Bestimmung von -Strahlern in Umweltproben
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Radioanalytik „-Spektrometrie“ 1-33 Spektrometrie 1. Direkte Bestimmungsmethode Identifizierung Einzelnuklidbestimmung der Aktivitäten vieler Radionuklide in Radionuklidgemischen Einleitung Auf vielen Gebieten der Radioanalytik spielt die hochauflösende -Spektrometrie eine Schlüsselrolle Sie erfüllt als einzige Kernstrahlungsmessmethode eine große Anzahl von Qualitätskriterien, die keine andere der sonst noch in Frage kommenden Methoden erfüllen können. Viele -Strahler können schnell und direkt, d.h. ohne aufwendigen Probenaufschluss bestimmt werden. Die Messmethode ist sehr flexibel, d.h. sie ist anwendbar auf: kleinvolumige als auch auf großvolumige Proben in-situ und im Labor eine Vielzahl von Probearten einen weiten Energiebereich (ca. 5 bis ca. 3000 keV) viele Radionuklide Durch die sehr leistungsfähige und zuverlässige Messelektronik und EDV ist sie eine einfach zu handhabende Methode. Anwendungsbereiche der -Spektrometrie 2. Die Methode der -Spektrometrie mit hochauflösenden Reinstgermaniumdetektoren (abgekürzt: HPGe) ist die Methode in der Radioanalytik mit der größten Anwendungsbreite. Mit ihr lassen sich in praktisch allen Materialproben viele künstliche und natürliche Radionuklide eindeutig zuordnen und gleichzeitig die Aktivitäten dieser Radionuklide mit guter Genauigkeit und Präzision bestimmen. Ein weiterer Vorteil ist, dass aufgrund der Durchdringungsfähigkeit von Strahlung durch Materie eine aufwendige Probenaufarbeitung einschließlich radiochemischer Abtrennung in der Regel entfallen kann. Daher ist die -Spektrometrie sehr robust und wird in vielen Bereichen angewendet. Überwachung von -Strahlern in der Umwelt: 2.1 z. B. 131I, 60Co 137Cs, Luft, Wasser, Boden, Lebensmittel, (Strahlenschutzvorsorgegesetz) Umgebungsüberwachung kerntechnischer Anlagen (Richtlinie „Immission-, Emissionskontrolle“) im Routinebetrieb (Abluft, Niederschlag, Abwasser, Oberflächenwasser, Sediment, Wasserpflanzen, Boden, Bewuchs, Trinkwasser, Frischmilch, Lebensmittel pflanzlicher Herkunft, Fisch. Radioanalytik „-Spektrometrie“ z. B. 131I,137Cs,134Cs und viele andere kurzlebige Nuklide 2.2 Umgebungsüberwachung kerntechnischer Anlagen (Richtlinie „Immission-, Emissionskontrolle“) im Störfall z.B. 137Cs im Wild und Wildpilzen Aktivitätsbestimmung Kernkraftwerken z.B. 137Cs, 60Co 2.3 2-33 beim Betrieb von Aktivitätsflussbestimmungen Kontaminationskontrolle Betriebliche Emissions- und Immissionskontrolle Aktivitätsbestimmung Kernkraftwerken beim Rückbau von Radiologische Bewertungen durch Anwendungen des Schlüsselnuklidverfahren mit z. B. 60Co, 137Cs, 152Eu oder 241Am bei Abfalldeklarationen Freigabeverfahren - Fassmessanlage, - Freimessanlage, - kollimierte insitu- und Labor--Spektrometrie Inkorporationskontrolle - Ganzkörperzählplatz , z. B. 60Co, 137Cs, 131I - Teilkörperzählplatz, z.B. am 60 Schildrüsenmessplatz, Co am Lungenzähler - In-vitro (menschliche Ausscheidungen, Gewebe) 2.4 Anwendung in der Medizin 2.5 Nuklearmedizinsche Diagnostik - -Kamera z.B. 99mTc - Schilddrüsenfunktionstest, z.B. 131I - Positronenemissionstomografie (PET) z.B. 11C,18F Nuklearmedizinische Therapie - Radioiodtherapie mit 131I - Therapie bei gynäkologischen Tumoren, z. B. 192Ir - Perkutane Strahlentherapie, z.B. 60Co Anwendung in der Planetologie Bestimmung der Elementverteilung durch Detektion der Strahlung aus prompten n,-Reaktionen der Neutronen aus der kosmischen Strahlung mit dem Planeten. Radioanalytik „-Spektrometrie“ 2.6 z.B. bei Materialuntersuchungen in der Forensik und in der Halbleiterindustrie 3-33 Anwendung in der Neutronenaktivierungsanalytik Werden Atomkerne mit Neutronen bestrahlt, so können daraus Radionuklide entstehen. Sind diese -Strahler, so kann -spektrometrisch die Aktivität der Neutronenaktivierungsprodukte bestimmt und daraus die Konzentration bestrahlter stabiler Elemente im Ultraspurenbereich ermittelt werden. Diese Methode eignet sich z.B. zur Ermittlung niedrigster Schwermetallkonzentrationen. 3. -Strahlung Angeregter Nukleonenzustand hochenergetische elektromagnetische Wellen diskrete, charakteristische -Energien Bereich der -Energien ca. 5 bis 3000 keV Bis auf wenige Ausnahmen, wie z.B. 99mTc oder 234mPa, tritt die -Strahlung in Begleitung anderer Zerfallsarten, wie z.B. , , ec oder auf. -Strahlung entsteht, wenn ein instabiler Atomkern (Radionuklid), der sich in einem angeregten Nukleonenzustand befindet, durch Übergang eines Nukleons in einen niederenergetischen Kernzustand die überschüssige Energie als hochenergetische, elektromagnetische Wellen abgibt. In ihren Eigenschaften ist die -Strahlung mit der Röntgenstrahlung vergleichbar. Da die Nukleonen in Atomkernen diskrete Energieniveaus einnehmen, werden pro Zerfall mit bestimmten Emissionswahrscheinlichkeiten Y(Ei) einer oder mehrere (bis einige hundert) -Quanten i mit diskreten und für das Radionuklid charakteristischen -Energien Ei emittiert. Dies ermöglicht die eindeutige Identifizierung des Radionuklids. Der typische Bereich der -Energien bei Radionukliden ist ca. 5 keV bis ca. 3000 keV. 3.1 Entstehung von -Strahlern Bildung von -Strahlern durch Kernspaltung, z.B. 137Cs 235U Kernspaltung von z. B. 233U, 235U, 239Pu + 1n → 238U → 96Rb ↓ + 137Te ↓ (3,5 s) 137I ↓ + 3n (24,2 s) ↓ (3,5 s) 137Xe ↓ ↓ (3,5 s) 137Cs ↓ 96Zr (24,2 s) (11020 d) ↓ (3,5 s) 137mBa (2,55 min) 137Ba Radioanalytik „-Spektrometrie“ Nuklearmedizin Kernkraftwerk 4-33 Viele