32

33 Halbleiterzähler Vergleich mit Szintillationszähler 33

34 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 34

35 Halbleiterzähler Vorteile Bestimmung der Isotope möglich Hohe Präzision Nachteile: Teils aufwändige Probenaufbereitung Lange Messzeiten Nicht mobil möglich 35

36 Inhalt Wiederholung ionisierende Strahlung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 36

37 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 37

38 Widerstandsplattenkammer 38

39 Kalorimeter Viele Szintillatoren übereinander Gesamte Strahlung wird absorbiert Totale Energie wird gemessen 39

40 Tscherenkow-Detektoren Bremsstrahlung wird gemessen Können extrem groß gebaut werden Neutrino-Detektoren 40

41 Inhalt Wiederholung ionisierende Strahlung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 41

42 Mag. Markus Drapalik Borkowskigasse Baracke 4, A-1190 Wien Tel.: , Fax: markus.drapalik@boku.ac.at, Praxisseminar Strahlenschutz Teil 4: Messtechnik 42 42