Radioaktivität begleitet uns
unser ganzes Leben
Alpha/Beta-Monitor
Autor: Ing. Mag.rer.nat. Ewald Grohs Bakk.rer.nat.
Vorwort
• Dieser vierte Baustein gibt einen Überblick
über die Bestimmung der Radioaktivität
von Alpha- und Beta-Strahlern
Wischproben oder auf bestaubten Filtern
und für die Analyse von Umweltproben.
• Das komplette Lehrveranstaltungsmodul
besteht vier Bausteinen. Für die weiteren
Bausteine wird dieses Grundlagen-Modul
benötigt.
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Leben - AlphaBeta-Monitor
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Inhalt
• Wiederholung
– Strahlung
– Teilchenstrahlung
und Ionisation
– Isotope
– Radioaktivität
– Halbwertszeit
– Einheiten
– Energiespektren Alpha
– Alpha/Beta-Strahler
– Wechselwirkung mit
Materie
– Biologische Wirkung
– Strahlenschäden
– Nachhaltigkeit im Umgang mit
Strahlung
– Detektorentypen
– Szintillatorsonde
• Hot particles
• Alpha/Beta-Monitor LB 2046
• LB2046
Kurzbedienungsanleitung
• Praktische Übungen
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Wiederholung
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Strahlung
Teilchenstrahlung und Ionisation
Isotope
Radioaktivität
Halbwertszeit
Einheiten
Wechselwirkung mit Materie
Biologische Wirkung
Strahlenschäden
Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung
Gammaspektroskopie
Detektorentypen
Szintillatorsonde
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Strahlung
• Strahlung:
Ausbreitung von Teilchen und Wellen
• Auswirkungen auf Atome
– nicht ionisierende Strahlung
Auswirkung auf Atome oder Moleküle: keine
– ionisierende Strahlung
Auswirkung: kann aus Atome oder Moleküle
Elektronen entfernen: Entstehung von
positiv geladene Ionen oder Molekülreste (Ionisation)
• direkt ionisierende Strahlung
• indirekt ionisierende Strahlung
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Strahlung
Elektromagnetische Strahlung
• Nichtionisierende Strahlung: elektromagnetische Wellen bis zum
UV-Bereich
• Ionisierende Strahlung:
Wellenlänge < 100 nm
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© Wikimedia Commons
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Teilchenstrahlung und Ionisation
• Teilchen
– Alphastrahlung
• Schwere He-Kerne – direkt ionisierend
– Betastrahlung
Alphazerfall © Wikimedia Commons
• Beta-: ein Elektron wird abgegeben – direkt ionisierend
• Beta+: ein Elektron wird eingefangen – direkt ionisierend
– Protonen
• positiv geladen – direkt ionisierend
– Neutronen
• ungeladen – indirekt ionisierend
Betazerfall © Wikimedia Commons
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Isotope
• Isotop
Ein Isotop ist ein Nuklid mit gleicher Protonenzahl (Ordnungszahl),
aber unterschiedlicher Neutronenzahl.
• Stabile und instabile Isotope (ca. 2500 Isotope davon 274 stabil)
• Instabile Elemente (Radionuklide) zerfallen = radioaktiv
• Es gibt drei natürliche und eine künstliche Zerfallsreihe:
–
–
–
–
Uran-Radium-Reihe: 238U  206Pb
Uran-Actinium-Reihe: 235U  207Pb
Thorium-Reihe: (244Pu) 232Th  208Pb
Neptunium-Reihe – kommt in Natur nicht vor:
(241Pu) 237Np  209Bi (205Tl)
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Radioaktivität
• Radioaktivität ist die Eigenschaft eines
instabilen Atomkerns (Radionuklids), sich
spontan in andere Atomkerne
umzuwandeln.
• Bei diesem Prozess tritt ionisierende
Strahlung aus
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Halbwertszeit (HWZ) (1)
• Die Halbwertszeit
ist abhängig von
der Aktivität des
Elements.
• von
Mikrosekunden bis
Trillionen von
Jahren
HWZ © Wikimedia Commons
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Halbwertszeit (HWZ) (2)
Isotop
131I
Halbwertszeit
spezifische Aktivität
8 Tage
4.600.000.000.000 Bq/mg
210Po
138,4 Tage
185.000.000.000 Bq/mg
137Cs
30 Jahre
3.300.000.000 Bq/mg
226Ra
1.602 Jahre
37.000.000 Bq/mg
239Pu
24.110 Jahre
2.307.900 Bq/mg
235U
703.800.000 Jahre
80 Bq/mg
238U
4.468.000.000 Jahre
12 Bq/mg
14.050.000.000 Jahre
4 Bq/mg
232Th
Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und spezifischer Aktivität
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Einheiten
• Aktivität – Anzahl der radioaktiven Zerfälle pro Zeiteinheit.
– Einheit: Becquerel [Bq]
• Energiedosis – in Materie 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 [ ]
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Strahlenbelastung (1)
Durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung pro Jahr
(Effektivdosis in mSv pro Jahr)
© http://www.ages.at
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Strahlenbelastung (2)
•
Kosmische Strahlung – Höhenstrahlung (300 µSv/a)
– hochenergetische Teilchenstrahlung aus All.
