Praxisseminar Strahlenschutz Teil 4: Messtechnik Markus Drapalik 1 1
Inhalt Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 2
Ionisierende Strahlung 3 Typen: Elektromagnetisch: UV, Röntgen, Gamma Geladene Teilchen: Beta (Elektron), Alpha (He-Kern), (Protonen, Positronen) Neutronen 4
Ionisierende Strahlung Typische Reichweite/Abschirmung Gamma: mehrere cm Blei (exponentielle Abschwächung) Beta: bis zu 10m in Luft, 4mm Glas Alpha: 10cm in Luft, Papier, Kunststofffolie Neutronen: Kombination aus Eisen, Wasser/Paraffin, Bor zusätzlich Schutz vor Sekundärstrahlung (Blei) 5
Ionisierende Strahlung Wirkung Strahlung zerstört Moleküle im Organismus Funktion der Zellen eingeschränkt, bzw Zellen werden zerstört Durch Zerfall der Moleküle Entstehung von Radikalen schädigen weitere Zellen Erbgut besonders anfällig, Gefahr von Mutationen (Krebs) als Langzeitfolgen 6
Größen und Einheiten Radioaktivität: Becquerel [Bq] = [1/s] Energiedosis: Gray [Gy] = [J/kg] Äquivalentdosis: Sievert [Sv] = [J/kg] Qualitätsfaktor: Sievert / Gray = [] Dosisleistung: Sievert pro Zeiteinheit Dosisfaktor: Sievert / Becquerel Zählrate (Counts): Impulse pro Zeiteinheit [1/s] 7
Typische Dosen und Dosisleistungen Typische jährliche Dosis in Österreich: ~5mSv Maximale Dosis im Einsatz: 15mSv Katastrophendosis: 250mSv Tödliche Einzeldosis: 7Sv Brustkorb-CT: 7mSv Typischer Hintergrund: 50-200nSv/h 8
Typische Belastung 9
Zerfallsreihen Zerfall bis zu stabilem Isotop 4 Reihen: Uran-Actinium ( 235 U) Uran-Radium ( 238 U) Thorium ( 232 Th) Neptunium ( 237 Np) 10
Uran-Radium-Reihe 11
Messtechnik Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an Effekt ist messbar Mögliche Effekte: Ionisation http://medienschafe.files.wordpress.com/2011/03/ionisation.jpg 13
Messtechnik Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an Effekt ist messbar Mögliche Effekte: Ionisation Angeregte Ladungsträger http://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.251/didactics/quantenchemie/grafik/ableitng.gif 14
Messtechnik Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an Effekt ist messbar Mögliche Effekte: Ionisation Angeregte Ladungsträger Ladungsträger-Trennung http://g-o.de/index.php?cmd=focus_detail2_bild&f_id=509&rang=6&pid=16143 15
Messtechnik Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an Effekt ist messbar Mögliche Effekte: Ionisation Angeregte Ladungsträger Ladungsträger-Trennung Gemessen wird Spannung oder Licht 16
Gas-Zählrohre Gasgefülltes Zählrohr Mantel aus Metall In der Mitte dünner Draht Einfallende Strahlung ionisiert Gasatome Quelle: wikipedia 18
Gas-Zählrohre Fenster: meist nur dünneres Metall (für Gamma egal) Für Alpha und Beta wird Glimmer oder PET-Folie benutzt Quelle: wikipedia 19
Gas-Zählrohre http://positron.physik.uni-halle.de/vvb/sdm_dias.html 20
Gas-Zählrohre Vorteile: gute Empfindlichkeit pflegeleicht, handlich Nachteile: Nur einzelne Impulse, keine Energien messbar Standardtyp nur für Gammastrahlung 21
Gas-Zählrohre Quelle: automess 22
Hintergrundstrahlung Natürlicher Hintergrund ist immer vorhanden Typisch: 50-200nSv/h Für exakte Messungen zusätzliche Abschirmung erforderlich 23
Inhalt Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung 24
Szintillatorsonde Szintillation: durch Strahlung angeregte Atome senden (sichtbares) Licht aus Sehr alte Technik Röntgenschirme, Rutherford Quelle: wikipedia 25
