Beta- & Neutronenstrahlenexpositionen

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1 Beta- & Neutronenstrahlenexpositionen Strahlenschutzkurs 2014 Prof. Dr. Sabine by ps Skripte etc. Literatur Übungsfragen 1

2 3.2 Strahlung Materie Wechselwirkung Ionisationsbremsung Zwischen Strahlung und Materie bestehen Wechselwirkungen Strahlung erfährt Absorption Schwächung Streuung Stossprozesse Materie erfährt Anregung Ionisation Kernreaktionen Die Wechselwirkung ist abhängig von Strahlenart und -energie Ionisierende Strahlung Strahlung aus dem Zerfall von Radionukliden Strahlung, die Materie ionisiert direkt ionisierende Strahlung geladene Teilchen indirekt ionisierende Strahlung ungeladene Teilchen (Photonen, Neutronen) 2

3 3.2.2 Ionisationsvermögen Teilchen n P Neutronen Protonen He 2+ -Teilchen Elektronen, Positronen indirekt ionisierend direkt ionisierend Elektromagnetische Wellen / X Gamma, Röntgen indirekt ionisierend Ionisationsdichte von - Strahlung Alpha-Strahlung Dichte Ionisation Kernreaktionen bei sehr hohen Energien Beta-Strahlung Weniger dichte Ionisation Röntgenstrahlen bei sehr hohen Energien Streuung an Atomen mit großem Z Gamma-Strahlung Lockere Ionisation Ionisation nur durch vorgeschaltete Effekte 3

4 3.2.4 Linear Energy Transfer (LET) Anzahl der gebildeten Ionenpaare pro mm Wegstrecke Spezifischen Ionisation oder LET eines Strahlungsteilchens: de LET dx 1 ~ v 2 E = übertragene Energie x = Wegstrecke v = Geschwindigkeit des Strahlungsteilchens Beispiel: Gammastrahlung (Co-60) 250 kv Röntgenstrahlen 10 kv Röntgenstrahlen Alphastrahlung Kerma & Energiedosis kinetic energy released in matter - Strahlen zu berücksichtigende Ionen nicht zu berücksichtigende Ionen Kerma [Gy]: H x Übertragene Energien die im Volumenelement V ihren Anfangswert haben werden berücksichtigt Energiedosis [Gy]: H* Die auf das Volumenelement V übertragenen Energien werden berücksichtigt. 4

5 Spezifische Ionisation Beispiele im Medium Wasser Strahlenart LET Bewertungsfaktor [kev/µm] q e -, -, Photonen < 3,5 1, p,n(je nach Energie) 3,5 7, , > Quelle: H. Krieger; Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes Strahlungsschwächung I für direkt ionisierende Strahlung Ionisationsvorgänge lösen alle geladenen Teilchen höherer Energie in gasförmiger, flüssiger oder fester Umgebung aus, wobei sie ihre Energie portionsweise verlieren. Ionisationsdichte, Ionisierungsvermögen Anzahl der gebildeten Ionenpaare im Medium: Luft Messgröße: Ionendosis Linear Energy Transfer (LET) Lineares Energieübertragungsvermögen im durchstrahlten Medium pro Wegstrecke 5

6 3.2.6 Strahlungsschwächung II für direkt ionisierende Strahlung Kinetic Energy Released in Matter (kerma) Energieübertrag vom Teilchenstrahl auf Absorbersekundärteilchen Energieabsorption im Absorber biologische Strahlenwirkung Messgröße: Energiedosis Wirkung eines Absorbers auf einen Teilchenstrahl Bremsvermögen (Stoßbremsvermögen, Strahlungsbremsvermögen) Streuvermögen Absorbierungsvermögen eines Absorbers in einen Teilchenstrahl Bremsvermögen, Streuvermögen Messgröße: Massenschwächungskoeffizient Čzerenkov - Strahlung Čerenkov-Strahlung tritt immer dann auf, wenn geladene Teilchen sich im Medium schneller ausbreiten können als Lichtteilchen (Photonen) in diesem Medium. 6

