Nachwuchsförderung im Strahlenschutz

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1 Nachwuchsförderung im Strahlenschutz Thema: Verhältnisbestimmung von Uran 235 zu Uran 238 in Uranglas mit Hilfe eines γ-spektrometers Verfasser: Lars Henschke (Spessart Gymnasium Alzenau)

2 2 I. Geschichte von Uran 03 II. Grundlagen Urangläser und ihre Bedeutung Uranglasherstellung 03 III. Experimenteller Teil Beschreibung des Ge(Li)-Halbleiterdetektors Durchführung Beschaffung des Präparats Ausführung des Experiments Ergebnisse Programm MAESTRO γ-spektrum des Uranschnapsglases 09 IV. Diskussion der Ergebnisse Qualität der γ-spektren Zählausbeute Untergrundrauschen 11 2.Qualitative Analyse des Spektrums Theoretische Grundlagen Natürliche Zerfallsreihen Uran-Radium-Reihe Actinium-Reihe Charakteristische Energiewerte für Nuklide Übergangswahrscheinlichkeit Gefundene Radionuklide Uran Thorium Uran Thorium Protactinium Protactinium 234m Kalium Zusammenfassung Quantitative Analyse des Spektrums Relative Aktivität der Radionuklide Aktivität von U Radioaktives Gleichgewicht Aktivität von Th Aktivität von Pa 234m Aktivität von Pa Aktivität von U Aktivität von Th Zusammenhang Natürliches Uran Verhältnis Uran-235 / Uran 238 in der Probe Bundesgesetzblatt zu den Freigrenzen Folgen für Besitzer/Nutzer 30 V. Bewertung 32 VI. Anhang 32 VII. Literaturverzeichnis 42

3 3 I. Geschichte von Uran URAN Eines der bekanntesten Elemente im Periodensystem. Die Geschichte dieses Elements geht bis ins Jahr 1789 zurück, als es von Martin Heinrich Klaproth entdeckt wurde. Der Name stammt vom acht Jahre zuvor entdeckten Planeten Uranus. Verwendung fand es im 19. Jahrhundert vor allem in der Kunst, wie beispielsweise im Glashandwerk oder in der Porzellanherstellung wurde von Henri Becquerel die Radioaktivität des Urans festgestellt. 1 Seither werden über die gesundheitlichen Risiken spekuliert. In folgender Arbeit wird Uranglas qualitativ als auch quantitativ unter Verwendung eines γ-spektrometers ausgewertet. II. Grundlagen II. 1. Urangläser und ihre Bedeutung Die Geschichte von Uranglas beginnt zeitgleich mit der Entdeckung von Uran Martin Heinrich Klaproth wusste schon recht früh, dass Uranverbindungen Glasschmelzen gelb bzw. grün färben. Aus den dreißiger und vierziger Jahren des 19. Jahrhunderts sind so gut wie keine Überlieferungen vorhanden, da zu dieser Zeit die Zusammensetzung von Uranglas unter strengster Geheimhaltung lag und sogar mit Sippenhaftung bestraft wurde. Ab Mitte des 19. Jahrhunderts verzeichnete die Uranglasherstellung einen Aufschwung. Vor allem die böhmische Familie Riedel wird in diesem Zusammenhang erwähnt. Die Farben Annagelb und Annagrün sind die Schöpfung von Josef Riedel, der die Farben nach seiner Frau Anna benannte. Der Besitz von Uranglas oder anderen Gegenständen mit Uranzusatz waren zu dieser Zeit sehr begehrt. Die Fluoreszenz der Gegenstände hatte etwas geheimnisvolles und schönes. Uranglas entwickelte sich zu einem Statussymbol. 2 II. 2. Uranglasherstellung Glas ist ein Schmelzprodukt, welches nach abkühlen erstarrt ist. Der wichtigste Bestandteil in Glas ist SiO 2. Gläser besitzen keinen festen Schmelzpunkt, sondern eher einen Schmelzbereich, in welchem sie verformbar sind. Glas aus 100% SiO 2 wird nur für Spezialzwecke hergestellt. Durch Zusätze in der Schmelze, wie K 2 O, Na 2 O, Uranfarben, Urangläser, Uranglasuren S.73ff

4 4 PbO oder CaO, wird der Schmelzbereich gesenkt und chemische, optische und mechanische Eigenschaften werden verändert. Durch Zugabe von Na 2 U 2 O 7 erhält das Glas fluoreszierende Eigenschaften. Man unterscheidet zwischen Annagelb und Elenorengrün. Zwei Farben, die durch unterschiedliche Mischverhältnisse der Komponenten und metallischen Verbindungen zustande kommen. 3 Annagelb Annagrün Abb. II.1 3 Uranfarben, Urangläser, Uranglasuren S.67ff

5 5 III. Experimenteller Teil III. 1. Ge(Li) Halbleiterdetektor Abb. III.1 Die im Halbleiter vorhandene dünne Siliciumschicht wurde auf der einen Seite mit Phosphor (p-schicht) und auf der anderen Seite mit Bor oder Aluminium (n-schicht) eindiffundiert. Dazwischen befindet sich der so genannte p,n-übergang, an dessen Grenzen sich entgegengesetzte Raumladungen einstellen. So entsteht die für y- Quanten empfindliche Sperrschicht. Die Größe dieser Schicht kann mit steigender Spannung vergrößert werden, was für die Messung von energiereicher Strahlung notwendig ist. Eine weitere Möglichkeit um energiereiche Strahlung zu messen, ist die Eindiffusion von Lithium in die p-germanium-schicht, was auch bei dem Modell in Darmstadt der Fall ist. Allerdings muss bei dieser Methode der Detektor mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden, um die Diffusion von Lithium zu verhindern. Trifft nun ein y-quant auf den Detektor, erzeugt es entlang seines Weges durch die Sperrzone Elektronen-Loch-Paare, welche durch die angelegte Spannung zu den Feldgrenzen Aus Keller, Cornelius: Radiochemie S. 73 Abb. III.2