Szintillatorsonde Wird heute durch Photomultiplier verstärkt und digital detektiert Quelle: wikipedia 26
Szintillatorsonde Verschiedene Materialien: organisch anorganisch Verschiedene Aggregatszustände: fest flüssig gasförmig 27
Szintillatorsonde Flüssiges Medium Quelle: http://www.directindustry.com Quelle: http://www.directindustry.com 28
Szintillatorsonde Festes Medium Quelle: wikipedia Quelle: automess 29
Szintillatorsonde Vorteile: sehr empfindlich (auch Untergrund präzise messbar) weiter Messbereich kurze Reaktionszeiten Je nach Bautyp auch Energie bestimmbar Nachteile: unhandlich Quelle: automess 30
Halbleiterzähler Technisch gesehen Diode, Prinzip ähnlich Solarzelle Ionisierende Strahlung erzeugt Elektron-Loch-Paare Als Spannung messbar Quelle: wikipedia 32
Halbleiterzähler Besonders geeignet für Gamma-Spektroskopie Energie von Gamma-Quant ist typisch für Isotop Erfordert hochreine Halbleiter (meist Germanium) Brauchbare Messgenauigkeit erfordert Kühlung (flüssiger Stickstoff) Präzision ist stark von Messdauer abhängig 33
Halbleiterzähler High Purity Ge- Detektor Der hochreine Germanium- Einkristall innerhalb des Gehäuses hat rund 6 cm Durchmesser und 8 cm Länge. Quelle: wikipedia 34
Gammaspektrometer 35
Spektrum von Uran-Erz Quelle: wikipedia 36
Halbleiterzähler Rauschen: Elektronik, Hintergrund Nebenpeaks: Paarbildung, Compton-Streuung Quelle: wikipedia 37
Halbleiterzähler Energieeichung sollte durch Kalibrierung sichergestellt sein, Kontrolle durch typische Linien: 40 K: 1460 kev 232 Th: 4038 kev 226 Ra: 4871 kev Paarbildung: 511keV 38
Halbleiterzähler Vergleich mit Szintillationszähler Quelle: www.techniklexikon.net 39
Halbleiterzähler Probenvorbereitung Spezielle Probenbehälter an Detektorform angepasst Wohldefiniertes Volumen sollte homogen und dicht befüllt sein Feuchte Proben schlecht vergleichbar Trocknung sinnvoll Radonmessungen: Aktivkohle Zerfall bedenken ggf. kurze Zeiten zwischen Probennahme und Messung notwendig 40
Halbleiterzähler Vorteile Bestimmung der Isotope möglich Hohe Präzision Nachteile: Teils aufwändige Probenaufbereitung Lange Messzeiten schlecht mobil möglich 41
Personendosimeter Überwachung der aufgenommenen Dosis Unterschiedliche Bauweisen Meist Pflicht für beruflich strahlenexponierten Personen: Radiologie, Nukleartechnik, ggf Einsatzkräfte 43
Personendosimeter Thermoluminiszenz- Dosimeter (TLD) Füllfederhalter- (pen) Dosimeter Quelle: www.seibersdorf-laboratories.at Digitaldosimeter Quelle: wikipedia Filmdosimeter Quelle: www.tacda.org Quelle: wikipedia 44
Nebelkammer/Blasenkammer Kammer mit übersättigtem Dampf / Flüssigkeit bei Siedeverzug Ionisierung führt zu Kondensation / Sieden Elektrisches Feld lenkt geladene Teilchen ab Bahnen mit freiem Auge erkennbar Quelle: wikipedia 46
Widerstandsplattenkammer Quelle: wikipedia 47
Kalorimeter Viele Szintillatoren übereinander Gesamte Strahlung wird absorbiert Totale Energie wird gemessen Quelle: wikipedia 48
Tscherenkow-Detektoren Bremsstrahlung wird gemessen Können extrem groß gebaut werden Neutrino-Detektoren Quelle: wikipedia 49
Mag. Markus Drapalik Borkowskigasse Baracke 4, A-1190 Wien Tel.: +43 1 47654-7712, Fax: +43 1 47654-7709 markus.drapalik@boku.ac.at, www.risk.boku.ac.at 51 51