Handout. Außer Teichen oder Wellen, kann die Strahlung in nicht ionisierende und ionisierende Strahlung unterteilt werden.

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1 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben Becquerel-Monitor Autor Ing. Mag.rer.nat. Ewald Grohs, Bakk.rer.nat. Institution, Month 2013 Handout Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben Becquerel Monitor Wiederholung der Grundlagen: Strahlung: Strahlung ist die Ausbreitung von Teilchen oder Wellen. Strahlenarten und Ionisierung: Außer Teichen oder Wellen, kann die Strahlung in nicht ionisierende und ionisierende Strahlung unterteilt werden. Nicht ionisierende Strahlung hat keine Auswirkung auf Atome oder Moleküle. Ionisierende Strahlung kann aus Atome oder Moleküle Elektronen entfernen. Dadurch entstehen positiv geladene Ionen oder Molekülreste (Ionisation). Es gibt zwei Ionisierungsarten, direkt und indirekte ionisierende Strahlung.

2 Strahlung: Elektromagnetische Strahlung Elektromagnetische Wellen bis zum UV Bereich sind nicht ionisierenden Strahlung, unter einer Wellenlänge von 100 nm beginnt der Bereich der ionisierenden Strahlung. Wikimedia Commons Gammastrahlung und Ionisation: Wellen: Elektromagnetische Strahlung Gamma Photon wirkt indirekt ionisierend. Gammazerfall Wikimedia Commons 2

3 Isotope: Nuklid mit gleicher Protonenzahl (Ordnungszahl), aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Jedes natürliche Element hat stabile und instabile Isotope. Es gibt zirka 2500 Isotope und davon sind nur 274 stabil. Instabile Elemente (Radionuklide) zerfallen früher oder später und sind daher radioaktiv. Es gibt drei natürliche und eine künstliche Zerfallsreihe: Uran Radium Reihe: 238 U 206 Pb Uran Actinium Reihe: 235 U 207 Pb Thorium Reihe: 232 Th 208 Pb Reihe beginnt eigentlich bei 244 Pu Neptunium Reihe kommt in Natur nicht vor: 237 Np 209 Bi Reihe beginnt eigentlich bei 241 Pu und endet da 209 Bi nicht stabil (HWZ: Trillionen von Jahre) eigentlich bei 205 Tl Radioaktivität: Ist die Eigenschaft eines instabilen Atomkerns (Radionuklids), sich spontan in andere Atomkerne umzuwandeln. Bei diesem Prozess tritt ionisierende Strahlung aus. Halbwertszeit: Die Halbwertszeit (von Mikrosekunden bis Trillionen von Jahren) ist abhängig von der Aktivität des Elements. Isotop Halbwertszeit spezifische Aktivität 131I 8 Tage Bq/mg 137Cs 30 Jahre Bq/mg 239Pu Jahre Bq/mg 235U Jahre 80 Bq/mg 238U Jahre 12 Bq/mg 232Th Jahre 4 Bq/mg Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und spezifischer Aktivität 3

4 Einheiten: Aktivität Anzahl der radioaktiven Zerfälle pro Zeiteinheit. Einheit: Becquerel [Bq] Energiedosis in Materie (Gewebe) abgegebene Energiemenge pro Masse. Einheit: Gray [Gy] Äquivalentdosis Energiedosis gewichtet nach Wirkung auf menschlichen Körper. Einheit: Sievert [Sv] Qualitätsfaktor Äquivalentdosis / Energiedosis. Einheit: Sievert/Gray [Sv/Gy] Dosisleistung Äquivalentdosis pro Zeiteinheit. Einheit: Sievert/Stunde [Sv/h] Dosisfaktor Äquivalentdosis / Aktivität. keine Einheit; dimensionsloser Faktor [ ] Strahlenbelastung: Durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung pro Jahr (Effektivdosis in msv pro Jahr) 4