6 6 gezogen werden und dort einen Spannungsimpuls auslösen. 4 Durch den dahinter geschalteten Feldeffekttransistor wird das Signal verstärkt. Anschließend werden über den Analog-Digital-Konverter die Impulse der 8192 Kanäle auf die Energiewerte geeicht. Ein dahinter geschalteter Computer zählt die Impulse der einzelnen Energien. Ausgewertet wird die Amplitude des Spannungsimpulses, welcher zur Energie des y-quants proportional ist. Um den Detektor gegen äußere Einflüsse wie Terrestrische Strahlung und Höhenstrahlung zu schützen wird der Spektrometer durch mehrere Schichten verschiedenen Materials geschützt. Die äußerste Schicht der Apparatur ist eine 5 cm starke Bleiburg (siehe Abb. III.2). Diese schützt die Messvorrichtung zwar vor Strahlung der natürlichen Zerfallsreihe aber nicht vor der Röntgenstrahlung, die von hochenergetischen y- Quanten der Höhenstrahlung im Pb erzeugt wird und immerhin noch bis 85 kev betragen kann. Aus diesem Grund ist die nächste Abschirmung eine Eisenschicht, die die Röntgenstrahlung von Blei absorbiert, und selbst nur noch 7 kev emittiert. Bei der Wahl des Eisens ist jedoch darauf zu achten, dass es vor 1960 produziert sein sollte, da seit 1960 Cäsium 137 für die Füllstandskontrolle bei der Herstellung von Stahl benutzt wird und somit auch in den Stahl gelangen kann. Um das Messgerät vor Neutronen zu schützen, die durch Spontanspaltung von Uran oder Thorium entstehen, verwendet man Cadmium, da es einen hohen Einfangsquerschnitt besitzt. Schließlich muss noch eine Schicht eingebaut werden, die für β-strahlung undurchlässig ist. Diese Aufgabe übernimmt eine Plexiglasschicht. Abb.III Radiochemie, S c_KernchemieLow%20Level1.pdf

7 7 III. 2. Durchführung III Beschaffung des Präparats Das γ-spektrometrisch zu untersuchende Uranschnapsglas wurde bei ebay Deutschland am von dem Verkäufer glas.de für 13,28 ersteigert. Bei einer Suche auf der ebay-website nach Uranglas findet man die verschiedensten Artikel aus Uranglas. Vom schlichten Uranwassserglas, über Uranglasteller und Uranringhalter bis hin zur Uranglasvase ist alles vertreten. Das erstandene Uranschnapsglas hat eine Höhe von 8 cm, wiegt 72,7 g und hat am Fuß einen Durchmesser von 3 cm. Abb. III. 4 III Ausführung des Experiments Nachdem die Funktionsweise des γ-spektrometers nun bekannt ist, kann man sich der Ausführung des Experiments widmen. Wie bereits bei dem Aufbau der Messapparatur beschrieben, wiegt der auf Rollen gelagerte Deckel 1,8 Tonnen. Um diesen aufzuziehen, ist einige Muskelkraft notwendig. Danach entfernt man eine Deckelschicht nach der anderen, bis man zum Kopf des Detektors vorgestoßen ist. Nun platziert man die Probe direkt auf dem Detektor, sodass so viele γ-strahlen wie möglich auf den Detektor auftreffen und somit der Wirkungsgrad der Messapparatur so hoch wie möglich ist. Jetzt werden alle Deckel wieder platziert und zu guter letzt mit dem Bleideckel abgedeckt, um daraufhin über den am Spektrometer angeschlossenen Computer die Messung zu starten. Abwarten und den Mitarbeitern der Technischen Universität Darmstadt zu danken, dass sie alle drei Tage den Spektrometer mit neuem flüssigen Stickstoff befüllen, um den Detektor auf Temperatur zu halten, ist das einzige, was man während der Messzeit machen kann. Das Uranglas wurde insgesamt ,7 Sekunden (32 Tage!) gemessen. Das Messergebnis wird in einer Datei ausgegeben, die man mit dem Programm MAESTRO öffnen kann. Des Weiteren führt man eine Untergrundmessung durch, d.h. es wird eine Messung vorgenommen, ohne ein Präparat in die Apparatur zu legen. Hiermit wird in Erfahrung gebracht, welche Gammalinien nicht von den Präparaten stammen und somit

8 8 das Messspektrum verfälschen werden. Außerdem lässt sich bei dieser Untergrundmessung das Untergrundrauschen erkennen, welches ebenfalls in der späteren Auswertung verrechnet werden muss. Blick in die geöffnete Bleiburg und auf den Detektor Abb III.5 III. 3. Ergebnisse III Programm MAESTRO Für die Betrachtung der Gammaspektren auf dem Computer außerhalb des Labors bedarf es eines Programms. Mit dem Programm MAESTRO ist es möglich die gemessenen Werte in einem Diagramm darzustellen (s. Anhang III). Allerdings ist hier zu beachten, dass auf Grund langer Messzeit oder eines Stromausfalls die Eichung des Spektrums noch nicht korrekt ist. Um diesen Fehler zu beheben, müssen die Messkanäle zweier Photopeaks, von denen man das dazugehörige Nuklid kennt, mit dem entsprechenden Energiewert eichen. Je weiter die beiden Peaks auseinander liegen, desto genauer ist das Ergebnis.