7 3.2.7 Strahlungsschwächung III für indirekt ionisierende Strahlung Photo-, COMPTON- und Paarbildungseffekte lösen Photonen höherer Energie in umgebender Materie je nach Ordnungszahl aus, wobei sie ihre Energie portionsweise verlieren. Kernreaktionen lösen Neutronen mit entsprechender Energie in entsprechenden Materialien aus, wobei sie in geladene Teilchen umgewandelt werden. 3.4 Strahlendosis Ionendosis Energiedosis Ortsdosis Personendosis Dosisleistung Abstandsgesetz 7

8 3.4.1 Strahlendosis: Ionendosis Ionendosis I = absorbierte Energie in Luft Definition: Energiemenge, die durch die Strahlung auf eine Masseneinheit übertragen 1wird J 1Gray kg Symbol: Gy Alte Einheit: rad (1 Gy = 100 rad) Strahlendosis: Energiedosis Energiedosis D = absorbierte Energie in Materie Definition: Energiemenge, die durch die Strahlung auf eine Masseneinheit übertragen 1wird J 1Gray kg Symbol: Gy Alte Einheit: rad (1 Gy = 100 rad) 8

9 3.4.3 Strahlendosis: Personendosis Äquivalentdosis H = Zellschädigungsrisiko durch absorbierte Energie im Gewebe H D Q Definition: Sievert Energiemenge, die auf einen Menschen übertragen wird, abhängig von der Strahlenart Symbol: Sv Alte Einheit: rem (1 Sv=100 rem) H = Personendosis D = Energiedosis Q = Qualitätsfaktoren für Strahlungs- und Gewebeart 4.3 Beta-Zerfall Cs Ba e 9

10 Zerfallsgleichung M Z X M Z 1 Y 0 1 e M Z X M Z 1 Y 0 1 e Äußere Bestrahlung von untergeordneter Bedeutung Abschirmung durch Plexiglas, Aluminium Strahlung Teilchenart Negatronen, Positronen Radionuklide H - 3, C - 14, Sr - 90, Cs Tl - 204, Co - 60 Energie kev... MeV Reichweite bei 1 MeV ca. 4 m (Luft) Energieabgabe kontinuierlich Wechselwirkungen schwächere Wechselwirkung, 4-8 Ionenpaare pro mm Luft (kev MeV) Ionisation, Anregung, (MeV GeV) Rückstreuung, Bremsstrahlung, Gefahren Streustrahlung, Hautexposition, Schleimhäute, Inkorporation Schutz Abschirmung mit Al, PMMA 10

11 Zerfallsschema Spektren Betateilchen besitzen ein Energiespektrum beim Betazerfall entstehen Neutrinos () Zerfallsenergie verteilt sich auf Betateilchen und Neutrinos Häufigste Energie Relative Häufigkeit E 1 E E 3 Maximale Energie E max 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Energie [MeV] max 11

12 Dosisleistung für -Strahlen gilt bei Punktquellen ein modifiziertes Abstandsgesetz: H A H (, r, E max ) 2 r H H A r E max = - Dosisleistungskonstante (tabelliert) = - Dosisleistungsfunktion (tabelliert) = Aktivität des Strahlers = Dichte des umgebenden Mediums = Abstand vom Strahler = maximale Beta-Energie Quelle: H. Krieger Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes Y-90 - Dosisleistungsfunktion in Luft Betadosisleistungsfunktion für Y-90 in Luft [msv*m2/gbq*h] 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5, r [cm] Quelle: H. Krieger Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes 12

13 Fit für Y-90 - Dosisleistungskonstante in Luft Fitting Interface For NIST Hahn 2D: a b x c x y f x g x h x 2 d x 3 a = E+00 b = E-01 c = E-03 d = E-06 f = E-02 g = E-04 h = E-07 R-squared: Quelle: Messung von - Strahlung Messverfahren: Gasionisationsdetektoren mit dünnen Fenster Flüssigszintillationsdetektoren Filmdosimeter PIN-Diodendetektoren Probleme: Streustrahlung Bremsstrahlung 13

