Paul Scherrer Institut Christoph Schuler, PSI-Kalibrierstelle. Kalibrierung von Monitoren für die Beurteilung von Oberflächenkontaminationen

Paul Scherrer Institut Christoph Schuler, PSI-Kalibrierstelle Wir schaffen Wissen heute für morgen Kalibrierung von Monitoren für die Beurteilung von Oberflächenkontaminationen

Inhalt Begriffe Kalibrierung von Oberflächenkontaminationsmonitoren (OKM) Bestimmung des Oberflächenemissions Ansprechvermögens Berechnung der Richtwertzählrate Zusammenfassung Seite 2

Partikel-Produktionsraten einer Quelle Oberer Raumwinkel 2 st Detektor n q 1 q 2 q 3 q 4 q 5 q 6 Quelle Unterer Raumwinkel 2 st Typen von Partikel-Produktionsraten q: q 1 : Die Partikel erreichen den Detektor direkt q 2 : Die Partikel erreichen den Detektor aufgrund von Rückstreuung in der Quelle oder im Quellenträger q 3 : Die Partikel verlassen die Quelle in Richtung des oberen Halbraumes, werden aber in der Luft absorbiert q 4 : Die Partikel werden in den oberen Halbraum emittiert, verlassen aber die Quelle wegen Selbstabsorption nicht q 5 : Die Partikel verlassen die Quelle in Richtung oberer Halbraum, verfehlen aber aus geometrischen Gründen den Detektor q 6 : Umfasst alle Partikel, welche in den unteren Halbraum emittiert werden, eingeschlossen rückgestreute Partikel (ohne Typ q 2 -Partikel) Seite 4

Partikel-Produktionsraten: Abgeleitete Begriffe Oberer Raumwinkel 2 st Detektor n q 1 q 2 q 3 q 4 q 5 q 6 Quelle Unterer Raumwinkel 2 st Begriffe: Begriff Dim. Definition Aktivität einer Quelle [Bq] A = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 Oberflächenemissionsrate einer Quelle [s-1] q 2 = q1 + q2 + q3 + q5 Emissionsanteil einer Quelle [...] s = q1 + q2 + q3 + q5 q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6 Oberflächenemissions- Ansprechvermögen eines Instruments [...] i = n q1 + q2 + q3 + q5 Seite 5

Oberflächenemissionsrate einer Quelle Emissionsrate/Aktivität 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Verhältnis von Emissionsrate in 2 zu Aktivität ausgewählter Referenzquellen Abschwächung Rückstreuung Am-241 C-14 Tc-99 Cl-36 Sr-90/Y-90 Nuklid Seite 6

Zusammenfassung Begriffe Der Detektor eines OKM sieht die Oberflächenemission einer Quelle (Kontamination), nicht deren Aktivität. Der Emissionsanteil einer Quelle (Kontamination) ist das Verhältnis von Emissionsrate zu Aktivität der Quelle (Kontamination). Das Oberflächenemissions-Ansprechvermögen (auch: Empfindlichkeit, Wirkungsgrad, efficiency) ist definiert als: i Nettozählrate Oberflächenemissionsrate Seite 7

Oberflächenemissions-Ansprechvermögen Kalibrierabstand Seite 9

Oberflächenemissions-Ansprechvermögen Kalibrierquellen-Satz Seite 10

Oberflächenemissions-Ansprechvermögen Basisnuklide für die Ermittlung des Oberflächenemissions-Ansprechvermögens Nuklid Strahlenart Relative Emissionshäufigkeit Strahlungsenergie (kev) Energiebereich für alle Alphastrahler 241 Am alpha 1.0 5390 5490 Energiebereiche für Betastrahler (Mittlere Energien) 40-70 70-140 140-400 >400 14 C beta 1.0 50 99 Tc beta 1.0 85 36 Cl beta 0.98 250 90 Sr/ 90 Y beta je 1.0 190 940 Energiebereiche für Photonenstrahler 5-15 15-90 90-300 >300 55 Fe Photonen 0.28 6 129 I Photonen* 0.78 32 57 Co Photonen* 0.96 124 137 Cs Photonen* 0.85 660 60 Co Photonen* 2.0 1200 Seite 11

Oberflächenemissions-Ansprechvermögen Contamat FHT111M - Wirkungsgrad pro Energiebereich 0.8 0.7 Elektronen Photonen Wirkungsgrad 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 40-70 kev 70-140 kev 140-400 kev >400 kev 5-15 kev 15-90 kev 90-300 kev >300 kev Seite 12

Bezug auf die Oberflächenaktivität Definition Richtwertzählrate : Zählrate des kalibrierten Messgeräts für eine Kontamination mit einem CS eines Nuklids, gemittelt über 100 cm 2 Seite 14