9 9 III γ-spektrum des Uranschnapsglases Um das komplette Spektrum des Uranglases auf einer Seite angemessen darstellen zu können, ist auf Ordinatenachse des Diagramms der Logarithmus der Impulse angetragen. Andernfalls wäre nicht viel auf dem Spektrum zu sehen. Abb. III.6 Die vergrößerte Normaldarstellung, mit der Impulszahl an der Ordinatenachse, findet man im Anhang II.

10 10 IV. Diskussion der Ergebnisse Das sich anschließende Kapitel befasst sich mit jeglicher Auswertung des Gammaspektrums vom verwendetem Testpräparat, dem Uranschnapsglas. IV. 1.Qualität von γ-spektren Zunächst setzt man sich mit der allgemeinen Brauchbarkeit von γ-spektren auseinander. Hier ist einerseits zu klären, wie viel von der tatsächlichen Strahlung gemessen werden kann und andererseits, welche Art von Störfaktoren, unabhängig von der zu untersuchenden Substanz, auftreten. IV Zählausbeute Bei der quantitativen Auswertung des Spektrums ist zu beachten, dass keinesfalls alle Zerfälle gemessen werden können. Geht man davon aus, dass eine Probe ihre Gammaquanten in alle Richtungen sendet, macht allein schon die Geometrie des Ge(Li)-Halbleiterdetekors eine 100 %-ige Zählausbeute nicht möglich. Auf Grund der Tatsache, dass das Präparat auf der flachen Detektorplatte liegt, verringert sich die Zählausbeute auf unter 50 %. Dieser Sachverhalt ist in folgender Skizze dargestellt. Abb. VI.1 Es handelt sich bei dieser Darstellung um einen theorethischen Aufbau, da in der Realität der Abstand, bedingt durch einen Schutz des Detektors, zwischen Probe und Detektor größer ist. Folglich wird dadurch auch die Zählausbeute geringer.

11 11 Ein weiterer Faktor ist die Selbstabsorbtion des Präparates, welche bei zunehmender Masse ebenfalls größer wird. Bei diesem Effekt wird das ausgesendete Gammaquant vom Probenmaterial selbst absorbiert und verlässt folglich überhaupt nicht das Präparat. 6 Basierend auf diesen beiden Erkenntnissen wird für Präparate in der Größenordnung des Uranglases folgendes Diagramm für die Zählausbeute benutzt. Abb. IV.2 Verändertes Diagramm der TU Darmstadt IV Untergrundrauschen Betrachtet man ein Spektrum, bei welchem kein Präparat gemessen wurde, stellt man fest dass auch in diesem Spektrum ein Untergrundrauschen vorhanden ist. Wie im folgenden Leerspektrum zu sehen, ist sogar ein Photopeak bei 511 kev eindeutig zu erkennen. 6 Einführung in die Kernchemie, S. 187

12 12 Abb. IV.3 Das Untergrundrauschen wird vor allem vom Comptoneffekt verursacht. Anders als beim Photoeffekt, gibt es für ein Gammaquant auch die Möglichkeit nur einen Teil der Energie an ein Elektron abzugeben. Dieses energiereiche Comptonelektron verlässt anschließend das Atom. Folglich bewegt sich das Gammaquant mit geringerer Energie in eine andere Richtung und kann an das nächste Elektron einen weiteren Teil seiner Energie übertragen. Abbildung IV.4 verdeutlicht den Ablauf. Das geht so lange bis es letztendlich die restliche Energie komplett mittels des Abb. IV.4 Photoeffekts an ein Elektron abgegeben hat. 7 Das Resultat ist ein kontinuierliches Energiespektrum, was zu einen Teil das Untergrundrauschen ausmacht. 7 Radioaktivität und Strahlenschutz, S19

13 13 Die Zweite Komponente dieses Rauschsignals ist die sogenannte Bremsstrahlung. In diesem Fall wird ein Elektron, welches beim Compton- oder Photoeffekt erzeugt wurde, an einem Atomkern abgebremst. Dabei entsteht ein Gammaquant niedriger Energie, wie in Abb. IV.5 zu erkennen ist. 8 Abb. IV.5 Der gut erkennbare Peak bei 511 kev ist auf Vernichtungsstrahlung zurück zu führen. Diese Strahlung entsteht aus Quanten mit der Energie über 1022 kev. Ab diesem Wert ist das Quant in der Lage im elektrischen Feld eines Atomkerns ein Elektron und ein Positron zu erzeugen, welche sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Trifft das Positron auf ein Elektron, kommt es zu Annihilation unter Aussendung von zwei entgegengesetzten Gammaquanten mit der Energie von 511 kev. Die Abbildungen IV.6 und IV.6 veranschaulichen die Abläufe bei diesem Vorgang. 9 Abb. IV.6 Abb. IV.7 IV. 2. Quantitative Analyse des Spektrums IV. 2.1 Theoretische Grundlagen Damit das Gesamtbild er Analyse leichter zu verstehen ist, müssen bevor man zur Auswertung schreitet, noch grundlegende Sachverhalte erklärt werden. 8 Radioaktivität und Strahlenschutz, S Radioaktivität und Strahlenschutz, S. 20

14 14 IV Natürliche Zerfallsreihen Da sich auf Grund von α- und β-zerfall die Glieder einer Zerfallsreihe in ihrer Massenzahl um 4 Einheiten unterscheiden oder die gleiche Nukleonenzahl besitzen, gibt es in der Natur nur vier Zerfallsreihen. Die Uran-Radium-Reihe, die Actinium-Reihe, die Thorium-Reihe und die Neptunium-Reihe. Nuklide aus letzterer sind in der Natur nicht mehr vorhanden, da diese im Laufe der Zeit schon zerfallen sind. 10 Wichtig für die Bestimmung des Verhältnisses von Uran 235 zu Uran 238 im Uranglas sind Uran-Radium- und Actinium-Familie, bedingt dadurch, dass die beiden Isotope die Mutternuklide der jeweiligen Reihen sind. IV Actinium-Zerfallsreihe Die Uran-Actinium-Zerfallsreihe beginnt bei Radioisotop U-235. Über die Nuklide Th-231, Pa-231, Ac-227, Th-227, Ra.223, Rn,219, Po-215, Pb-211, Bi-211 und Tl- 207 endet diese Reihe nach 7 α- und 4 β-zerfällen beim stabilen Pb Ausschnitt aus Nuklidkarte: Abb. IV.8 10 Einführung in die Kernchemie, S Nuclids 2000