14 4.3.6 Empirische -Reichweite I R[g/cm ] 2 0,526*E max [MeV] 0,095 Zahlenwertgleichung, keine physikalische Gleichung! R = Reichweite der Strahlung [g/cm 2 ] E max = maximale Energie [MeV] = Dichte des Mediums [g/cm 3 ] Quelle: Grundkurs Strahlenschutz von Claus Grupen Wechselwirkungen von Strahlung mit Materie MeV - GeV-Bereich: Wechselwirkungen mit Atomkernen Kernreaktionen Erzeugung von Röntgen(brems)strahlung kev MeV Bereich: Ionisierung der umgebenden Materie Inelastische Streuung mit Hüllenelektronen Elastische Streuung an Atomen mit großem Z Elastische Streuung an der Atomhülle (Rückstreuung) Elastische Streuung an Atomkernen (COULOMB-Streuung) Cerenkov-Strahlung 14

15 4.3.8 Schwächung von Strahlung in umgebender Materie: Ionisation, Anregung, Streuung, Bremsstrahlung in Luft: Ionenpaare pro cm () = Ionenpaare pro cm () Reichweite () in Luft: cm -Strahlung: dicht ionisierend Reichweite () in Luft: cm m -Strahlung locker ionisierend Schwächungsgesetz Annahme: monoenergetische Betastrahlung schwächt sich exponentiell ab entsprechend: I I 0 e µ d Absorptionskurve für Sr-90 Strahlung, 2,3 MeV in Al 15

16 Absorption von -Strahlung Flächendichte r = d. Empirische Formel (wenn x > 0,3 g/cm 2 ) E max 1.85 x 0.25 E max maximale Beta-Energie [MeV] r Flächendichte [g/cm 2 ] d Absorberdicke [cm] r Absorberdichte x maximale Reichweite im Absorber Massenabsorptionskoeffizient µ Empirische Formel (wenn E in MeV, und 0,1 MeV E 3,5 MeV, µ [cm 2 /g]) 15 E 1.5 max Claus Grupen, Grundkurs Strahlenschutz, Vieweg Verlag Absorptionskurven in verschiedenen Materialien Sr-90 16

17 Bremsstrahlung Photonenstrahlung durch Abbremsprozesse Röntenspektrum Wolfram Anode 17

18 4.6.1 Neutronen Begriffe und Einheiten Neutronenquellen Neutroneneigenschaften Messungen Rechnungen Begriffe und Einheiten Neutronenquellstärke S [n/s] Neutronenfluenz F [n/cm 2 ] Neutronenfluss [n/s.cm 2 ] Neutronenenergie E [MeV] Dosiskonversionsfaktoren?? 18

19 Entstehung freier Neutronen Entstehung bei Ra-Be-Quellen: Be 2 6C 1 0 n Entstehung bei Fusionsreaktionen 2 1 D 3 1 T 4 2 He 17,58 MeV 1 0 n Neutronenstrahlen Teilchenart Neutronen Radionuklide spaltbare Nuklide Energie ev... MeV Reichweite energieabhängig Energieabgabe durch Moderation Wechselwirkungen Moderation, Konversion Gefahren Ganzkörperexposition Schutz Abschirmung mit B, Gd, Pb 19

20 thermische und schnelle Neutronen Grobeinteilung der Energiegruppen Freie Neutronen ½ = ca. 11,5 min Zerfall: thermische Neutronen thermisches Gleichgewicht mit umgebendem Medium Energie ca. 2, ev Geschwindigkeit ca. 2, m/s schnelle Neutronen Energie > 0,1 MeV bis ca. 2 MeV, Geschwindigkeit bis ca m/s Energiegruppen von Neutronen Feineinteilung der Energiegruppen Neutronen Energiebereich Geschwindigkeit [km / s] Subthermisch < 0,02 ev < 2,2 Thermisch 0,0252 ev 2,2 Epithermisch < 0,5 ev < 9,8 Intermediär 0,5 ev 10 kev 9, Schnell > 10 kev > 1400 Relativistisch > 5 MeV H. Krieger; Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes; Teubner Verlag, 3. Überarb. Aufl. 2009;, S

