AKTIVITÄTSKONZENTRATION

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Alexander Becke
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1 Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften Institut für Kern- und Teilchenphysik AKTIVITÄTSKONZENTRATION Natürliche Radioaktivität Christian Gumpert Dresden,

2 Gliederung 1. Einleitung 1.1 Was ist Aktivität? 1.2 Warum Aktivitätsmessungen? 2. Physikalische Grundlagen 2.1 Wechselwirkung der γ-strahlung 2.2 Funktionsweise des Halbleiterdetektors 3. Versuch: Aktivitätsmessung 3.1 Detektorkalibrierung 4. Auswertung der Spektren 4.1 Bestimmung der radioaktiven Nuklide 4.2 Aktivitätsbestimmung TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 2 von 29

3 Inhalt 1. Einleitung 1.1 Was ist Aktivität? 1.2 Warum Aktivitätsmessungen? 2. Physikalische Grundlagen 2.1 Wechselwirkung der γ-strahlung 2.2 Funktionsweise des Halbleiterdetektors 3. Versuch: Aktivitätsmessung 3.1 Detektorkalibrierung 4. Auswertung der Spektren 4.1 Bestimmung der radioaktiven Nuklide 4.2 Aktivitätsbestimmung TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 3 von 29

4 Die physikalische Größe: Aktivität Definition Aktivität beschreibt die Zahl der Kernumwandlungen pro Zeiteinheit A = dn dt [A] = 1Bq = 1s 1 Zerfallsgesetz A(t) = A 0 e λ t mit der Zerfallskonstanten λ Halbwertszeit T 1/ 2 = ln 2 λ TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 4 von 29

spontane Kernumwandlung Kernumwandlung K K + K + S möglich, wenn für die Massen gilt: M(K) > M(K ) + M(K ) + M(S) für einen Kern der Massenzahl A und der Kernladung Z gilt:

5 spontane Kernumwandlung Kernumwandlung K K + K + S möglich, wenn für die Massen gilt: M(K) > M(K ) + M(K ) + M(S) für einen Kern der Massenzahl A und der Kernladung Z gilt: M(K) = Z m p +(A Z) m n B(A, Z) Kernumwandlung ist ein stochastischer Prozess und gehorcht der Poisson-Statistik TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 5 von 29

6 Natürliche Radioaktivität

7 Strahlungsarten und Eigenschaften Strahlung Teilchen Reichweite in Luft Ionisationspotential α 4 2 He cm sehr groß β e +/ 10cm... 7,5m mittel γ Photon mehrere Kilometer gering bis mittel Folgen ionisierender Strahlung Bildung von Radikalen Zelltod Funktionalität von Zellen wird zerstört (z.b. Erblindung) Veränderung des Erbmaterials TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 7 von 29

8 Strahlenschutz Gesetzliche Grenzwerte Atomgesetz (AtG) Strahlenschutzverordnung (StrSchV) Strahlenschutzvorsorgegesetz (StrVG) Röntgenverordnung (RöV) Wichtige Größen Energiedosis: Energieaufnahme pro Masse D = de dm Äquivalentdosis: gewichtete Energiedosis H R = w R D Organdosis: H T = R H R [D] = 1 J kg [H] = 1Sv = 1 J kg TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 8 von 29

9 Anwendungen der Aktivitätsmessung Bestimmung von Wirkungsquerschnitten Analyse von Energieniveauschemata Untersuchung von Kerneigenschaften Materialuntersuchung Kontrollmessungen an medizinischen und technischen Einrichtungen... TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 9 von 29

10 Inhalt 1. Einleitung 1.1 Was ist Aktivität? 1.2 Warum Aktivitätsmessungen? 2. Physikalische Grundlagen 2.1 Wechselwirkung der γ-strahlung 2.2 Funktionsweise des Halbleiterdetektors 3. Versuch: Aktivitätsmessung 3.1 Detektorkalibrierung 4. Auswertung der Spektren 4.1 Bestimmung der radioaktiven Nuklide 4.2 Aktivitätsbestimmung TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 10 von 29

11 Wechselwirkungsprozesse der γ-strahlung Compton-Streuung: teilweiser Energieübertrag bis zu einem Maximum Photoeffekt: kompletter Energieübertrag auf ein Photon bis auf Bindungsenergie Paarbildung: kompletter Energieübertrag auf ein Elektron-Positron-Paar Energieabhängigkeit der Wirkungsquerschnitte (für Al) TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 11 von 29

12 Compton-Streuung Energie des Compton-Elektrons: ( ) κ (1 µ) E el = E γ 1 + κ (1 µ) mit κ = Eγ m ec 2 maximaler Energieübertrag: 2κ E max = E γ 1 + 2κ bei θ = 180 differentieller WQ: Winkelverteilung nach Klein-Nishina TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 12 von 29

13 Photoeffekt innerer Photoeffekt vor allem bei niedrigen γ-energien E γ 70keV Vollenergiepeak Paarbildung erst bei höheren Energien: E γ > 1022keV Vollenergie- und Escape-Peaks im Spektrum TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 13 von 29

Funktionsweise des Halbleiterdetektors Bildung von Ladungsträgern durch ionisierende Strahlung Vervielfachung durch Sekundärionisation Absaugen der Ladung durch angelegte Spannung Totzeit

14 Funktionsweise des Halbleiterdetektors Bildung von Ladungsträgern durch ionisierende Strahlung Vervielfachung durch Sekundärionisation Absaugen der Ladung durch angelegte Spannung Totzeit Digitalisierung des Spannungspulses Höhe des Spannungspulses proportional zur deponierten Energie Ergebnis: Histogramm, in dem jedes Ereignis entsprechend der detektierten Energie eingeordnet wird TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 14 von 29