15 15 IV Uran-Radium-Zerfallsreihe Die Uran-Radium-Zerfallsreihe beginnt bei dem langlebigen Radioisotop U-238. Über die Nuklide Th-234, Pa-234, U-234, Th-230, Ra-226, Rn-222, Po-218, Pb-214, Bi-214, Po-214, Pb-210, Bi-210 und Po-210 endet die Reihe nach 8 α- und 6 β- Zerfällen beim stabilen Pb Ausschnitt aus Nuklidkarte: Abb. IV.9 IV Charakteristische Energiewerte für Nuklide Um anschließend die erwarteten Nuklide aus den beiden Zerfallsreihen im Spektrum zu identifizieren und nachzuweisen, müssen die für die einzelnen Isotope charakteristischen Energiewerte gefunden werden. Es gibt zwei Arten von γ-strahlung: Die monoenergetische Strahlung, welche nur einen Energiewert pro Nuklid aufweist, und die Strahlung, welche mehrere Energiewerte besitzt. Werden bei der Auswertung die entsprechenden Photopeaks an den richtigen Stellen gefunden, ist das Nuklid sehr wahrscheinlich im Präparat enthalten. 12 Nuclids 2000

16 16 IV Übergangswahrscheinlichkeit Um alle theoretischen Grundlagen für die qualitative Auswertung eines Gammaspektrums genannt zu haben, wird in diesem Unterpunkt noch die Übergangswahrscheinlichkeit erklärt. Dieser Wert ist für den Fall, dass zwei oder mehrere Nuklide einem Peak zugeordnet werden könnten, sehr wichtig. Bedingt durch die Tatsache, dass nicht bei allen Zerfällen Gammaquanten ausgesendet werden, ergibt es eine unterschiedliche Gewichtung bei der Zuordnung der Nuklide mit den Photopeaks. Infolgedessen gibt es für jeden Energiewert eines Nuklids eine sogenannte Übergangswahrscheinlichkeit, welche die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit für das Auftreten dieses Gammaquanten bei einem speziellem Nuklid angibt. 13 IV Gefundene Radionuklide Unter Beachtung der Sachverhalte aus vorgehendem Kapitel schließt sich im Folgenden die Qualitative Auswertung, mit Hilfe der gefundenen γ-linien des Spektrums an. IV Uran 235 Sucht man nach charakteristischen Energiewerten des Uran 235, betrachtet man den Bereich von 130 kev bis 220 kev des Spektrums. In dieser Spanne befinden sich sechs der wahrscheinlichsten Photopeaks, welche sich auf Uran 235 zurückführen lassen. Energie Übergangswahrscheinlichkeit ev 5,7240E ev 1,0962E ev 5,0814E ev 5,0112E-02 ( ev 1,5390E-02) ev 1,0800E ev 6,3180E-03 Tb IV.1 13 Experimental γ Ray Spectroscopy and Investigations of Environmental Radioactivity, S.28

17 17 Weitere Peaks von diesem Nuklid sind für die Auswertung uninteressant, da deren Übergangswahrscheinlichkeiten um ein vielfaches kleiner sind. Abb.IV.10 Alle markierten Peaks in diesem Spektrumausschnitt, außer der Ausschlag bei 186 kev, sind signifikant für Uran 235 und lassen somit auf die Anwesenheit von diesem Nuklid in der Probe schließen. Bei 186 kev handelt es sich um einen überlagerten Peak, da dieser Energiewert auch bei Ra 226 auftritt. Diese Tatsache muss bei der quantitativen Analyse berücksichtigt werden, da Ra 226 in der Zerfallsreihe von U 238 gebildet wird und somit in der Probe vorhanden sein kann. Der Wert bei 109 kev kann nicht ordnungsgemäß gemessen werden, da hier die Untergrundstrahlung zu groß ist. IV Thorium 231 Um die Anwesenheit von Uran 235 zu bestätigen, sucht man nach Gammalinien des Thorium 231, da dieses Nuklid das Zerfallsprodukt von U 235 ist und somit in kleinen Mengen messbar sein muss.

18 18 Die wahrscheinlichsten Linien sind: Energie Übergangswahrscheinlichkeit ev 1,4600E ev 6,7100E ev 9,4000E ev 8,5000E-03 Tb IV.2 Der erste Wert ist nicht messbar, da dieser außerhalb des Messbereichs fällt. Alle anderen Linien sind gut zu erkennen und bestätigen Uran 235 als Komponente des Uranglases. Abb. IV.11 IV Uran 238 Die Tatsache, dass die zwei vorhandenen Gammaenergiewerte von Uran 238 lediglich eine Übergangswahrscheinlichkeit besitzen, die kleiner ist als 0.07 %, führt dazu, dass man keine Peaks für dieses Isotop in einem Gammaspektrum finden wird. Um Uran 238 in der Probe nachzuweisen, muss dies folglich über die Identifikation der Tochternuklide durchgeführt werden.