weitere -Strahler entstehen bei der Kernspaltung, wie z.B. 99Mo () 99mTc ()99Tc () 99Ru (stabil) 106Ru(106Rh), 108mAg, 110mAg, 125Sb, 129I, 155Eu. Neutronenaktivierung z.B. Nuklearmedizin Kernkraftwerk 98Mo (n) 99Mo () 99mTc ()99Tc () 99Ru (stabil) 59Co (n;) 60Co(;) 60Ni (stabil) 93Nb (n;) 94Nb(;) 94Mo (stabil) 151Eu (n;) 152Eu(;) 152Gd (stabil) 133Cs (n;) 134Cs(;) 134Ba (stabil) 241Pu (n;) 241Am(;) 237Np (2,144·106 a) Neutronenaktivierung, prompte n-Reaktionen z.B. 35Cl (stabil) (n;) 36Co() 36Ar (stabil) natürliche -Strahler, z.B. 7Be (53,29 d) kosmogen 40K (1,28·109 a) primordial 226Ra(,)222Rn(), U-Ra-Zerfallsreihe 214Pb (;) 214Bi (;) Rn-Zerfallsprodukte 228Ra () 228Ac (;) Th-Zerfallsreihe 3.2 Wechselwirkung von -Strahlung mit Materie Durchdringende Strahlung Die Effekte, die die Wechselwirkung von -Strahlung mit Materie verursachen, treten nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auf. Diese hängt von der Energie und der Kernladungszahl Z des Materials ab. Photoeffekt Das -Quant trifft ein Elektron im Material. Es wird dabei vernichtet. Das Elektron nimmt die gesamte Energie des Quants als kinetische Energie auf. Die Elektronenenergie ist diskret. Dieser Effekt soll bei der Anwendung der Spektrometrie möglichst effektiv genutzt werden, da er die Linie (Peak) verursacht. Radioanalytik „-Spektrometrie“ E1 5-33 Ee = E1 Photoeffekt Abbildung 1 1 Elektron Compton-Effekt Das -Quant trifft ein Elektron im Material. Es wird dabei in ein -Quant niedrigerer Energie umgewandelt. Das Elektron nimmt einen Teil der Energie des einfallenden -Quants als kinetische Energie auf. Die Elektronenenergie ist kontinuierlich. Dies bewirkt, dass unterhalb der Energie einer -Linie das Compton-Kontinuum erzeugt wird, das die Nachweisgrenze vergrößert. Dieser Effekt muss regelmäßig bei der Funktionstüchtigkeitskontrolle überprüft werden. E2 Abbildung 2: Compton-Effekt 2 E1 Ee =E1 - E2 1 Elektron Paarbildungseffekt Energieschwelle: Ee+e Ese = Ei – 511 keV, Ede = Ei –1022 keV, Evern. = 511 keV Das -Quant mit einer höheren Energie Ee+e1022 keV wird im elektrischen Feld eines Atomkerns im Material in ein Elektron-Positron-Paar umgewandelt. Beide Teilchen tragen die Hälfte der überschüssigen Energien als kinetische Energie. Wird das Positron weiter abgebremst, dann findet es ein weiteres Elektron, mit dem es in zwei -Quanten der Energie 511 keV „zerstrahlt“. Dieser Effekt verursacht Störlinien, die als single-escape-, s.e., double-escape-Linien, d.e. und Vernichtungslinie, e+e : im -Spektrum auftreten können. Radioanalytik „-Spektrometrie“ Abbildung 3: Paarbildungseffekt e- 6-33 Ee+e- = 511 keV E1> 1022 keV 1 e+e- e+ e+e- Der Photoeffekt ist im niederenergetischen, der ComptonEffekt im mittelenergetischen und der Paarbildungseffekt im höherenergetischen Bereich von Bedeutung. Weitere Wechselwirkungsprozesse Es gibt weitere Wechselwirkungsprozesse zwischen Quanten und Materie. Diese sind weniger wahrscheinlich und deshalb für die -Spektrometrie weniger wichtig. Zwei Prozesse sind bekannt, bei denen sich die Richtung, nicht aber die Energie der -Quanten ändert, die Rayleighstreuung an gebundenen und die Thomsonstreuung an ungebundenen Elektronen. In seltenen Fällen kann ein -Quant auch mit einem Atomkern wechselwirken. Einer dieser Prozesse heißt Kernresonanzstreuung. Die Energie des -Quants wird dabei auf den Atomkern übertragen. Weitere Effekte sind z.B. die Delbruck-Streuung oder der Kernphotoeffekt. Sie sind nur in sehr speziellen Fällen von Interesse und betreffen die Spektrometrie nicht. 3.3 Schwächung von -Strahlung Monoenergetische -Strahlung bestehend aus vielen -Quanten Alle in 3.2 erwähnten Prozesse beschreiben die Wechselwirkung einzelner Für eine monoenergetische -Strahlung, die aus vielen -Quanten besteht, kann man für die Schwächung der Intensität der -Strahlung folgendes Gesetz angeben: Tritt ein Strahl monoenergetischer Quanten senkrecht zur Oberfläche in Materie der Schichtdicke d ein, so läßt sich die Anzahl I der pro Zeit- und Flächeneinheit (Intensität) durchgelassenen -Quanten schreiben als I = I0e-d I0: Anzahl der pro Zeit- und Flächeneinheit in Materie eintretenden monoenergetischen -Quanten. Radioanalytik „-Spektrometrie“ (E) Energieabhängiger Schwächungskoeffi zient. Einheit: [1 cm-1. 7-33 Spektroskopie: Quantitative Be-stimmung von Energie Prinzip der -Spektrometrie Häufig wird durch und d durch d ersetzt. Dichte des Materials. wird dann der Massenschwächungskoeffizient genannt. Seine Einheit ist: [ 1 cm2g-1. Der Massenschwächungskoeffizient hängt nicht von der Dichte des Materials ab. Eine anschaulichere Größe, die Material und energieabhängig ist, ist die Halbwerts-schichtdicke d1/2. d1/2 läßt sich nach obiger Gleichung in Beziehung zum Schwächungskoeffizienten schreiben als: d1/2 (E) = ln2/ Für -Strahlung ist keine Reichweite definiert (E) d1/2 beschreibt die Schichtdicke eines Materials, nach der die Intensität monoenergetischer -Quanten auf die Hälfte ihres Anfangswertes gesunken ist. In der folgenden Tabelle sind einige Werte aufgelistet. Die Halbwertsdicke für monoenergetische -Quanten der Energie 1000 keV beträgt ca. 10 cm für Wasser (Gewebeäquivalent) und ca. 1 cm für Blei. Für die Schwächung von -Strahlung eignen sich am besten Materialien mit hoher Dichte. Allerdings läßt sich Strahlung nicht bis auf Null abschirmen. Deshalb ist für d1/2 / cm-1 (gerundet) Halbwertsschichtdicke d1/2 für einige -Energien und Materialien Dichte / g/cm3 Luft E / keV 1,2923E-03 5 13 10 107 50 2587 100 3481 500 6157 1000 8435 2000 12061 Wasser 1,0 0,02 0,1 3,1 4,1 7,2 9,8 14,0 Beton 1,95 0,002 0,01 0,9 2,0 4,1 5,6 7,9 Germanium 5,33 5,4E-04 0,004 0,04 0,2 1,6 2,3 3,2 Blei 11,34 8,4E-05 4,7E-04 0,008 0,1 0,4 0,9 1,3 Uran 19,1 4,1E-05 2,0E-04 0,003 0,02 0,2 0,5 0,7 Strahlung keine Reichweite definiert. . 