Bezug auf die Oberflächenaktivität Berechnung der Richtwertzählrate (RWZ): RWZ CS W i, j d, j s, j j i, j = Empfindlichkeit oder Oberflächenemissions- Ansprechvermögen eines Geräts für die Strahlenart j, d, j = Emissionshäufigkeit eines gegebenen Nuklids für die Strahlenart j (abgelegt in einer Datenbank mit Einträgen für 106 Nuklide), s, j = Oberflächenemissionsrate einer Kontaminationsquelle dividiert durch die Erzeugungsrate von Partikeln oder Photonen der gleichen Strahlenart j (Emissionsanteil) mit s = 0.5 für -Quellen sowie für -Quellen mit E mittel 140 kev und s = 0.25 für -Quellen mit 40 kev < E mittel < 140 kev und für -Quellen, W = Aktive Fläche der Referenzquelle von 100 cm2, CS = Richtwert für Oberflächenkontamination (Strahlenschutzverordnung Anhang 3). Seite 15

Bezug auf die Oberflächenaktivität Berechnung der Richtwertzählrate (RWZ): RWZ CS W i, j d, j s, j j i,j = Empfindlichkeit oder Oberflächenemissions-Ansprechvermögen eines Geräts für die Strahlenart j Contamat FHT111M - Wirkungsgrad pro Energiebereich 0.8 0.7 Elektronen Photonen 0.6 Wirkungsgrad 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 40-70 kev 70-140 kev 140-400 kev >400 kev 5-15 kev 15-90 kev 90-300 kev >300 kev Seite 16

Bezug auf die Oberflächenaktivität Berechnung der Richtwertzählrate (RWZ): RWZ CS W i, j d, j s, j j d,j = Emissionshäufigkeit eines gegebenen Nuklids für die Strahlenart j (abgelegt in einer Datenbank mit Einträgen für 150 Nuklide) Co-60 2.5 Summe Intensität pro Energieintervall 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 40-70 kev 70-140 kev 140-400 kev >400 kev 5-15 kev 15-90 kev 90-300 kev >300 kev Energieintervall Seite 17

Bezug auf die Oberflächenaktivität Berechnung der Richtwertzählrate (RWZ): RWZ CS W i, j d, j s, j j s,j = Oberflächenemissionsrate einer Kontaminationsquelle dividiert durch die Erzeugungsrate von Partikeln oder Photonen der gleichen Strahlenart j (Emissionsanteil) mit s = 0.5 für -Quellen sowie für -Quellen mit E mittel 140 kev und s = 0.25 für -Quellen mit 40 kev < E mittel < 140 kev und für -Quellen Seite 18

Problematik Emissionsanteil I Anwendung von s : Ideale Oberflächenkontamination Undurchlässige Oberfläche Ideale Kontamination (keine Bedeckung mit Staub) Unbeinflusste Emissionsrate e s = 0.25 für C-14 oder Am-241 ok (konservativ?) Seite 19

Problematik Emissionsanteil II Anwendung von s : Problematische Oberflächenkontamination Undurchlässige Oberfläche Kontamination dick mit Öllage bedeckt Behinderte Emissionsrate e s = 0.25 für C-14 ok? (Mehr als 50% Absorption?) Seite 20

Problematik Emissionsanteil III Anwendung von s : Problematische Oberflächenkontamination Undurchlässige Oberfläche Kontamination dick mit Öllage bedeckt Behinderte Emissionsrate e s = 0.25 für Am-241? Unterschätzung der Flächenaktivität! Seite 21

Problematik Emissionsanteil IV Anwendung von s : Nicht beurteilbare Oberflächenkontamination In Holz eingedrungene Kontamination: e s =? Unbekannte Tiefenverteilung der Aktivität im Holz: Verhältnis zwischen Oberflächenemissionsrate und Aktivität ist nicht eruierbar! Seite 22

Bezug auf die Oberflächenaktivität: Beispiel Gerätebeispiel: Contamat FHT111M Nuklidbeispiel: Co-60 Oberflächenemissions-Ansprechvermögen des Geräts: i,j = Nettozählrate/Oberflächenemissionsrate Bestimmung für den -Energiebereich 70 140 kev: i, = 0.267 Bestimmung für den -Energiebereich >300 kev: i, = 0.009 RWZ = CS W ( i,j d,j s,j ) RWZ Co-60 = 3 100 [(0.267 1 0.25) + (0.009 2 0.50)] RWZ Co-60 = 23 -------------------- Seite 23

Bezug auf die Oberflächenaktivität: Beispiel Gerätebeispiel: Contamat FHT111M 100 90 80 70 RWZ [Ips] 60 50 40 30 20 10 0 C-14 P-32 S-35 I-125 Seite 24

Zusammenfassung Kalibrierung von Oberflächenkontaminationsmonitoren Die Kalibrierung besteht aus der: Bestimmung des Oberflächenemissionsansprechvermögens i für Elektronen und Photonen Berechnung der Richtwertzählrate Zählrate für eine Kontamination mit einem CS eines Nuklids, gemittelt über 100 cm2 Diese so genannte rechnerische Kalibrierung erlaubt: o eine Kalibrierung auch für sehr kurzlebige Radionuklide o eine Kalibrierung auch für Radionuklide, für die keine Kalibrierquellen erhältlich sind Seite 26

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Kalibrierfaktor für OKM Kalibrierfaktor: KF RWZ Bezugsgrösse AntwortOKM 1CS RWZ [(Bq/cm2)/Ips] Damit: Bezugsgrösse KF 1CS [Ips] Seite 28