19 19 IV Thorium 234 Das erste Folgenuklid von Uran 238 ist Thorium 234. Es ist ein Betastrahler mit einer Halbwertszeit von 24,1 Tagen 14. Die größten Peaks wird man bei einer Energie zwischen 50 kev und 120 kev erwarten: Energie Übergangswahrscheinlichkeit ev 4,0034E ev 2,7212E ev 2,6888E ev 2,5427E ev 7,0330E-04 Tb IV.3 Bei Betrachtung der Graphik IV.12 fällt auf, dass sich die Werte 92,4 kev und 92,8 kev zu einem Photopeak addieren, welcher auch einen entsprechend größeren Ausschlag zu verzeichnen hat. In diesem Fall ist die Überlagerung von zwei Photopeaks nicht weiter schlimm, da beide Linien von Thorium 234 erzeugt werden. Wie in X.X. beschrieben kommt es bei 83,3 kev zur Überlagerung. Auf diesen Wert muss folglich verzichtet werden. Auf Grund der Bestätigung der restlichen Werte enthält das Uranglas Thorium 234. Abb. IV Nuclides 2000

20 20 IV Protactinium 234 Das nächste Nuklid in der Uran-Radium-Zerfallsreihe ist das Protactinium 234. Energie Übergangswahrscheinlichkeit ev 1,4000E ev 9,8000E ev 9,8000E ev 7,8400E ev 7,7000E-02 Tb IV.4 Bei Betrachtung der wahrscheinlichsten Energiewerte (Tb IV.4) stellt man im Spektrum (Abb.IV.13) fest, dass diese Photopeaks kleiner ausfallen als erwartet. Abb. IV.13 Für die Begründung dieser Feststellung muss etwas weiter ausgeholt werden. Bei α- sowie β-zerfällen entsteht häufig nicht direkt das Tochternuklid im Grundzustand, sondern im sogenannten angeregten Zustand. Dieses Phänomen nennt sich Kernisomerie, da sich der Unterschied zwischen den beiden Zuständen im Kern befindet. Beim Übergang in den Grundzustand wird γ-strahlung emittiert. Die Lebensdauer eines solchen Kerns erstreckt sich von 650 a bis s. Kürzere Zeiten können nicht gemessen werden und werden deshalb nicht erwähnt. Kerne mit messbarer Lebensdauer werden metastabil genannt. Ein Teil der metastabilen Kerne fällt in den

21 21 Grundzustand ab. Der Rest zerfällt in das Tochternuklid. 15 Im Fall von Pa 234m zerfällt 99,87 % in U Nur bei 0,13 % erfolgt der Übergang in den Grundzustand (Pa 234) und erklären folglich die kleineren Peaks bei Pa 234. IV Protactinium 234m Wie schon in IV erklärt, handelt es sich bei Pa 234m um ein metastabiles Nuklid. Im Bereich zwischen 730 kev und 1010 kev befinden sich vier, der häufigsten Emissionsenergien von Pa 234m. Energie Übergangswahrscheinlichkeit ev 5,8923E ev 2,0673E ev 5,6926E ev 5,6526E ev 3,4156E-04 Tb IV.5 In Abbildung IV.14 sind alle fünf Photopeaks gut erkennbar und konkurrieren mit keinem Nuklid. Dementsprechend ist Pa 234m ein weiterer Beweis für die Anwesenheit U-238 im Schnapsglas. 15 Radiochemie, S Einführung in die Kernchemie, S. 238 Abb. IV.14

22 22 IV Kalium 40 Selbstverständlich befinden sich im Spektrum auch Photopeaks, deren Herkunft nicht die radioaktive Zerfallsreihe ist. Ein Beispiel ist der Ausschlag bei 1460,8 kev, welcher in Abb. IV.15 zu sehen ist. Das verursachende Radionuklid ist Kalium 40. Natürliches Kalium enthält zu 0,012% K Kalium ist bei der Glasherstellung in Form von Kaliumoxid zu finden. Es dient unter anderem als Flussmittel. 18 Abb. IV.15 IV Zusammenfassung Die qualitative Analyse zeigt eindeutig Spuren von U-235 und U-238 im Präparat. Diese Erkenntnis wurde zudem mit Hilfe der Identifizierung der Tochternuklide bestätigt. Außerdem wurde auch ein Nuklid außerhalb der Zerfallsreihen nachgewiesen, welches auf natürliche Strahlung zurückzuführen ist. Nachdem die qualitative Auswertung abgeschlossen ist und die wichtigsten Nuklide im Spektrum bekannt sind, folgt nun die quantitative Analyse

23 23 IV. 3. Quantitative Analyse des Spektrums IV. 3.1 Relative Aktivität der Radionuklide Im folgenden wird die Aktivität der Nuklide im Uranschnapsglas bestimmt. Demzufolge wird bei diesem Schritt jeder Photopeak quantitativ ausgewertet. Zunächst muss festgestellt werden, wie viele Impulse bei der gewünschten Energie gemessen wurden. Folglich muss die Anzahl an Impulsen im ganzen Photopeak ausgerechnet werden, was über die Flächenberechnung eines Peaks erreicht wird. In Abbildung IV.16 ist ein Beispiel zu sehen. Abb. IV.16 Der grau markierte Teil des Photopeaks ist das Untergrundrauschen, welches auch in einem Leerspektrum vorhanden ist (vlg. IV.1.2). Für die quantitative Analyse ist also vor allem der Nettopeakwert von Bedeutung. Das Programm MAESTRO, welches auch für die Betrachtung der Spektren notwendig ist, besitzt die Funktion, diese Nettofläche auszurechnen. Das Programm geht dazu folgendermaßen vor: Der Anwender markiert den gewünschten Ausschnitt des Spektrums (s. Anhang III). Das Programm liest anschließend die letzten 3 Kanäle auf der linken und rechten Seite, um auf beiden Seiten einen Mittelwert für das Untergrundrauschen aufzustellen. Mit diesen Werten rechnet es das Untergrundrauschen unterhalb des Peaks aus. Diesen Wert zieht es dann vom kompletten Peak, dem Bruttowert, ab und erhält den Nettowert. Der nun erhaltene Wert gibt die Zerfälle an, die der Ge(Li)-Detektor gemessen

