Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben_Becquerel

Radioaktivität begleitet uns
unser ganzes Leben
Becquerel-Monitor
Autor: Ing. Mag.rer.nat. Ewald Grohs, Bakk.rer.nat.
Vorwort
• Dieser dritte Baustein gibt einen Überblick
über die Bestimmung der Radioaktivität
von Gammastrahlern in Lebensmitteln,
Flüssigkeiten, Schüttgütern etc.
• Das komplette Lehrveranstaltungsmodul
besteht aus vier Bausteinen. Für diesen
Baustein wird das Grundlagen-Modul
benötigt.
Radioaktivität begleitet uns unser ganzes
Leben - Becquerel-Monitor
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Inhalt
• Wiederholung
– Strahlung
– Gammastrahlung und
Ionisation
– Isotope
•
– Radioaktivität
– Halbwertszeit
•
– Einheiten
•
– Wechselwirkung mit
Materie
– Biologische Wirkung •
– Strahlenschäden
•
– Nachhaltigkeit im
Umgang mit Strahlung •
–
–
–
–
Gammaspektroskopie
Detektorentypen
Halbleiterzähler
Szintillatorsonde
Folgen eines AKW-Unfalls
Becquerel-Monitor LB 200
Einfluss der natürlichen
Radioaktivität auf die Messung
Kaliumgehalt der Lebensmittel
LB200 Kurzbedienungsanleitung
Praktische Übungen
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Wiederholung
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Strahlung
Gammastrahlung und Ionisation
Isotope
Radioaktivität
Halbwertszeit
Einheiten
Wechselwirkung mit Materie
Biologische Wirkung
Strahlenschäden
Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung
Gammaspektroskopie
Detektorentypen
Halbleiterzähler
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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Gammastrahlung und Ionisation
• Elektromagnetische Strahlung
– Gammastrahlung
• Gamma-Photon – indirekt ionisierend
Gammazerfall © 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
137Cs
30 Jahre
3.300.000.000 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
Durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung pro Jahr
(Effektivdosis in mSv pro Jahr)
© http://www.ages.at
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Strahlenbelastung
• Isotope in Nahrung (300 µSv/a)
– besonders durch 40K
• Atombombentests (<10 µSv/a)
• AKW-Unfälle:
– Chernobyl: (<10 µSv/a)
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Abschirmung von Gammastrahlen
• Gammastrahlung ist elektromagnetische
Strahlung
• in Materie exponentiell abgeschwächt
• keine feste Eindringtiefe
• nach einer Halbwertsschicht 
Reduzierung der Intensität auf die Hälfte
• die Halbwertsschicht von Energie der
Gammastrahlung abhängig
(z.B.: bei 2 MeV ist dies in Blei bei 1,3 cm).
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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
• Gammastrahlung:
• Ionisierung und freigesetzte Sekundärstrahlung
(Zellmutation, Tumor, Metastasen)
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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
– Kontaminierte Lebensmittel – Wild, Pilze (137Cs) HWZ = 30a
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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.
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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)
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Halbleiterzähler (1)
• Aufbau Ge-Kristall für
Gammaspektroskopie
© http://www.tu-dortmund.de
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© Wikimedia Commons
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Halbleiterzähler (2)
• Vorteile:
– besonders geeignet für GammaSpektroskopie
– 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
© http://www.lfu.bayern.de/strahlung/radioaktive_strahlung_messung_bewertung/strahlenschutzmessung_lfu/pic/348818_gr.jpg
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Szintillatorsonde (1)
• Szintillation: durch Strahlung angeregte Atome
senden (sichtbares) Licht aus
• einer der ältesten Methoden zum Nachweis
– Zinksulfidschirm
– Röntgenschirme (Rutherford)
• Heute meist Natriumiodid oder organische
Verbindungen wie Plastik
• Licht wird heute mittels Photomultiplier verstärkt
Signal digital detektiert
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Szintillatorsonde (2)
Schemata:
© Wikimedia Commons
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Szintillatorsonde (3)
• Vorteile:
– sehr empfindlich,
Hintergrund präzise messbar
– kurze Reaktionszeiten
– Je nach Bauart auch Energie bestimmbar
• Nachteile:
– unhandlich
© http://www.automess.de
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Folgen eines AKW-Unfalls
• Austreten von verschiedenen Isotopen:
–
–
(Jod-137, HWZ – 8,02 d)
137Cs/134Cs (Cäsium-137, HWZ 30,17 a;
Cäsium- 134, HWZ 2,0648 a)
131I
• 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
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Bodenbelastung durch Cäsium-137
im Jahr 2000 (Umweltbundesamt)
Einheit kBq/m²
http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/umweltkontrolle/2001/20_radio.pdf
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Becquerel-Monitor LB 200
Technische Daten
• Szintillations-Messgerät zur Bestimmung der GammaAktivität
• 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
© www.berthold.com
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Einfluss der natürlichen
Radioaktivität auf die Messung
• Die meisten Lebensmittel enthalten Kalium
mit dem natürlichen Radionuklid 40K. Da
der LB 200 kein Energiefenster besitzt,
sondern oberhalb einer Schwelle von ca.
40 keV den gesamten Energiebereich
misst, wird die Gamma-Strahlung des 40K
mit erfasst. Dabei ergibt 1 g Kalium pro
Liter eine Anzeige von ca. 2 Bq/l, bezogen
auf den Kalibrierfaktor für 137Cs
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Kaliumgehalt von Lebensmittel
Lebensmittel
Kaliumgehalt
g K/kg
Anzeige
Bq/l
1,5 - 1,6
6,1 - 6,5
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
20,0 - 50,0
81 - 202,5
Milch
Magermilchpulver
Pilze, getrocknet
© Bedienungsanleitung Becquerel-Monitor LB 200
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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
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Praktische Übungen
• ACHTUNG: NaI-Kristall ist mit Glas vergleichbar.
Vermeiden Sie deshalb Stöße und starke
Temperaturschwankungen!
• Kurzbedienungsanleitung durchlesen
• Nulleffekt bestimmen
• Praxisaufgabe: (Übungsblatt) Aktivitätsmessungen von
Lebensmitteln, Flüssigkeiten, Schüttgütern etc.: z.B.:
– Milch oder Magermilchpulver (40K)
– Bodenproben
– Radonhältigem Wasser
• Vorsicht: Eichung ist für 137Cs – nur hier richtige Anzeige
(z.B.: bei Bodenproben)
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