4. Spektrometrie: Quantitative Bestimmung von Energie und Aktivität -Spektrometrie mit HPGe-Detektoren Das Prinzip der Kernstrahlungsmessung zur Bestimmung der Energie und der Aktivität von -Strahlern ist, die möglichst effektive Sammlung und Quantifizierung von geeigneten Informationsträgern, die bei der Wechselwirkung der ionisierenden Strahlung mit dem Detektormaterial erzeugt werden. Informationsträger können Lichtblitze, Elektronen und Ionen, Radioanalytik „-Spektrometrie“ ElektronLochpaare, und chemische Veränderungen von Molekülen sein. In der medizinischen Anwendung hat sich als Detektormaterial NaJ(Tl) durchgesetzt. Bei allen Anwendungen, die eine hohe Energieauflösung erfordern, werden Detektoren aus hochreinem Germanium (HPGe) standardmäßig verwendet. Deshalb werden im Folgenden die Eigenschaften von HPGe-Detektoren behandelt. 8-33 4.1 Allgemeine Eigenschaften von -Detektoren -Strahlung besteht aus Photonen oder -Quanten. Deshalb wird sie auch Photonenstrahlung genannt. Im Unterschied zu Licht sind die Photonen der -Strahlung sehr viel höherenergetischer (ca. 5 bis 5000 keV). Das Prinzip der -Spektrometrie mit HPGe-Detekotren besteht in der Kopplung folgender Prozesse: HPGe -Energie E Elektron-LochPaare Pulshöhe Kanalnummer K Umwandlung der -Quanten in kinetische Energie von Elektronen (und Positronen) durch den Photoeffekt, Comptonstreuung und von Paarbildung, Erzeugung von Elektron-Lochpaaren gebildeten Elektronen, Sammlung und Messung der Ladungsträger. durch die Ein -Strahler emittiert in der Regel -Quanten, die monoenergetisch sind. Ein Detektor wandelt das emittierte Liniespektrum um in eine Kombination von Linien- (Photo-, Vernichtungs-, single-escape-, double-escape-Peak) und kontinuierlichen Anteilen (Comtpon-Kontinuum, Bremsstrah- Radioanalytik „-Spektrometrie“ lung, Rückstreuung). Solange man einzelne Linien (so genannte „peaks“) erkennen kann, wird eine wichtiger Zweck der Spektrometrie erfüllt: die Bestimmung der Energie der Strahlung und die Identifizierung von -Strahlern in der Probe sowie die Intensität der Photonen (Zählrate) und damit die Bestimmung der Aktivität von einzelnen Strahlern. Gehen diese Linien verloren, so können diese Größen nicht mehr bestimmt werden. Ein Detektormaterial eignet sich zur Spektrometrie von Kernstrahlung, wenn mehrere Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind: 4.1.1 Bedingung für hohe Energieauflösung Die Wechselwirkung 9-33 mit der ionisierenden Strahlung, die beim radioaktiven Zerfall emittiert wird, soll pro Wechselwirkungsereignis zur Produktion von möglichst vielen Informationsträgern führen. Je höher diese Anzahl ist, umso besser ist die Energieauflösung. Einige Eigen-schaften von Silizium (Si) und Germanium (Ge) Radioanalytik „-Spektrometrie“ 10-33 linearer Zusammenhang. R A R: Nulleffektsbereinigte Nettozählrate A: Aktivität des zu bestimmenden Radionuklids in der Probe 4.1.2 Bedingung für Spektroskopie Zwischen der Anzahl K der Infomationsträger, die pro einzelnem Wechselwirkungser eignis erzeugt werden, zur Energie E der Primärstrahlung muss ein quantitativer Zusammenhang bestehen. 4.1.3 Bedingung für die Aktivitätsbestimmu ng Zwischen der Anzahl Z der während der Meßzeit zerfallenden Kerne des Radionuklids, dessen Aktivität bestimmt werden soll, der Anzahl der dabei emittierten und zur Spektrometrie geeigneten Teilchen bzw. Quanten und der Anzahl der Impulse I der durch das Detektorsystem im Auswertungsbereich registrierten Impulse besteht ein 4.1.4 Zusatzbedingung für ein Linienspektrum Damit ein Linienspektrum, wie z.B. ein - bzw. -Spektrum, aufgenommen werden kann, muss zusätzlich gewährleistet sein, dass die zu detektierende ionisierende Strahlung diskrete Energie aufweist. 4.1.4.1 Halbleitereigenschaften Für die -Spektrometrie erfüllt hochreines Germanium die drei ersten Bedingungen besonders gut. Kernladungszahl Atommasse Dichte (300 K)/g/cm³ Bandlückenenergie Egap (300 K)/eV Energie pro Elektron-Loch-Paar (300K)/eV Energie pro Elektron-Loch-Paar (77K)/eV Fanofaktor (77 K) Si 14 28,09 2,33 1,115 3,62 3,76 ca. 0,1 Bandstruktur der Elektronenenergie in Ge bei 77 K Ge 32 72,60 5,33 0,665 2,96 ca. 0,06 Elektronenenergie /eV Radioanalytik „-Spektrometrie“ 11-33 Leitungsband Egap = 0,665 eV Valenzband 4.1.4.2 Thermische Anregung der Ladungsträger Die Wahrscheinlichkeit, p(T), dass pro Zeiteinheit ein Elektron-Loch-Paar thermisch erzeugt wird, ist: P(T) = C·T3/2·exp[-Egap/2kT] mit T: absolute Temperatur Egap: Bandlückenenergie k: Boltzmannkonstante C: Proportionalitätskonstante, die typisch für das Halbleitermaterial ist Thermisches Rauschen in Si und Ge bei verschiedenen Temperaturen Ursache für das thermische Rauschen des Detektors: Thermische Anregnung der Ladungsträger Überlagerung der Effekte durch ionisierende Strahlung Halbleiter Egap / eV T/K Si zur Spetrometrie bei Raumtemperatur Ge zur Spetrometrie bei 77 K Si 1,115 Ge 0,66 p(T) 300 2,24·10-6 300 1,49·10-2 77 1,71·10-19 Si kann durch die höhere Bandlückenenergie auch bei Raumtemperatur zur hochauflösenden Detektion von ionisierender Strahlung verwendet werden. Wegen der geringeren Dichte als Ge allerdings hauptsächlich für die Spektrometrie. Ge kann durch die niedrige Bandlückenenergie bei Raumtemperatur nicht zur hochauflöenden Detektion verwendet werden. In der Regel wird Ge auf die Temperatur des Siedepunktes von flüssigem Stickstoff (77 K) gekühlt. Bei dieser Temperatur ist hochauflösende -Spektrometrie (wegen größerer Dichte des Ge) möglich. Radioanalytik „-Spektrometrie“ 12-33 4.1.5 Messprinzip Bei der Verwendung von HPGe zur hochauflösenden Spektrometrie benutzt man den geringen Wert der Bandlückenenergie. Die Energie, die zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares benötigt wird, ist so klein, dass pro Wechselwirkungsereignis sehr viele Elektron-Loch-Paare erzeugt werden. 