24 24 hat. Wie im Kapitel IV.1.1 schon erklärt worden ist, detektiert das Gerät nicht alle Zerfälle in der Probe. Zum einen spielt die Zählausbeute des Detektors eine Rolle, da nicht alle γ-quanten die Detektorplatte treffen 19. Des Weiteren spielt, wie auch schon bei der qualitativen Analyse, die Übergangswahrscheinlichkeit (vgl. IV.2.1.3) eine wichtige Rolle, und muss berücksichtigt werden. So ergibt sich folgende Rechnung für die Aktivität zur Zeit t: A t = Nettoimpulse Zeit[] s A[%] H[%] A:= Zählausbeute des Detektors H:= Übergangswahrscheinlichkeit IV Aktivität von Uran 238 Bei der quantitativen Auswertung von Uran 238 stößt man auf das gleiche Problem wie bei der qualitativen Analyse: Es gibt keine analysierbaren Ergebnisse für dieses Isotop. Trotzdem ist es möglich, die Aktivität des Nuklids unter gewissen Rahmenbedingungen zu ermitteln. Unter Zuhilfenahme des radioaktiven Gleichgewichts ist dieser Aktivitätsbestimmung von Uran 238 über das Tochternuklid möglich. Die Zusammenhänge werden im nächsten Kapitel erläutert. IV Radioaktives Gleichgewicht Die Aktivität und die Teilchenmenge der Radionuklide in einer Zerfallsreihe stehen, abhängig von den Halbwertszeiten der Mutter- und Tochternuklide, in einem bestimmten Verhältnis 20. Das hat bei der quantitativen Analyse von Uran 238 eine große Bedeutung, da bei diesem Isotop die zwei vorhandenen Energiewerte für Gammastrahlung unter 0,07% liegen und somit nicht ausreichend detektiert worden sind. Deswegen muss man hier auf das radioaktive Gleichgewicht zurückgreifen und die Aktivität über die Folgeprodukte bestimmen. Das Tochternuklid von Uran 238 ist Thorium 234. Auf Grund der langen Halbwertszeit von Uran 238 und der kurzen Halbwertszeit von Thorium 234 liegt hier ein säku- 19 Experimental γ Ray Spectroscopy and Investigations of Environmental Radioactivity S.48 20, Einführung in die Kernchemie, S.122

25 25 lares Gleichgewicht vor 2. Ein solches Gleichgewicht stellt sich nach 10 Halbwertszeiten des Tochternuklids ein und beträgt im Falle dieses Thoriumisotops 241 Tage. Nach Ablauf dieser Zeit ist die Teilchenanzahl der Tochter konstant. Diese Erkenntnis ist auf den großen Unterschied bei den Halbwertszeiten zurückzuführen. Durch die lange Halbwertszeit von Uran 238 ist die Teilchenanzahl dieses Nuklids praktisch konstant. Andererseits bewirkt die kurze Halbwertszeit von Thorium 234, dass nach Ablauf einer bestimmten Zeit die Aktivität des Thoriums so weit gestiegen ist, dass genauso viele Thoriumatome zerfallen wie gebildet werden. Dann ist die Aktivität des Tochternuklids gleich der des Mutternuklids 3. Da das zu untersuchende Objekt älter als zwei Jahre ist, hat sich das Gleichgewicht eingestellt und man kann nun durch Ermitteln der Aktivität von Thorium 234, Protactinium 234 und Protactinium 234m auf die Aktivität von Uran 238 schließen. IV Thorium 234 Für die Berechnung der Aktivität von Thorium 234 wird die in Kapitel IV.3.1 genannte Formel verwendet. Nach Einsetzen der Werte bei 63,29 kev ergibt sich folgende Rechnung: Nettoimpulse A t (Th234 (63,3keV)) = 157,86 Bq Zeit[ s] A[%] H[%] = s 3% 4,0% = Durch dir Überlagerung von 92,8 kev und 92,4 kev muss bei der Berechnung die Übergangswahrscheinlichkeit von beiden Energien addiert werden: A t (Th234 (92,8keV; 92,4keV)) = 131, 00 Bq s 11% 5,41% = Der Peak bei 112,8 kev ist zu stark überlagert, sodass dieser nicht in die Rechnung einbezogen wird. Die durchschnittliche Aktivität von Thorium 234 beträgt also 144,43 Bq. 2 Einführung in die Kernchemie, S Einführung in die Kernchemie, S.126f

26 26 IV Protactinium 234m Für die beiden Werte bei Protactinium 234m ergeben sich folgende Aktivitäten : A t (Pa234m (1001,02 kev)) = 316,86 Bq s 2, 4% 0,589% = A t (Pa234m (766,36 kev)) = 330, 46 Bq s 3,1% 0,207% = Der Mittelwert ist folglich 323,66 Bq. IV Protactinium A t (Pa234 (131,3 kev)) = 0,289 Bq s 14% 14% = 6257 A t (Pa234 (227,1 kev)) = 0,567 Bq s 3,99% 10% = 3182 A t (Pa234 (569,3 kev)) = 0,349 Bq s 7,84% 4,2% = 1532 A t (Pa234 (733,0 kev)) = 0,287 Bq s 6,02% 3, 2% = 3284 A t (Pa234 (946,0 kev)) = 0, 485 Bq s 9,8% 2,5% = Mittelwert : 0,395 Bq IV Uran A t (U235 (143,8 kev)) = 7,36 Bq s 11% 14% = A t (U235 (163,3 kev)) = 7,57 Bq s 5,08% 13,5% = A t (U235 (185,7 kev)) = 7,51 Bq s 57, 24% 13% = Mittelwert : 7,48 Bq