5 Strahlenbelastung: Isotope in Nahrung (300 µsv/a) besonders durch 40 K Atombombentests (<10 µsv/a) AKW Unfälle: Chernobyl: (<10 µsv/a) Abschirmung von Gammastrahlen: Da Gammastrahlung eine elektromagnetische Strahlung ist, wird die Strahlung in Materie exponentiell abgeschwächt. Es gibt aber keine feste Eindringtiefe. Nach einer Halbwertsschicht wird die Intensität auf die Hälfte reduziert. Die Halbwertsschicht ist von der Energie der Gammastrahlung abhängig (z.b.: bei 2 MeV ist dies in Blei bei 1,3 cm). Biologische Wirkung von Strahlung: Auswirkung auf Zellen: Direkte Schädigung der Zellen bzw. DNA Zellmutation, Zelltod Indirekte Effekte Radiolyse der Aminosäuren, Wasserradiolyse Radikale werden gebildet Radiolyse = Zerlegung einer chemischen Bindung unter Einwirkung ionisierender Strahlung Gamma Zerfall: Die Gammastrahlung wird in Gewebe absorbiert. Es tritt Ionisierung, aber auch im Gewebe freigesetzte Sekundärstrahlung (freigesetzte Elektronen und Röntgenstrahlung) auf, die wiederum chemische Bindungen aufbrechen. Durch Zellmutationen kann es zu Tumoren und darüber zu Metastasen führen (Krebs). Strahlenschäden: Somatische Schäden Schäden durch Exposition Deterministische, akute oder kausale Schädigung (Verbrennungen, Strahlenkrankheit) Stochastische oder Spätschäden (Krebs) Teratogene Schäden: Dosis von 1mSv führt etwa zu 3000 Basenschäden (DNA) pro Zelle Schädigung des Embryos Genetische Schäden: Schäden in der Folgegeneration 25% höhere Mutationsrate bei 4 Gray einmaliger Bestrahlung einer Keimzelle 5

6 Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung: Oberster Grundsatz beim Umgang mit Strahlung ist das ALARA Prinzip As Low As Reasonably Achievable = so niedrig wie vernünftigerweise erreichbar Beim Umgang mit ionisierenden Strahlen ist eine Strahlenbelastung von Menschen, Tieren, Pflanzen so gering als möglich zu halten, wie dies mit vernünftigen Mitteln machbar ist, um die Gesundheit nicht zu gefährden. Besonders wichtig ist der sorgsame Umgang mit radioaktiven Stoffen. Weiters ist kontaminierten Lebensmitteln, wie Wild oder Pilzen aus von Chernobyl mit Cäsium 137 besonders kontaminierten Böden mit besonderer Vorsicht zu begegnen. Gammaspektroskopie: Gammaspektroskopie ist die Messung des Spektrums der Gammastrahlung einer radioaktiven Strahlungsquelle. Gammaquanten haben nicht beliebige, sondern bestimmte (diskrete), für das jeweilige Nuklid charakteristische Energien, ähnlich wie in der optischen Spektroskopie die Spektrallinien für die in der Probe enthaltenen Stoffe charakteristisch sind. Deshalb ist die Gammaspektroskopie eine wichtige Methode zur Untersuchung radioaktiver Substanzen. Detektorentypen: Halbleiterdetektoren: aus hochreinem Germanium (High Purity Germanium, kurz HPGe) weniger reinem, mit Lithium dotierten Germanium Ge(Li) Szintillationsdetektoren mit Einkristallen aus: Natriumiodid oder Bismutgermanat (BGO) Halbleiterzähler: Halbleiterdetektor für Gammastrahlung. Der hochreine Germanium Einkristall innerhalb des Gehäuses hat rund 6 cm Durchmesser und 8 cm Länge. Wikimedia Commons Aufbau eines Ge Kristall für Gammaspektroskopie dortmund.de 6

7 Vorteile: besonders geeignet für Gamma Spektroskopie Energie von Gamma Quant ist typisch für Isotop hohe Präzision Nachteile: erfordert hochreinen Halbleiter (meist Germanium) brauchbare Messgenauigkeit erfordert Kühlung (flüssiger Stickstoff) (77 K) Präzision ist stark von Messdauer abhängig teils aufwändige Probenaufbereitung lange Messzeiten kein mobiler Betrieb möglich Szintillatorsonde: Szintillation: durch Strahlung angeregte Atome senden (sichtbares) Licht aus. Als einer der ältesten Nachweismethoden von ionisierender oder Röntgen Strahlung wurde der Zinksulfidschirm benützt. Röntgenschirme. Heute wird als Material meist Natriumiodid oder organische Verbindungen wie Plastik verwendet. Das ausgesandte Licht wird heute mittels Photomultiplier verstärkt und das Signal digital detektiert. Vorteile: Wikimedia Commons Szintillatorzähler sind sehr empfindlich, die Hintergrundstrahlung ist präzise messbar und haben kurze Reaktionszeiten. Je nach Bauart ist auch die Energie bestimmbar. Nachteile: Szintillatorzähler sind unhandlich. 7