4.1.6 Energieauflösung Die Hauptgrößen zur Charakterisierung eines Detektors sind sein physikalische Wirkungsgrad und seine Energieauflösung. Diese hängt ab von Faktoren wie der Statistik des Ladungssammlungsprozesses der Vollständigkeit des Ladungssammlungsprozesses des elektronischen Rauschens der Drift des Verstärkers FWHM²Ges = FWHM²stat + FWHM²Rau + FWHM²Drift + …. FWHMstat = 2,355·(F·E·)½ F: Fanofaktor Intrinsische Eigenschaft des Detektormaterials, empirisch zu bestimmen nach: F= beobachtete Varianz in N Varianz nach der Poisson-Statistik F≈ < 0,1 für Halbleiter 0,2 für Gase 1 für Szintillationsdetektoren N: Anzahl der Ladungsträger, die pro Primärereignis durch ein -Quant der Energie E erzeugt werden. N = ·E EEnergie des emittierten -Quants Energie, die nötig ist, um ein Ladungsträgerpaar zu erzeugen. - unabhängig von Strahlungsenergie und –art - abhängig vom Detektormaterial z.B. Ge ca. 3 eV, Gase ca. 30 eV Die folgende zeigt die ideale -Linie und ihre Kenngrößen. Radioanalytik „-Spektrometrie“ 13-33 Als Maß für die Energieauflösung wird in der Regel die Größe der Halbwertsbreite „Full Width at Half Maximum“ (abgekürzt: FWHM) verwendet. Der Wert der FWHM ist energieabhängig und liegt in der Regel in einem Bereich zwischen ca. 0,9 keV bei 122,1 keV (57Co) und ca. 2,0 keV bei 1332,50 keV (60Co). Energieauflösung: R = FWHM/H0 1 Energieauflösung R Impulse pro Kanal R = FWHM/H0 FWHM FWTM 0 0 10 20 30 40 H0 50 60 70 Pulshöhe FWHM bzw. FW1/2M (Halbwertsbreite) FWTM bzw. FW1/10M (Zehntelwertsbreite) FWFM bzw. FW1/15M (Fünfzehntelwertsbreite) Zur Sicherstellung der Funktionstüchtigkeit werden die Parameter als Kenngrößen der Linienform experimentell bestimmt. Sie erlauben Aussagen, inwieweit die -Linie von der Ideallinie (Gaussfunktion) abweicht und gestatten Rückschlüsse auf den Zustand des Spektrometers. In folgender Abbildung ist die Abhängigkeit des FWHM-Werts von der -Energie für ein -Spektrometer mit HPGe-Detektor gezeigt. 3,0 FWHM gegen die Energie. FWHM /keV 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 500 1000 1500 -Energie/keV 2000 Radioanalytik „-Spektrometrie“ FWHM E½ 14-33 Die durchgezogene Linie kann durch eine Wurzelfunktion gut angenähert werden. 4.2 Komponenten eines Spektrometers Hochspannung bei HPGe-Detektoren: ca. 2 – ca.4kV Ein n- oder p-dotierter HPGe-Kristall (ca. 125 cm³) erzeugt wegen seiner geringen Bandlückenenergie von ca. 0,7 eV bei der Wechselwirkung mit -Strahlung viele Elektron-LochPaare, die von einer Hochspannung (einige kV) gesammelt, weiter verstärkt, digitalisiert und über einen PC als Spektrum (Pulshöhenspektrum) dargestellt werden. Die geringe Energie, die zur Bildung eines Elektron-Loch-Paares notwendig ist, eröffnet die Möglichkeit der hochauflösenden Spektrometrie. Die Anzahl der Elektron-Loch-Paare N ist der Pulshöhe (gesammelte Ladung) und diese ist der Energie der wechselwirkenden -Quanten proportional. Während der weiteren Informationsverarbeitung wird einem engen Pulshöhenbe-reich im eindeutig zugeordnet. Während einer hinreichend langen Sammelzeit (Messzeit) bildet sich das -Spektrum als Pulshöhenspektrum. Wegen der Bildung von Elektron-LochPaaren bei Raumtemperatur muss der HPGe-Detektor gekühlt werden. Man verwendet dazu flüssigen Stickstoff (T = 77 K) und unterdrückt das thermische Rauschen um mehr als 10 Größenordnungen. Das folgende Blockbild zeigt schematisch den typischen Aufbau eines -Spektrometers. Wichtige Komponenten eines -Spektrometers Q HPGeDetektor Hoch- Hauptverstärker spannung ADC-Wandler Kühlung Buffer 77 K Vorverstärker PC Radioanalytik „-Spektrometrie“ heute elektrische Kühlung ebenfalls möglich 15-33 Reinstgermaniumkristall und Vorverstärker werden mit flüssigem Stickstoff gekühlt, so dass die Energieauflösung optimal ist. Bei einem Labor--Spektrometer sind Probe und Reinstgermaniumkristall vollständig, bei einem in-situ-Spektrometer teilweise von einer Abschirmung aus Strahlung absorbierendem Material z.B. Blei umgeben. 4.3 -Spektren 4.3.1 Zusammensetzung des -Spektrums 4.3.1.1 Einzel--Übergang (E < 1022 keV) Folgende Abbildung zeigt die typischen Kennzeichen eines idealen -Spektrums, das bei Radionukliden entsteht, die Quanten mit einer einzigen Energie Ei < 1022 keV emittieren. Im Bereich zu niedrigeren Energien muss man neben der -Linie das Compton-Kontinuum in Kauf nehmen. Zusammensetzung eines -Spektrums: -Spektrum eines einzelnen -Übergangs Ei < 1022 keV; keine Effekte von -Strahlung Das Peak-to-Comp-ton-Verhältnis P Impuls pro Kanal Einzel--Übergang (E < 1022 keV) Photo-Peak (-Linie) Ei < 1022 keV Compton-Kontinuum multiple Comptonereignisse Compton-Kante C Anzahl der Kanäle Die multiplen Comptonereignisse bewirken einen Anstieg der Impulse pro Kanal von der -Linie zur sogenannten Comptonkante bei einer Energie von ca. E – 256 keV. Radioanalytik „-Spektrometrie“ Peak-to-Comptonverhältnis P/C 16-33 Für die Überprüfung der Güte des Germanium-Kristalls wird beim Funktionstüchtigkeitstest mit einem geeigneten Strahler mit nur einer oder zwei -Linien nicht zu kleiner Energie das sogenannte Peak-zu-Compton-Verhältnis P/C bestimmt. P ist die maximale Impulszahl des Zentrums der Linie. C ist das Minimum des Compton-Kontinuums. Als Prüfstrahler zur Bestimmung des Werts P/C ist z.B. das 40K (1460,83 keV) oder das 60Co (1332, 50 keV) geeignet. 