27 27 Wie in Kapitel IV erwähnt, handelt es sich bei 185,7 kev um eine Überlagerung mit Ra226. Dennoch hat Ra226 durch seine, im Vergleich zu U235, sehr kleine Übergangswahrscheinlichkeit, keine bzw. nur sehr kleine Auswirkungen auf die Größe des Peaks. Hinzukommt die Tatsache, dass von Ra226, bedingt durch seine Lage in der Zerfallsreihe, nicht viel im Präparat vorliegt. Ferner verkleinert die Bildung des Mittelwerts den möglichen Fehler zusätzlich. IV Thorium A t (Th231 (84,2 kev)) = 7, 44 Bq s 6,8% 9,5% = Ergebnis: 7,44 Bq Auf Grund der Tatsache, dass die restlichen Peaks nicht eindeutig abzugrenzen sind, können sie in der quantitativen Analyse nicht hinzugezogen werden. IV Zusammenhang Bei genauer Auseinandersetzung mit den soeben ausgerechneten Aktivitäten wird man Zusammenhänge, welche auch schon in der qualitativen Auswertung eine Rolle gespielt haben, feststellen. Beim Vergleich der einzelnen Aktivitäten des U-235, stellt man einen geringen Unterschied der Werte fest, was auf einen geringen Fehler und gute Messergebnisse hinweist. Angesichts des radioaktiven Gleichgewichts, welches sich zwischen U-235 und Th-231 einstellt, müssten beide Aktivitäten gleich groß sein. Diese Erwartung wird nicht enttäuscht, denn Th-231 weicht nur mit 0,04 Bq von dem Uran-235-Wert ab. Anders sieht es zwischen den Werten von Th-234 und Pa-234m aus, welche für die Aktivitätsbestimmung von U-238 wichtig sind. Beide Radionuklide haben mit U-238 ein säkulares Gleichgewicht aufgebaut und müssten folglich auch die gleiche Aktivität besitzen. Dem ist aber nicht so. Pa-234m strahlt mit über doppelt so großer Aktivität verglichen mit Th-234. Dabei ist zu erwähnen, dass Th-234 die ungenaueren Messergebnisse liefert. Auf Grund des Doppelpeaks bei 92 kev und der Tatsache,

28 28 dass durch vermehrte Röntgenstrahlung in niedrigeren Energiebereichen ist anzunehmen, dass der Wert für Th-234 zu niedrig ist. Zumal ein Tochternuklid in einem säkularem Gleichgewicht keine höhere Aktivität haben kann. Sehr aufschlussreich ist der Vergleich von Pa-234 und Pa-234m. Wie im Kapitel IV erklärt, ist bei Pa-234m nur annähernd 100% β-zerfall zu beobachten. Ein kleiner Bruchteil geht über isomere Umwandlung in Pa-234 über. 21 Das Verhältnis der beiden Bruchteile entspricht dem Verhältnis der beiden Aktivitäten. t t ( ) ( ) A Pa 234 0,395 Bq = = A Pa 234m 323,66 Bq 1, 22E-03 Isomere Umwandlung bei Pa-234m [%] 0,13% = = 1,30E-03 Betazerfall bei Pa-234m [%] 99,87% Demzufolge ist das Verhältnis der beiden Vorgänge annäherungsweise auch mit einem Gammaspektrum zu bestimmen. Der Fehler von 0,8E-04 ist auf Messfehler bzw. auf Ungenauigkeiten bei der Auswertung zurückzuführen. IV Natürliches Uran Natürliche Uranvorkommen sind in der Natur nur als Uranerze anzutreffen. Bei diesen natürlichen Vorkommen herrscht ein ganz bestimmtes Verhältnis zwischen den einzelnen Isotopen. Die Nuklide mit dem größten Massenanteil sind U-238 (99,28%) und U-235 (0,72%). Bei Ermittlung der Teilchenanzahl dieser Isotope im Präparat erwartet man an das gleiche Verhältnis wie bei natürlichem Uran. IV Verhältnis U-235 / U-238 in der Probe Im Folgenden wird die Teilchenanzahl für U-238 und U-235 ermittelt. Mit Hilfe des Zerfallsgesetzes kann über die Aktivität des jeweiligen Nuklids die Teilchenanzahl bestimmt werden. 21 Einführung in die Kernchemie, S. 238

29 29 Für diese Berechnung wird folgende Gleichung verwendet: 22 A t ln 2 = λnt wobei λ = T 1/2 Nach Umformen erhält man: N t At = λ Bei Verwendung der im vorigen Kapitel errechneten Aktivitäten ergeben sich folgende Rechnungen: ln2 λ( U235) = = 3,122E-17 s 7,05E+08y ln2 λ( U238) = = 4,917E-18 s 4,47E+09y Nt Nt 1 1 7,48 Bq ( U235) = = 2,396E ,122E-17 s 323,66 Bq ( U238) = = 6,582E ,917E-18 s Für das Verhältnis der Radionuklide ergibt sich aus den errechneten Aktivitäten folgender Wert: Massenanteil(U-235) 0,363% = Massenanteil(U-238) 99, 637% Auffällig an diesem Wert ist der geringe Massenanteil von U-235. Im Präparat ist prozentual nur halb soviel U-235 vorhanden wie in natürlichem Uran. Allein durch einen Messfehler kann so ein großer Unterschied nicht zustande kommen. Nach gründlicher Recherche stößt man auf die Tatsache, dass die Verwendung von natürlichem Uran in Uranglas nur vor 1950 üblich war. Seitdem wird angereichertes Uran, mit einem U-235-Gehalt von 3%, für militärische als auch zivile Zwecke benö- 22 Einführung in die Kerchemie, S. 115