8 Folgen eines AKW Unfalls: Austreten von verschiedenen Isotopen: 131I (Jod 137, HWZ 8,02 d) 137Cs/134Cs (Cäsium 137, HWZ 30,17 a; Cäsium 134, HWZ 2,0648 a) Jod wird von der Schilddrüse aufgenommen Schilddrüsenkrebs Cäsium wird vom Körper mit Kalium verwechselt vor allem in Muskel, Nieren, Leber und Knochenzellen, aber auch im Blut angereichert. Fallout von Cäsium in vielen Gebieten Europas nach Chernobyl AKW Unfall Belastung der Milch besondere Anreicherung von 137Cs in Pilzen (besonders in Maronenröhrling) betroffen: Wildtiere, die Pilze fressen Die Ortsdosisleistung in Österreich (aktuell) und Cäsium 137 Belastung im Jahr atom/strahlenschutz/strahlen warnsystem/messwerte_aktuell.html Die Bodenbelastung durch Cäsium 137 im Jahr 2000 vom Umweltbundesamt erhoben: Die Einheit der Karte ist in kbq/m². 8

9 Becquerel Monitor LB 200 Technische Daten: Szintillations Messgerät zur Bestimmung der Gamma Aktivität Nachteil: Isotopen können nicht bestimmt werden kein Energiefenster NaI(Tl*) Kristall Detektorteil mit Verstärker und Hochspannungseinheit Auswerteelektronik mit Stromversorgung Zubehör zur Aufnahme und Abschirmung der Messproben Werksseitige Einstellung für 137Cs/134Cs Messbereiche: 0,1 bis 9999 ips 1 bis 9999 Bq/l Einfluss der natürlichen Radioaktivität auf die Messung: Die meisten Lebensmittel enthalten Kalium mit dem natürlichen Radionuklid K 40. Da der LB 200 kein Energiefenster besitzt, sondern oberhalb einer Schwelle von ca. 40 kev den gesamten Energiebereich misst, wird die Gamma Strahlung des K 40 mit erfasst. Dabei ergibt 1 g Kalium pro Liter eine Anzeige von ca. 2 Bq/l, bezogen auf den Kalibrierfaktor für Cs 137. Kaliumgehalt von Lebensmittel: Lebensmittel Kaliumgehalt g K/kg Anzeige Bq/l Milch 1,5 1,6 6,1 6,5 Magermilchpulver 16 64,8 Fisch 2,5 4,5 10,1 18,2 Nüsse 4,0 6,0 16,2 24,3 Pilze, frisch 1,5 4,5 6,1 18,2 Pilze, getrocknet 20,0 50, ,5 Bedienungsanleitung Becquerel Monitor LB 200 Hier einen Auszug aus der Tabelle Kaliumgehalt von Lebensmitteln der Bedienungsanleitung des LB

10 LB 200 Kurzbedienungsanleitung: Nulleffekt bestimmen Ein/Aus Taste Warten, bis gewünschte Messgenauigkeit erreicht ist Messung mit STOP Taste beenden Messprobe hineinstellen Messung mit Bq Taste starten Warten, bis gewünschte Messwert Sichheit erreicht ist Messung mit STOP Taste beenden Messwert ablesen Nächste Messprobe hineinstellen Messung mit Bq Taste starten Praktische Übungen: ACHTUNG: NaI Kristall ist mit Glas vergleichbar. Vermeiden Sie deshalb Stöße und starke Temperaturschwankungen! Kurzbedienungsanleitung durchlesen: LB 200 Becquerel Monitor zur Aktivitätsmessung in Lebensmitteln: _81297pr1_rev00.pdf Nulleffekt bestimmen Praxisaufgabe: (Übungsblatt) Aktivitätsmessungen von Lebensmitteln, Flüssigkeiten, Schüttgütern etc.: z.b.: Milch oder Magermilchpulver (40K) Bodenproben Radonhältigem Wasser Vorsicht: Eichung ist für Cs 137 nur hier richtige Anzeige (z.b.: bei Bodenproben) Übungsblatt verwenden!!! 10