In großer Höhe erheblich stärker als auf Meeresniveau
•
Terrestrische Strahlung: (300 µSv/a)
– durch in der Natur vorkommende langlebige Radionuklide (z.B.: Uran und
Thorium)
•
Isotope in Nahrung (300 µSv/a)
– besonders durch 40K
•
Radon (1600 µSv/a)
– aus den drei Zerfallsreihen der Elemente Uran und Thorium gibt es 3
verschiedene Radonisotope
– 222Rn aus der 238U-Zerfallsreihe: HWZ: 3,8d
– 220Rn aus der 232Th-Zerfallsreihe: HWZ: 55s
– 219Rn aus der 235U-Zerfallsreihe: HWZ: 4s
– 222Rn kann durch die längere Lebensdauer durch Risse in Keller strömen.
– Radon ist zweithäufigste Ursache für Lungenkrebs nach dem Rauchen.
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Strahlenbelastung (3)
• Kernkraftwerke (<10 µSv/a)
• Atombombentests (<10 µSv/a)
• AKW-Unfälle: Kyschtym, Chernobyl, Fukushima
– Chernobyl: (<10 µSv/a)
• Sr-90 (ß)
• I-131 (ß)
• Xe-133 (ß)
10 PBq
1760 PBq
6500 PBq
• Rauchen (300 µSv/a)
Anmerkung: Peta (P) = 1015
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Ortsdosisleistung in Österreich
Aktuelle Messwerte aus dem Strahlenfrühwarnsystem
http://www.lebensministerium.at/umwelt/strahlen-atom/strahlenschutz/strahlen-warn-system/messwerte_aktuell.html
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Energiespektren (Alpha)
Die Alpha-Strahlung eines Isotops hat nur eine bestimmte diskrete
Energie.
© http://dch-cern.blogspot.co.at
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Alpha-Strahler
• alpha-strahlende Radionuklide:
210Po, 226Ra, 232Th
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Beta-Strahler
• rein beta-strahlende Radionuklide:
3H, 14C, 32P, 35S, 89Sr, 90Sr, 99Tc, 131I
• 90Sr (HWZ: 28,78 a) entsteht bei allen
Kernspaltungen (AKW und A-Bomben)
– Chernobyl-Unfall: Freisetzung von 1 -10 PBq
– wird in Knochen abgelagert
(Ähnlichkeit mit Kalzium)
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Wechselwirkungen mit Materie (1)
• Alpha-Teilchen: He-Kern
–
–
–
–
–
schwer - stärkere Wechselwirkung – Atome werden ionisiert
Elektron wird aus der Atomhülle herausgeschlagen
nach mehreren 1000 Zusammenstößen mit Atomen abgebremst
Eindringtiefe ist gering.
Ein Papierblatt kann Alpha-Teilchen abhalten.
• Beta-Teilchen: Elektron
–
–
–
–
–
kleine Teilchen
geringere Wechselwirkung
größere Eindringtiefe
entsteht zusätzlich Bremsstrahlung (Röntgen).
Einige Millimeter dickes Aluminiumblech schirmt die Betastrahlung ab.
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Wechselwirkungen mit Materie (2)
Abschirmung von Strahlungsquellen
Papierblatt
Aluminiumplatte
© Wikimedia Commons
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Biologische Wirkung von Strahlung
• Auswirkung auf Zellen
– Direkte Schädigung der Zellen bzw. DNA
• Zellmutation, Zelltod
– Indirekte Effekte
• Radiolyse der Aminosäuren
• Wasserradiolyse – Radikale werden gebildet
• Alphateilchen:
• geringe Eindringtiefe nur bis obere Hautschichten
• Inkorporation gefährlich (Lungenkrebs)
• Betateilchen:
• nur bis in die Haut (Verbrennungen, Hautkrebs,
Augenlinsentrübung)
• Inkorporation (Schilddrüsenkrebs, Knochenkrebs, Leukämie)
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Strahlenschäden
• Somatische Schäden – Schäden durch Exposition
– Deterministische, akute oder kausale Schädigung
– Stochastische oder Spätschäden
• Dosis von 1mSv führt etwa zu 3000 Basenschäden (DNA)
pro Zelle
• Teratogene Schäden
– Schädigung des Embryos
• Genetische Schäden
– Schäden in der Folgegeneration
– 25% höhere Mutationsrate bei 4 Gray einmaliger
Bestrahlung einer Keimzelle
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Nachhaltigkeit im Umgang mit
Strahlung
• Oberster Grundsatz beim Umgang mit Strahlung:
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.