15 Impulshöhenspektrum von 137 Cs E re ig n is s e K a n a l TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 15 von 29

16 Auflösungsvermögen sekundäre Ionisationen sind statistische Prozesse Linienverbreiterung entstehende Peaks besitzen Halbwertsbreite: (i) σ = E w i (ii) FWHM exp Fano-Faktor: F = FWHMexp σ 0.4 Fano-Faktor TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 16 von 29

17 Inhalt 1. Einleitung 1.1 Was ist Aktivität? 1.2 Warum Aktivitätsmessungen? 2. Physikalische Grundlagen 2.1 Wechselwirkung der γ-strahlung 2.2 Funktionsweise des Halbleiterdetektors 3. Versuch: Aktivitätsmessung 3.1 Detektorkalibrierung 4. Auswertung der Spektren 4.1 Bestimmung der radioaktiven Nuklide 4.2 Aktivitätsbestimmung TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 17 von 29

18 Versuch: Aktivitätsmessung Ziel Bestimmung der Aktivität von Umweltproben anhand von γ-spektren Ablauf 1. Kalibrieren des Detektors 2. Ansprechvermögen des Detektors bestimmen 3. γ-spektren der unbekannten Proben aufnehmen 4. Spektren auswerten und Aktivität bestimmen TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 18 von 29

19 Energiekalibrierung Peaklage von Quellen mit bekannter Emissionslinie bestimmen Quellen mit möglichst wenigen Emissionslinien verwenden gesamter verwendeter Energiebereich sollte abgedeckt werden E kev = K E n e rg ie / k e V K a n a l TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 19 von 29

20 Vollenergieansprechvermögen Verhältnis zwischen Aktivität der Probe und registrierte Zählrate ε = N A t ν i mit A... (bekannte) Aktivität der Quelle t... totzeitkorrigierte Messzeit ν i... Emissionswahrscheinlichkeit der untersuchten Linie N... registrierte Ereigniszahl im Peak dieser Linie Weitere Korrektur: Geometriefaktor aus Monte-Carlo-Simulation TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 20 von 29

21 Vollenergieansprechvermögen ε 9.0 % 8.0 % 7.0 % 6.0 % 5.0 % 4.0 % 3.0 % 2.0 % 1.0 % 0.0 % E n e rg ie /k e V Knie bei niedriger Energie abhängig von der Bauart bedingt durch Selbstabsorption im Detektor Sättigung für hohe Energien 1 2% TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 21 von 29

22 Inhalt 1. Einleitung 1.1 Was ist Aktivität? 1.2 Warum Aktivitätsmessungen? 2. Physikalische Grundlagen 2.1 Wechselwirkung der γ-strahlung 2.2 Funktionsweise des Halbleiterdetektors 3. Versuch: Aktivitätsmessung 3.1 Detektorkalibrierung 4. Auswertung der Spektren 4.1 Bestimmung der radioaktiven Nuklide 4.2 Aktivitätsbestimmung TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 22 von 29

23 Flasche mit unbekannter Chemikalie E re ig n is s e E n e rg ie / k e V Spektrum einer Flasche mit Chemikalienrückständen

24 Nukliddatenbank der Universität Lund TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 24 von 29

25 Nukliddatenbank der Universität Lund Eingabe der Energie des Peaks TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 24 von 29

26 Nukliddatenbank der Universität Lund Eingabe der Energie des Peaks Unschärfe der Energie TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 24 von 29

27 Nukliddatenbank der Universität Lund Eingabe der Energie des Peaks Unschärfe der Energie Min. Halbwertszeit für das Mutternuklid (außer bei Zerfallsreihen) TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 24 von 29

28 Nukliddatenbank der Universität Lund Eingabe der Energie des Peaks Unschärfe der Energie Min. Halbwertszeit für das Mutternuklid (außer bei Zerfallsreihen) Liste aller möglichen Nuklide TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 24 von 29

Halbwertszeit für das Mutternuklid (außer bei Zerfallsreihen)

29 Nukliddatenbank der Universität Lund Eingabe der Energie des Peaks Unschärfe der Energie Min. Halbwertszeit für das Mutternuklid (außer bei Zerfallsreihen) Liste aller möglichen Nuklide Nuklid: 108m Ag TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 24 von 29

30 γ-spektrum von 108m Ag Nr. Energie [kev ] ν i [%] exp. Peaklage [kev ] I II III I + II I + III II + III TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 25 von 29

31 Flasche mit unbekannter Chemikalie E re ig n is s e I II III I + II I + III II + III E n e rg ie / k e V Spektrum einer Flasche mit Chemikalienrückständen

32 Bestimmung der Aktivität Vorgehen Untergrund abziehen Peak durch Gauß-Kurve approximieren Netto-Ereigniszahl (= Fläche unter der Gauß-Kurve) ermitteln Vollenergieansprechvermögen ermitteln Geometriefaktor bestimmen (in unserem Fall: S = 0.5) Aktivität nach folgender Gleichung berechnen: A i = N i t ν i ε i S TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 27 von 29

33 Aktivität der Probe Nr. ν i [%] exp. Peaklage [kev ] ε [%] N A [kbq] I II III zum Vergleich: der gesetzliche Grenzwert für 108m Ag beträgt 1MBq TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 28 von 29

34 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Guten Appetit! Strahlenschutzverordnung (StrSchV) /index.html Dr. J. Henninger Bestimmung der spezifischen Aktivität in Umweltproben TUD IKTP 10/2004 T. Teichmann, C. Gumpert Aktivitätsbestimmung radioaktiver Proben TUD IKTP 05/2009 TU Dresden, Aktivitätskonzentration Folie 29 von 29

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