Universität für Bodenkultur WienInstitut für Sicherheits- und Risikowissenschaften
Praxisseminar Strahlenschutz: Messtechnik20.03.2014 127.03.2014 1
Praxisseminar Strahlenschutz
Messtechnik
Markus Drapalik
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Inhalt
Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung
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Inhalt
Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung
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Ionisierende Strahlung
3 Typen: Elektromagnetisch: UV, Röntgen, Gamma Geladene Teilchen: Beta (Elektron), Alpha (He-Kern),
(Protonen, Positronen) Neutronen
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Ionisierende Strahlung
Typische Reichweite/Abschirmung
Gamma: mehrere cm Blei (exponentielle Abschwächung) Beta: bis zu 10 m in Luft, 4 mm Glas Alpha: 10 cm in Luft, Papier, Kunststofffolie Neutronen: Kombination aus Eisen, Wasser/Paraffin, Bor
zusätzlich Schutz vor Sekundärstrahlung (Blei)
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WW Alphastrahlung
Atome werden ionisiert –Elektron wird aus Hülle „gestoßen“
Dadurch alpha-Teilchen gebremst
Nach mehreren 1000 Zusammenstößen abgebremst
Stoppt bei EindringtiefeQuelle: wikipedia
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WW Betastrahlung
Wesentlich kleiner – geringere WW
Daher größere Eindringtiefe
Zusätzlich Bremsstrahlung (Röntgen)
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WW Gammastrahlung
Mehrere verschiedene WW möglich
Keine Teilchenstrahlung – wird mit Tiefe exponentiell geschwächt, aber keine feste Eindringtiefe
Nach Halbwertsschicht auf halbe Intensität reduziert
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Teilchenspuren
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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
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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]
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Typische Dosen und Dosisleistungen
Typische jährliche Dosis in Österreich: ~5 mSv Maximale Dosis im Einsatz: 15 mSv Katastrophendosis: 250mSv Tödliche Einzeldosis: 7 Sv Brustkorb-CT: 7 mSv Typischer Hintergrund: 50-200 nSv/h
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Zerfallsreihen
Zerfall bis zu stabilem Isotop
4 Reihen: Uran-Actinium (235U) Uran-Radium (238U) Thorium (232Th) Neptunium (237Np)
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Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung
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Messtechnik
http://medienschafe.files.wordpress.com/2011/03/ionisation.jpg
Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an– Effekt ist messbar
Mögliche Effekte: Ionisation
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Messtechnik
http://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.251/Didactics/quantenchemie/grafik/Ableitng.gif
Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an– Effekt ist messbar
Mögliche Effekte: Ionisation Angeregte Ladungsträger
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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
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Messtechnik
Wie wird Strahlung gemessen? Strahlung regt Materie an– Effekt ist messbar
Mögliche Effekte: Ionisation Angeregte Ladungsträger Ladungsträger-Trennung
Gemessen wird Spannung oder Licht
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Inhalt
Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung
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Gas-Zählrohre
Gasgefülltes Zählrohr Mantel aus Metall In der Mitte dünner
Draht
Einfallende Strahlung ionisiert Gasatome
Quelle: wikipedia
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Gas-Zählrohre
Fenster: meist nur dünneres Metall (für Gamma egal)
Für Alpha und Beta wird Glimmer oder PET-Folie benutzt
Quelle: wikipedia
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Gas-Zählrohre
http://positron.physik.uni-halle.de/VVB/SdM_Dias.html
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Gas-Zählrohre
Vorteile: gute Empfindlichkeit „pflegeleicht“, handlich
Nachteile: Nur einzelne Impulse, keine Energien messbar Standardtyp nur für Gammastrahlung
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Gas-Zählrohre
Quelle: automess
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Hintergrundstrahlung
Natürlicher Hintergrund ist immer vorhanden Typisch: 50-200nSv/h
Für exakte Messungen zusätzliche Abschirmung erforderlich
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Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung
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Szintillatorsonde
Szintillation: durch Strahlung angeregte Atome senden (sichtbares) Licht aus
Sehr alte Technik– Röntgenschirme, Rutherford
Quelle: wikipedia
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Szintillatorsonde
Wird heute durch Photomultiplier verstärkt und digital detektiert
Quelle: wikipedia
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Szintillatorsonde
Verschiedene Materialien: organisch anorganisch
Verschiedene Aggregatszustände: fest flüssig gasförmig
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Szintillatorsonde
Flüssiges Medium
Quelle: http://www.directindustry.com
Quelle: http://www.directindustry.com
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Szintillatorsonde
Festes Medium
Quelle: automessQuelle: wikipedia
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Szintillatorsonde
Vorteile: sehr empfindlich (auch Untergrund präzise messbar) weiter Messbereich kurze Reaktionszeiten Je nach Bautyp auch Energie
bestimmbar
Nachteile: unhandlich Quelle: automess
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Wiederholung Prinzipien der Messtechnik Gas Zählrohre Szintillatoren Halbleiterzähler Personendosimeter Andere Detektionsmethoden Zusammenfassung
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Halbleiterzähler
Technisch gesehen Diode, Prinzip ähnlich Solarzelle
Ionisierende Strahlung erzeugt Elektron-Loch-Paare
Als Spannung messbar
Quelle: wikipedia
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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
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High Purity Ge-Detektor
Halbleiterzähler
Quelle: wikipedia
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Gammaspektrometer
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Spektrum von Uran-Erz
Quelle: wikipedia
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Halbleiterzähler
Rauschen: Elektronik, Hintergrund
Nebenpeaks: Paarbildung, Compton-Streuung
Quelle: wikipedia
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Halbleiterzähler
Energieeichung sollte durch Kalibrierung sichergestellt sein, Kontrolle durch typische Linien:
40K: 1460 keV 232Th: 4038 keV 226Ra: 4871 keV Paarbildung: 511keV
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Halbleiterzähler
Vergleich mit Szintillationszähler
Quelle: www.techniklexikon.net
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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
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Halbleiterzähler
Vorteile Bestimmung der Isotope möglich Hohe Präzision
Nachteile: Teils aufwändige Probenaufbereitung Lange Messzeiten schlecht mobil möglich
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Personendosimeter
Überwachung der aufgenommenen Dosis
Unterschiedliche Bauweisen
Meist Pflicht für beruflich strahlenexponierten Personen:Radiologie, Nukleartechnik, ggf Einsatzkräfte
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Personendosimeter
Quelle: www.seibersdorf-laboratories.at
Quelle: wikipedia
Quelle: wikipediaQuelle: www.tacda.org
Thermoluminiszenz-Dosimeter (TLD) Füllfederhalter- (pen)
Dosimeter
Filmdosimeter
Digitaldosimeter
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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
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Widerstandsplattenkammer
Quelle: wikipedia
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Kalorimeter
Viele Szintillatoren übereinander Gesamte Strahlung wird absorbiert Totale Energie wird gemessen
Quelle: wikipedia
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Tscherenkow-Detektoren
Bremsstrahlung wird gemessen
Können extrem groß gebaut werden
Neutrino-Detektoren
Quelle: wikipedia
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Mag. Markus Drapalik
Borkowskigasse Baracke 4, A-1190 WienTel.: +43 1 47654-7712, Fax: +43 1 [email protected] , www.risk.boku.ac.at