• Sorgsamer Umgang mit radioaktiven Stoffen
– Lüften von Kellern – Radon (222Rn)
– Rauchen – Polonium (210Po)
Alpha-Strahler
Beta-Strahler
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Detektorentypen
• Halbleiterdetektoren:
– Vorteile:
• Energie ist typisch für Isotop
• hohe Präzision
– Nachteile:
• erfordert hochreinen Halbleiter (meist Germanium)
• brauchbare Messgenauigkeit erfordert Kühlung
• Szintillationsdetektoren:
– Szintillation: durch Strahlung angeregte Atome senden
(sichtbares) Licht aus
– einer der ältesten Methoden zum Nachweis
• Zinksulfidschirm
– Licht wird heute mittels Photomultiplier verstärkt
Signal digital detektiert
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Szintillatorsonde
Schemata:
© Wikimedia Commons
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Hot particles (1)
• „Heiße Teilchen", im englischen Sprachgebrauch "hot particles" (HP)
sind:
– atmosphärisch getragene
– schwerlösliche Teilchen
– von hoher spezifischer Radioaktivität.
•
•
•
•
Teilchengröße < 50µm
spezifische Aktivität > 3 Bq/µm³
Unfall Three Miles Island: keine HP
Unfall Chernobyl:
– 6000 bis 8000 kg HP
– Größenbereich: 0,5 bis 150µm
• Satellitenabstürze: Cosmos 954 über Canada 1978
– 120.000 km²
– ca 1,1 PBq Kontamination
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Freisetzen von Heißen Teilchen
© http://osiris22.pi-consult.de/userdata/l_20/p_105/library/data/lb3-4-8_3.pdf
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Hot particles (2)
• Primäre Aufgabe des Strahlenschutzes ist der
Schutz des Menschen, in diesem speziellen Fall
der Schutz vor Inhalation bzw. Ingestion von
heißen Teilchen.
• Messtechnisch problematisch ist es einzelne
„hot particles“ aufzuspüren.
• Alphastrahlung ist in Luft auf wenige Zentimeter
beschränkt, Betastrahlung auf wenige Meter.
• Heiße Teilchen gelangen entweder durch
Trockendeposition auf die Auffangfläche oder
werden mit Niederschlag deponiert.
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Suchstrategien HP
• Korngrößenklassifizierung
• Abscannen von geeigneten Flächen
• Umweltproben mittels:
– Volumenproben: Wasser-, Boden-, Nahrungsmittel-, Bewuchs-,
Abfallproben usw., Flüssigkeiten werden abfiltriert
– Autoradiographie: zu untersuchende Fläche mit Röntgen- oder
Schwarz-Weiß-Film in Kontakt gebracht, genaue Lokalisierung
möglich
– Alpha/Betamessung: großflächige Gasproportionalzählrohre
– Dosisleistungsmessung: nur für HP >> 1MBq
– Gammaspektrometrie: In-situ-Gammaspektrometer,
Roboterfahrzeuge mit NaI-Detektor
– Alphaspektrometrie: Si-Detektoren
– SEM und Röntgenfluoreszenzanalyse:
Scanning-Electron-Microscopy
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Geeignete Verfahren zu HP-Identifikation
x geeignet
0 bedingt geeignet
(1) z.B. Folien,
Vaselineplatten,
Pflanzenblätter, etc.
(2) Beschädigung der
Eintrittsfolie vermeiden
(Schutzgitter)
(3) auch automat. Fahrzeuge
mit Szintillationszähler
(4) auch digitale
Autoradiographie mit ortsauflösenden VieldrahtZählrohren
(5) Eindampfrückstände
(6) auch Probenteilung
(7) Schrittfiltergeräte mit
geeigneter Software
© D. Lux, Bundesamt für Strahlenschutz,Institut für Strahlenhygiene, Oberschleißheim
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Alpha/Beta-Monitor LB 2046
Der Alpha/Beta-Messplatz LB 2046 dient zur
Messung von Alpha-, Beta- und
Gammaaktivitäten bei Wischproben oder auf
bestaubten Filtern und für die Analyse von
Umweltproben.
• großflächiger ZnS(Ag) Szintillator
• der Probenschieber ist für flache Proben, z.B.:
Papierfilter, 60 oder 100 mm Durchmesser,
vorgesehen. Es können Probeschälchen mit
einer Höhe von max. 8 mm gemessen werden
(Adapter).
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LB2046 Kurzbedienungsanleitung
•
Hauptfenster:
–
–
–
–
–
–
•
Messung: Durchführung von Probemessungen
Nulleffekt: Ermittlung des Nulleffekts für Korrektur der Rohdaten
System Test:
Service:
Parameter: Anschauen und Ändern der System- und
Messparameter
Speicher:
Tastenüberblick:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
START und STOP: Messung
PROBE:
NUKLIDE: Messnuklide auswählen
SAVE: Speichern von Parametern und Messergebnissen
DRUCK:
FF:
MENÜ: Aufruf des Messfensters
: Bewegen des Cursorbalkens
: um ins ausgewählte Menü zu kommen
ESC: Menü verlassen
DEL: löscht ein Zeichen bei der Textund Zahleneingabe
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Praktische Übungen
• (Kurz-) Bedienungsanleitung durchlesen
• Praxisaufgabe: (Übungsblatt verwenden)
Aktivitätsmessungen von verschiedenen
Proben:
– Thorium-Glühstrumpf
– Co-60 Messprobe
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