4.3.1.2 Einzel--Übergang (E > 1022 keV) Folgende Abbildung zeigt die typischen Kennzeichen eines idealen -Spektrums, das bei Radionukliden aufgenommen wird, die -Quanten mit einer einzigen Energie E > 1022 keV emittieren,. Zusätzlich zu dem oben gezeigten Spektrum sind die zusätzlichen Effekte durch den bei Energien von E > 1022 keV mögliche Paarbildung eingezeichnet. Je nachdem, ob die nach der Paarbildung und anschließenden Paarvernichtung gebildeten 2 -Quanten der Energie 511 keV innerhalb kurzer Zeit im Kristall weiter Elektron-Loch-Paare bilden oder nicht, treten folgende Linien auf: single-escape double-escape e+e- single escape-Linie bei E–511 keV, falls ein Quant nicht detektiert wird double escape-Linie bei E–2·511 keV, falls zwei Quanten nicht detektiert werden Vernichtungslinie e+e- bei 511 keV falls ein oder 2 Vernichtungslinien detektiert werden. Zusammensetzung eines -Spektrums: Einzel--Übergang (E > 1022 keV) Impuls pro Kanal Zusammensetzung eines Spektrums. Photo-Peak (-Linie) Ei > 1022 keV Ei > 1022 keV double-escape peak Es.e. = Ei-1022 keV Vernich- single-escape peak tungspeak Es.e. = Ei-511 keV Ee+e- =511 keV Anzahl der Kanäle Radioanalytik „-Spektrometrie“ 17-33 4.3.1.3 weitere Störeffekte In einer realen Messsituation befindet sich in der Umgebung des Detektors Materie, die durch Wechselwirkung mit der kosmischen Strahlung oder mit -Strahlern natürlichen wie auch künstlichen Ursprungs zusätzliche Signale im Spektrum erzeugt. -Spektrum eines einzelnen -Übergangs Ei > 1022 keV;Effekte von -Strahlung Impuls pro Kanal Einzel--Übergang (E > 1022 keV) Weitere Störeffekte Photo-Peak (-Linie) Ei > 1022 keV charakterisitische Röntgenstrahlung Röntgenbremsstrahlung Anzahl der Kanäle Die Wechselwirkung von Elektronen mit dem Abschirmungsmaterial, z.B. Blei oder Quecksilber in der Nähe des Detektors und mit dem Detektormaterial selbst, bewirken die Erzeugung der kontinuierlichen Röntgenbremsstrahlung und des Linienspektrums der charakteristischen Röntgenstrahlung in einem Energiebereich zwischen ca. 5 keV und 100 keV. In diesem Energiebereich ist die Auswertung von Linien erschwert, da ihre Intensitäten vom -Anteil in der Probe abhängen. Die Quelle der Elektronen sind entweder Strahler in der Probe bzw. Kernreaktionen der kosmischen Strahlung. Werden mehrere -Quanten unterschiedlicher Energie detektiert, so summieren sich alle oben genannten Effekte. Die -Linien niederenergetischer -Quanten bauen sich auf den Compton-Kontinua der höherenergetischen auf. Radioanalytik „-Spektrometrie“ 18-33 5. Bestimmung der Aktivität 5.1 Radioanalytische Spektrometrie Die Zählrate R (Impulsrate) ist proportional zur Aktivität A Grundgleichung bei der - Für jeden -Übergang i der Energie Ei lässt sich die radioanalytische Grundgleichung schreiben als: R´= A·Y·P·(1 – a)·g·(1 – s) ·(1 + r)·(1 – t) + R0 mit R´: Bruttozählrate der Comptoneffektsbereinigten -Linie R´= NNet tR NNet: Nettofläche unter der -Linie in Impulsen (counts) tR: real time: wirklich verlaufende Messzeit Y: Emissionswahrscheinlichkeit für den - Übergang P: Physikalischer Wirkungsgrad (englisch: efficiency) einer Punktquelle P des Detektors für einen -Quant der Energie E. a: Absorption des Strahlers an der Oberfläche (Umhüllung, Ge-Totschicht) des Detektors g: Geometriefaktor s: Selbstabsorption der Strahlung im Probenmaterial r: Rückstreuung der Strahlung t: Totzeitkorrektur R0: Nettonulleffektszählrate Radioanalytik „-Spektrometrie“ 19-33 5.1.1 Totzeitkorrektur t -Quanten, die innerhalb eines gewissen Zeitintervalls, der Totzeit tD, nach der Sammlung der Elektron-Loch-Paare mit dem HPGe-Detektor wechselwirken, können nicht detektiert werden. Die Totzeit wird in der Regel relativ zur in Wirklichkeit verlaufenden Meßzeit tR (Real time) angegeben: tD = (tR - tL)/tR wobei tL (Life time) die Zeit ist, in der das Detektorsystem Quanten detektieren kann. Das Detektorsystem korrigiert diese Verluste selbständig bis ca. 15 %. Über 15 % muss eine Kalibrierung mit entsprechend höheren Aktivitäten erfolgen. Die Totzeit kann vermindert werden durch: Wechsel der Messgeometrie, falls sich der mittlere Abstand von Aktivität zu Detektor vergrößert Entnahme einer repräsentativen Teilprobe Verwendung eines Detektors mit kleinerem Detektorvolumen Für die Bestimmung der Aktivitäten wird die Life time t L eingesetzt. t = 1- tL/tR 5.1.2 Selbstabsorption s Weichen Dichte und Elementzusammensetzung des Probenmaterials weit von denen des Kalibrierpräparats ab, muss der Effekt der unterschiedlichen Eigenabsorption in Proben und Kalibriermaterial berücksichtigt werden. Dieser Effekt ist von der Energie der -Quanten von der Materialzusammensetzung und von der Messgeometrie abhängig. Für die Ermittlung des Korrekturfaktors s gibt es die folgenden Möglichkeiten: Berechnung aus -Absorptionskoeffizienten Voraussetzung: hinreichend gut bekannte Elementzusammensetzung Abschätzung von s aus Absorberversuchen Voraussetzung. Keine allzu komplexen Geometrien