30 30 tigt. Um letzteres Herzustellen ist es nicht möglich U-235 komplett aus dem Isotopengemisch zu entfernen. Folglich entsteht bei der Anreicherung auch abgereichertes Uran, bei welchem der U-235-Massenanteil von 0,35% gemessen wird. Dieser Wert entspricht mit nur geringer Abweichung dem Messergebnis des Uranschnapsglases. Es kann somit der Schluss gezogen werden, dass dieses Glas mit sehr großer Wahrscheinlichkeit nach 1950 hergestellt wurde. IV. 4. Bundesgesetzblatt zu den Freigrenzen Ist die Menge an den radioaktiven Stoffen in diesem Glas überhaupt in Deutschland gestattet für den privaten Besitzer? Um diese Frage zu klären reicht ein Blick in das Bundesgesetzblatt von 2001: 23 Isotop Erlaubt Enthalten U Bq 10 Bq/g 4,45 Bq/g U Bq 10 Bq/g 0,10 Bq/g Th Bq 1000 Bq/g 4,45 Bq/g Tb IV.6 Aus der Tabelle wird ersichtlich, dass die jeweiligen Isotope im Uranschnapsglas unterhalb der Freigrenzen liegen und somit das Besitzen von Uranglas erlaubt ist. IV. 5. Folgen für den Besitzer Natürlich stellt sich die Frage nach der Bedenklichkeit bei der tatsächlichen Anwendung eines solchen Glases. Allein schon durch die Anwesenheit von Uran im Namen suggeriert es eine gewisse Skepsis gegenüber dem Gegenstand. Effektiv enthält das Schnapsglas 26 mg Uran. Mit diesem Wert kann man aber nicht abschätzen ob das Glas gefährlich ist oder nicht. Diese Frage lässt sich über die Äquivalenzdosis klären. Als gefährliche Substanzen sind nur Uran, Thorium und Protactinium zu betrachten, da diese die größte Aktivität im Glas besitzen. 23 Bundesgesetzblatt, S.1797

31 31 Um die Äquivalenzdosis H zu errechnen wird folgende Formel verwendet: W H = Q m Q: = Qualitätsfaktor Q γ,β = 1; Q α = 20 Da die Energie bei einem Betazerfall des Thoriums oder Protactiniums kleiner ist, als die von einem Alphazerfall von Uran, wird nur der Wert für Uran ausschlaggebend sein. Uran 235 kann vernachlässigt werden, da es nur zu 0,36% vorliegt und die Strahlenbelastung nur sehr geringfügig erhöhen würde. Im Folgenden wird die Äquivalenzdosis für U-238 berechnet: 323, 66 4, 27MeV 323,66 4,27 1,6E-13 J H = 20 = = 5,53E-11 Sv 80 kg 80 kg 5,53E-11 Sv ist auf Grund der verwendeten Aktivität, welche natürlich auf eine Sekunde bezogen ist, nur auf diesen Zeitraum berechnet. Um den Wert zu vergleichen muss man noch in Sievert pro Jahr umrechnen. Dann erhält man 1,74 msv pro Jahr. Der menschliche Körper ist einer jährlichen Strahlenbelastung von ca. 2 msv ausgesetzt. Diese wird unter anderem von terrestrischer Strahlung oder Höhenstrahlung verursacht. Folglich steigert man die Strahlenbelastung während des Kontakts über 80%. Das ist allerdings nur der Maximalwert. 1,74 msv ist der Wert für den Fall, dass die Energie von allen Teilchen übertragen wird. Da aber durch Kleidung oder auch schon durch die Haut sehr viel absorbiert wird, ist der tatsächliche Wert um einiges kleiner. Außerdem verlässt fast gar keine α-strahlung das Glas, da sie im Glas eingeschlossen ist. Die einzige Strahlung die ungehindert in den Körper eindringen kann, ist die γ-strahlung. Da sich aber der Energiewert der Strahlung im kev-bereich aufhält, ist die Belastung durch γ-strahlung ebenfalls viel kleiner als der errechnete Wert.

32 32 V. Bewertung Zusammenfassend kann man sagen, dass Uranglas nicht so gefährlich ist, wie es vielleicht der Name vermuten lässt. Es ist ein sehr außergewöhnlicher Blickfang mit langer Geschichte. Grundsätzlich ist gegen den Gebrauch von Uranglas prinzipiell auch nichts einzuwenden. Allerdings sollte man trotzdem im Hinterkopf behalten, dass es sich hierbei um radioaktives Material handelt, und dass verschiedene Menschen die Wirkung unterschiedlich verkraften. VI. Anhang Anhang I. Abschirmung des γ-spektrometers

33 Anhang II. Komplettes Spektrum 33

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41 Anhang III. Maestro Screenshots 41

42 42 VII. Literaturverzeichnis Keller, Cornelius: Radiochemie Gesellschaft für Kernforschung m.b.h. Karlsruhe, 1975 Lieser, Karl Heinrich: Einführung in die Kernchemie Lieser, Karl Heinrich, Weinheim, 1969 Von Philipsborn, Henning und Geipel Rudolf: Uranfarben, Urangläser, Uranglasuren Heimrath, Ralf, Kümmersbruck, 2005 Wikipedia.de: am am am Peterson, Randolph S.:Experimental γ Ray Spectroscopy and Investigations of Environmental Radioactivity Spectrum Techniques, 1996 Volkmer, Martin: Radioaktivität und Strahlenschutz Informationskreis Kernenergie, Berlin, 2004 Bundesgesetzblatt Teil I, Nr 38 Bonn, c_KernchemieLow%20Level1.pdf Skripte_FGP_Vorlagen/2005/1c_KernchemieLow%20Level1.pdf am