21 Neutronenspektrum des Reaktors SUR-100 (lin/log) Neutronenflussdichte in n/cm 2.s n/cm^2 2,50E+07 2,00E+07 1,50E+07 1,00E+07 5,00E+06 0,00E+00 Thermische Neutronen Schnelle Neutronen 1,00E-09 1,00E-08 1,00E-07 1,00E-06 1,00E-05 1,00E-04 1,00E-03 1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00 1,00E+01 Energie in MeV Neutronenenergie in MeV Reaktor SUR-100, Neutronenspektrum im Kern 19,9% U-235: U-235: 683 g, U-238: 2734 g Moderator: HD-PE Quelle: Diplomarbeit Eidam Neutronenwechselwirkungen Wechselwirkungen zwischen Neutronenstrahlen und ihrer Umgebung : Streuung scattering Elastische Streuung (10 kev - 1 MeV) scat, el ( Neutronenmoderation) scat, inel Inelastische Streuung (1 MeV - 10 MeV) Absorption absorption Einfang ohne Spaltung ( Neutronenaktivierung) capture Spaltung, binär ( Kettenreaktion) fission 21

22 Wirkungsquerschnitte I Der Wirkungsquerschnitt ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer (nuklearen) Reaktion Scheinbare Angriffsfläche eines Zielkerns für ein ankommendes Teilchen Dimension: Flächeneinheiten barn 10 cm Wirkungsquerschnitte II n. Scheinbare Angriffsfläche eines Zielkerns für ein ankommendes Teilchen kernartabhängig energieabhängig, temperaturabhängig reaktionsabhängig 22

23 Spaltbare Materialien -Strahler: Isotop ½ Häufigkeit ther [barn] U-234 2, a 0,005 % U-235 7, a 0,720 % 582 U-238 4, a 99,275 % < 0,0005 Pu-239 2, a 743 Pu-240 6, a 0,03 Pu ,4 a 1009 Pu-242 3, a < 0,2 Pu-243 4,956 h Spaltquerschnitte für Uran-235 thermische Neutronen: E = ev spalt ~ 1000 b E~ 10-1 ev spalt ~ 250 b schnelle Neutronen: E> 10 6 ev spalt ~ 1-2 b U-235 thermische Spaltung 23

24 Spaltquerschnitte für Uran-238 thermische Neutronen: E = ev spalt ~ 0,0005 b schnelle Neutronen: E~ ev spalt ~ 0,5 b U-238 schnelle Spaltung für U-235 und U

25 Kettenreaktion Neutronenabsorber Regelstäbe / -platten Cd In / Ag Hf B 4 C, B 2 O 3 Kernschutz Biologische Abschirmung (Kernreaktorsteuerung) 113 Cd (n,) 114 Cd 10 B (n,) 7 Li (Kernreaktorstörfall) Na 2 B 10 O H 2 O (SUR-100): H 3 BO 4 25

26 Neutronenmoderation Abbremsen schneller Neutronen auf thermische Geschwindigkeit Wirkungsquerschnitte III: Neutroneneinfang und -streuung Element einf streu H-1 0,33 38 (Gas) H-2 0, B Gd

27 Neutrondosiskonversionsfaktoren Neutronendosiskonversionsfaktoren 1 0,1 [m--sv*cm2] 0,01 0,001 0,0001 0, , ,0E-10 1,0E-08 1,0E-06 1,0E-04 1,0E-02 1,0E+00 1,0E+02 1,0E+04 Energie [MeV] ICRP 116* Neutronen ICRU_74 Neutronen Literatur 1. Grupen, K.; Grundkurs Strahlenschutz; Springer-Verlag Krieger, H. Grundlagen der Strahlungsphysik; Vieweg + Teubner Verlag Vogt Schultz; Grundzüge des praktischen Strahlenschutzes, Hanser-Verlag Dobrinski - Krakau Vogel; Physik für Ingenieure 5. Haliday Resnick - Walker; Physik; Viley VCH 2001, ISBN De Pree; Physics made simple; Broadway Books; 2004, ISBN Browne; Physics for Engineering and Science; McGraw Hill, 1998, ISBN X B. Bröcker; DTV-Atlas zur Atomphysik; DTV-Verlag, Volkmer Kernenergie Basiswissen; Volkmer Radiaoaktivität und Strahlenschutz 9. Koelzer, Lexikon der Kernenergie 27

28 Pause Ende 28