z.B. geeignet für 100 mL in 500 mL Kautexflasche Kalibrierung mit Material, das in Bezug auf die Selbstabsorbtion möglichst identische Eigenschaften hat wie das Probenmaterial. Radioanalytik „-Spektrometrie“ Kaskadenübergänge und sehr hohe Aktivitäten 20-33 5.1.3 Summationseffekte Kaskadenübergänge von Kernzerfällen, wie z.B. von 133Ba und 88Y, sowie sehr hohe Aktivitäten in der Probe führen dazu, dass im -Spektrum die Energien von bestimmten Linien summiert werden. Der Detektor kann zwei innerhalb kurzer Zeit wechselwirkende -Quanten nicht mehr getrennt, sondern nur als einzelne -Linie mit der Summe der Energien der Einzelquanten detektieren. Dadurch können neue Linien, die Summenlinien, entstehen oder vorhandene -Linien vergrößert (summing-in) oder verkleinert (summing-out) werden. Das Ausmaß ist von der Art der -Übergänge, von der Messgeometrie der Probe und von der Größe des Detektorvolumens abhängig. Summationseffekte treten bei Strahlern, die nur -Quanten einer Energie emittieren, nicht auf. Ansonsten müssen sie linienbezogen durch Multiplikation mit Summenlinienkorrektufaktoren oder durch Spezialkalibrierung korrigiert werden. 5.1.4 Bestimmung des physikalischen Wirkungsgrads Die Selbstabsorption s und weitere in der radioanalytischen Grundgleichung eingehenden Einflussfaktoren a, g und r werden experimentell mit der Bestimmung des geometrieabhängigen physikalischen Wirkungsgrads phys. einer ausgedehnten Quelle bestimmt. Die radioanalytische Grundgleichung vereinfacht sich dann zu folgender Form: R´= A·Y·Phys + R0 Um phys. zu bestimmen, muss gemäß obiger Gleichung die Aktivität A eines -Strahlers und die Emissionswahrscheinlichkeit Y bekannt sein. A wird von internationalen Aktivitätsnormalen abgeleitet und von den nationalen und internationalen Zertifizierungsbehörden in Vergleichmessungen standardisiert, um international vergleichbare Aktivitätsbestimmungen vornehmen zu können. Nationale Standardisierungsbehörden sind z.B.: Physikalisch Technische Bundesanstalt (Deutschland) NIST, National Institute of Standardisation (USA) Forschungszentrum Mol, Belgien Internationale Standardisierungsbehörden sind z.B.: IAEA, Internationale Atomenergiebehörde, Wien Radioanalytik „-Spektrometrie“ 21-33 Durch die Messung der nulleffektsbereinigten Nettozählrate R(Ei) = R´(Ei) u(Ei) der -Linie der Energie Ei und die Verwendung der in der Literatur z.B. ICRP Pub. 38 tabellierte Werte für Y (Ei) erhält man: Phys(Ei) = R(Ei) Y(Ei)·A Die Einheit der Emissionswahrscheinlichkeit ist: [Y(Ei)] = 1 (Bqs)-1 Bei -Strahlern ist der Wertebereich: <10-6 bis 1 (Bqs)-1. Häufig wird Y(Ei) auch in % angegeben. 1 (Bqs)-1 = 100%. Der physikalische Wirkungsgrad kann in verschiedenen Einheiten angeben werden: aktivitätsbezogen Relativ zur Aktivität im Kalibrierstrahler: phys(Ei)] = 1 IpsBq-1 (Ips bedeutet: Impulse pro Sekunde). Der physikalische Wirkungsgrad für -Quanten liegt bei HPGe-Detektoren (ca. 125 cm³) maximal bei 0,05 bis 0,07 IpsBq-1. Häufig auch in % angegeben. Relativ zum physikalischen Wirkungsgrad eines zylindrisch geformten NaJ(Tl)-Standarddetektors mit einem Durchmesser von 7,62 cm und einer Dicke von 7,62 cm. Relativ zu 7,62 cm 7,62 cm NaJ(Tl) für 60Co (1332,50 keV) in 25 cm Abstand Größte bisher produzierbare Detektoren: 200 % r = R(E=1332,5 keV) A·physNaJ (E=1332,5 keV) Die Messung wird mit einem Aktivitätsstandardquelle von 60Co mit der Aktivität A (unter 500 kBq) in 25 cm Entfernung von der Detektor Endkappe durchgeführt. Die nulleffektsbereinigte Nettozählrate R wird für die -Linie der Energie E = 1332,50 keV (Y ≈ 1 IpsBq-1 ) bestimmt. mit physNaJ (E=1332,5 keV) = 1,2·10-3 IpsBq-1 ist r = 0,83·103 R(E=1332,5 keV) IpsBq-1 A Einheit: Multipliziert man den mit obiger Gleichung ermittelten Wert mit hundert so erhält man r. Die Einheit ist: [r] = 1 % Radioanalytik „-Spektrometrie“ 22-33 Ein HPGe-Detektor mit ca. 125 cm³ Kristallvolumen erreicht einen Wert für r von ca. 25%. Für Punktquellen gilt für r >> D (Durchmesser des Detektors): Abstandsquadratgesetz P 5.1.5 1 r² Abhängigkeit des physikalischen Wirkungsgrads Der physikalische Wirkungsgrad ist von folgenden Faktoren abhängig. 5.1.5.1 Meßgeometrie Für Punktquellen, die nicht zu nahe am Detektor sind, gilt, dass der physikalische Wirkungsgrad quadratisch mit zunehmendem Abstand r von der Detektorendkappe abnimmt. Bei ausgedehnten Proben auf dem Detektor gilt dieser einfache Zusammenhang nicht. Jedoch ist der physikalische Wirkungsgrad auch in der Nähe des HPGeDetektors stark vom Detektordesign abhängig. Für ist die Aktivität in der Probe über das Messvolumen homogen verteilt, so beeinflusst die Form und das Volumen des Messgefäßes den Wert von Phys.. Häufig verwendete Messgeometrien für ausgedehnte Proben sind: Homogene Aktivitätsverteilung im Probenvolumen: D: Durchmesser der Detektorendkappe, d: Durchmesser der Probe. d Voraussetzung: Probenmaterial zylindrisch in z.B. LSC-Vial, Dose, Flasche 2 < VP /mL< 1000 1 < d/cm < D zyl D HPGe-Detektor koaxial Radioanalytik „-Spektrometrie“ Probenmaterial in dünner Schicht z.B. Filter, Schale VP < 2 mL 1 < d/cm < D HPGe-Detektor koaxial Filter Probenmaterial mit möglichst kleinem Abstand um den Detektor Ringschale, Marinelli-Becher 100< VP/mL< 4000 D<d RS Punktquelle Detektor. VP << 1 mL d << D P D HPGe-Detektor koaxial auf Probenmaterial in Bohrloch z.B. in 20 mL LSC-Vial 1 < VP/mL< 20 mL d<D BL HPGe-Detektor koaxial d D HPGe-Detektor koaxial 23-33 Radioanalytik „-Spektrometrie“ 24-33 Für HPGe-Detektoren mit 25% < r < 50% und Energien mit 500 keV < E < 2000 keV gilt: Beispiele: Für typische Messgeometrien Phys.(Vprobe) Der physikalische Wirkungsgrad nimmt in der folgenden Reihenfolge ab: BL > P > Filter > Zyl (100mL) > Zyl (250mL) > RS (1L) Die Verhältnisse der physikalischen Wirkungsgrade sind im Energiebereich mit 500 keV < E < 2000 keV nahezu konstant und es gilt: P /Zyl (100mL) ≈ 2,1 Filter (d = 5,5cm) /Zyl (100mL) ≈ 2,0 Zyl (250mL) /Zyl (100mL) ≈ 0,6 RS (1L) /Zyl (100mL) ≈ 0,5 Für die Wahl der geeigneten Messgeometrie zur Realisierung einer möglichst niedrigen Nachweisgrenze gilt bei nicht zu hoher Aktivität (geringe Totzeit) nicht zu niedrigen -Energien nicht zu hoher Dichte (geringe Selbstabsorption) die Faustregel für Probenmaterialien, die a) nicht kompaktierbar sind z.B. Boden und bei denen ein Probenvolumen von einigen 100 mL zur Verfügung steht: Das zur Verfügung stehende Probenvolumen wird möglichst vollständig in eine Ringschalengeometrie überführt. b) kompaktierbar sind z.B. Wasser, Pflanzen: Das zu Verfügung stehende Probenvolumen wird möglichst vollständig auf den minimalen Wert verringert und in die kleinstmögliche Geometrie überführt. 5.1.5.2 Volumen des Detektorkristalls Der relative physikalische Wirkungsgrad r ist umso größer, je größer das Detektorvolumen ist. Diese Aussage gilt nur für zylindrische Detektorkonfiguration dessen Durchmesser und Höhen etwa gleich sind. Radioanalytik „-Spektrometrie“ 25-33 5.1.5.3 Abhängigkeit von der Energie Ei Messgeometrie: 100 mL Dose Abbildung: Ei) 100 mL Dose GLP: planar GEM: koaxial. -3 /10 ips/Bq 100 10 GEM (50%) 1 GLP(2,5%) 0 10 100 1000 10000 E/keV Planare Detektorkonfiguration für Messungen niedriger -Energie H << D H: Dicke des GeKristalls Der physikalische Wirkungsgrad ist von der Detektorkonfiguration und von der Energie abhängig: Für eine Messgeometrie von 100 mL Dose und planarer Detektorkonfiguration: r =2,5% (VGe = 12,5 cm³) koaxialer Detektorkonfiguraton: r =50% (VGe = 250 cm³) planarEi< 80 keV) >> koaxialEi< 80 keV) Koaxiale Detektorkonfiguration für Messungen hoher -Energie D≈H Beispiel: Potenzfunktion in bestimmten Energiebereichen Grund: Planarer Detektor ist mit dünnem Fenster aus Be oder Plastik an Detektorkappe ausgestattet. Dadurch ergibt sich eine geringe Absorption a am Endfenster und deshalb eine hoher physikalischer Wirkungsgrad für niedrige Energien. planarEi> 80 keV) << koaxialEi> 80 keV) Grund: Durchdringende Strahlung bei höheren Energien wechselwirkt mit dünnem Kristall des planaren Detektors nur sehr schwach. In bestimmten Energiebereichen kann die Kurve als einfache Potenz-Funktion geschrieben werden. E Phys(E) = Phys(E0)·( E0 )-n Radioanalytik „-Spektrometrie“ 26-33 In welchen Energiebereichen diese einfache Funktion gilt erkennt man, falls bei doppelt-logarithmischer Auftragung eine Gerade entsteht. Der Exponent ist aus der Steigung dieser Geraden zu bestimmen. In der Literatur sind mindestens sechs verschiedene zum Teil sehr komplizierte analytische Funktionen angegeben. 5.1.6 Kalibrierfaktor Der Kalibrierfaktor ist definiert als: (Ei) = (phys(Ei)Y(Ei))-1 Einheit: Bq/Ips. Es gilt: A = (Ei)R(Ei) 5.2 Nulleffekt -Strahler sind in der Natur überall vorhanden. Beispielsweise kommen die natürlichen Zerfallsreihen im Baumaterial vor. Weiter kommt es durch Kernreaktionen des Detektors oder des den Detektor umgebenden Materials mit der kosmischen Strahlung oder durch -Strahler zur Produktion von -Linien, die auch dann detektiert werden, wenn sich keine Probe in der Nähe des Detektors befindet. Dieses Spektrum heißt Nulleffektsspektrum oder kurz Nulleffekt. Die Nulleffekts-zählrate R0(Ei) muss für bestimmte -Energien experimentell bestimmt und bei der Bestimmung der Aktivitäten in einer Probe berücksichtigt werden. Das gilt besonders dann, wenn natürliche Radionuklide spektrometrisch bestimmt werden sollen. Bei den natürlichen Radionukliden gibt es über 700 -Strahler von denen die wichtigsten bei Debertin (siehe 8. Literatur aufgelistet sind). Radioanalytik „-Spektrometrie“ 5.3 27-33 Energiekalibrierung Die Verknüpfung zwischen Kanalnummer und der -Energie muß experimentell ermittelt werden. Dazu nimmt man das Spektrum einer Mischung bekannter -Strahler auf, deren Linien möglichst gleichmäßig im ganzen erfassbaren Energiebereich von ca. 10 keV bis ca. 2000 keV liegen. Man bestimmt die Lage der Peakmaxima und trägt sie gegen die Energie auf. Es ergibt sich ein linearer Zusammenhang: Ei = ki + E0 k: : E0: Kanalnummer Energie pro Kanal in keV/chn Energie bei Kanalnummer 0. In der Regel kann die Energiekalibrierung Auswertungssoftware durchgeführt werden. 5.4 mit der Auswertung (Trapezmethode) 5.4.1 Festlegung des Auswertungsbereichs einer -Linie -Linien und Größen zur Ermittlung der Peakfläche Die Festlegung des Auswertungsbereichs (ROI: Region of Interest) einer -Linie geschieht durch Optimierung der Nettofläche (Net Area: NA) unter der Linie (siehe Abbildung). Ermittlung der Peakfläche EH: Energie beim Kanal H der höchsten Kanalnummer des Auswertungsbereichs (ROI) 1,2 1,1 1 I / Impuls pro Kanal EL: Energie beim Kanal L der niedrigsten Kanalnummer des Auswertungsbereichs (ROI) NA 0,9 GA = NA + BG 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 EL BG EH 80 Kanalnummer i Radioanalytik „-Spektrometrie“ 28-33 5.4.2 Nettofläche NA(Ei) NA(Ei) = GA(Ei) – BG(Ei) und H GA(Ei) = Ii i=L mit Ii: Anzahl der Impulse im Kanal I L: minimaler Kanal des Auswertungsbereichs H: maximaler Kanal des Auswertungsbereichs BG: „background“ durch Comptoneffekt Linienuntergrund. Diese Größe wird durch Auswertungsoftware berechnet nach: bzw. die k+m Uk = (2m+1)-1 i i=k-m mit k: L oder H UL: Durchschnittswert des Linienuntergrunds auf der Niederenergieseite der -Linie der Energie Ei UH: Durchschnittswert des Linienuntergrunds auf der Hochenergieseite der -Linie der Energie Ei 0 bei Einkanalmittelung m= 1 bei Dreikanalmittelung 2 bei Dreikanalmittelung BG(Ei) = ½·(UL + UH)·(H-L+1) Der Auswertungsbereich (ROI: Region of Interest) ist dann optimal, wenn NA(Ei) ein lokales Maximum hat. Die Einheit ist Impuls. Radioanalytik „-Spektrometrie“ 29-33 5.4.3 Berechnung der Nettozählrate R´(Ei) R´(Ei) = NA(Ei)/tL Einheit: [R´]= 1 Ips (Impuls pro Sekunde) 5.4.4 Nulleffektskorrigierte Nettozählrate R(Ei) R(Ei) = R´(Ei) – R0(Ei) Einheit: [R]= 1 Ips (Impuls pro Sekunde) 5.5 Aktivitätsbestimmung 5.5.1 Linienbezogene Aktivitätsbestimmung A(Ei) A(Ei) = R(Ei)[Y(Ei) phys(Ei)]-1 oder A(Ei) = R(Ei)(Ei) 5.5.2 Bestimmungsunsicherheiten A(Ei) Gemäß dem Fehlerfortpflanzungsgesetz gilt für die relative Bestimmungsunsicherheit A(Ei): A(Ei) : = A(Ei)/A(Ei) A(Ei) (R² + ²)-1/2 mit R = R/R und =/ Radioanalytik „-Spektrometrie“ 30-33 Absolute Bestimmungsunsicherheit der Aktivität: A(Ei) = A(Ei) A(Ei) Das Vertrauensniveau für die Bestimmungsunsicherheit beträgt bei Umwelt- und Nahrungsmittelproben in der Regel 95 %. Daher muss bei der Ermittlung des Endergebnisses A(Ei) mit dem Faktor 1,96 multipliziert werden. Die Unsicherheiten in der Angabe der Halbwertszeiten und der Messzeiten sind vernachlässigbar gering. 5.5.3 Nuklidbezogene Mittelwert) Aktivitätsbestimmung (gewichteter Soll der Mittelwert der Aktivität aus mehreren Linienbestimmungen ermittelt werden, so geschieht dies, wie folgt: Wichtungsfaktoren Agew = (wi)wiA(Ei) wi:= /A(Ei)² Linien mit kleiner Bestimmungsunsicherheit werden in der Mittelung stärker gewichtet als Linien mit großer Bestimmungsunsicherheit. 5.5.4 Erkennungs- und Nachweisgrenze 5.5.4.1 Definitionen Erkennungsgrenze: GE Nachweisgrenze: = (Ei)kES GN = (Ei) kNS Für die -Spektrometrie gilt, falls keine Linie im Nulleffekt ist: S = (2b0(Ei))/tL)1/2 Radioanalytik „-Spektrometrie“ 31-33 Vereinfachung (Ei): Kalibrierfaktor; Einheit: Bq/Ips kE: Faktor der statistischen Sicherheit Erkennungsgrenze; kE: = 3 (Fehler 1. Art: 0,3 %) bei der kN: Faktor der statistischen Sicherheit Nachweisgrenze; kN: = 4,645 (Fehler 2. Art: 5 %) bei der 0(Ei): mittlere Nulleffektszählrate pro Energie Berechnung: 0(Ei) = n0(Ei)/(EH – EL) in Ips/keV EH : Energie beim höchsten Kanal (High) der ROI EL: Energie beim niedrigsten Kanal (Low) der ROI b(Ei): Fußbreite einer -Linie: (EH –EL) in keV b(Ei):= 1,7FWHM(Ei) in keV 6. Angabe der Ergebnisse 6.1 Zerfallskorrekturen 6.1.1 Zerfall während der Messung (tL T1/2) 6.1.2 Bezugszeitpunkt Manchmal normativ vorgegeben. 6.2 Nuklidspezifische Aktivität z.B. Bq 60Co 6.3 spezifische Aktivität a 6.3.1 bezogen auf die Probenmasse A m A: Aktivität eines Radionuklids in der Probe a= m: Masse der Probe Radioanalytik „-Spektrometrie“ 32-33 6.3.2 bezogen auf die Masse des stabilen Elements 6.3.3 Angabe der Massenbasis Diese Angabe muss erfolgen, da durch eine mögliche Probenbehandlung, wie trocknen bzw. veraschen die spezifische Aktivität der zu bestimmenden Radionuklide möglicherweise eine Änderung erfährt. Je nach Aussage, die man durch die Analytik machen möchte, werden verschieden Probenvorbereitungmethoden angewendet. 6.3.3.1 Boden(Trockenmasse) Beispiel: Bei Boden ist das die Trockenmasse. Die Trocknung wird in der Regel bei einer Temperatur von 105 bis 110° C solange durchgeführt, bis sich die Masse der getrockneten Probe nicht mehr ändert. Boden wird danach meistens gesiebt (Maschenweite: 2 mm) und durch eine Scheibenschwingmühle oder Kugelmühle zerkleinert und homogenisiert. Damit ist gewährleistet, dass die zu bestimmende Aktivität homogen im Messvolumen verteilt ist. Die Angabe erfolgt folgendermaßen: Angabe der spezifischen Aktivität: 20 Bq/kg (TM) TM: Trockenmasse 6.3.3.2 Nahrungsmittel(Feuchtmasse) Bei Nahrungsmitteln und Bewuchs ist die Massenbasis die Feuchtmasse (FM). 6.4 Aktvitätskonzentration AV A V A: Aktivität eines Radionuklids in der Probe AV = V: Volumen der Probe z.B. bei Wasser und Luft Radioanalytik „-Spektrometrie“ 6.5 33-33 Oberflächenkontamination O A F A: Aktivität eines Radionuklids in der Probe O= F: Oberfläche der Probe auf der die Aktivität verteilt ist z.B. bei Freigabeverfahren (Boden-, Wandoberfläche) 6.6 Stoffmengenbezogene Aktivität AmoL A M A: Aktivität eines Radionuklids in der Probe Amol = M: Stoffmenge in mol, an die die Aktivität gebunden ist z.B. bei Anwendung markierter Verbindungen in stöchiometrisch ablaufenden Reaktionen 6.7 Bestimmungsunsicherheit Abschätzung der gesamten Bestimmungsunsicherheit und Angabe relativ (A) zum Mittelwert der Bestimmungsgröße in % oder absolut (A) in der Einheit der Bestimmungsgröße. A = A/A Das Vertrauensniveau c.l. (confidence level) ist ebenfalls anzugeben. Wird die Bestimmungsunsicherheit als einfache Standardabweichung berechnet, so ergibt die Bestimmungsunsicherheit für das jeweilige Vertrauensniveau: Ac.l. = k·A mit Was gibt das Vertrauensniveau an ? k = 1,00 ein Vertrauensniveau von 68,3%. k = 1,96 ein Vertrauensniveau von 95,0%. k = 3,00 ein Vertrauensniveau von 99,7%. Das Vertrauensniveau gibt die Wahrscheinlichkeit an, mit der der wahre Wert der Bestimmungsgröße, z.B. der Aktivität A (Mittelwert), im Wertebereich von A - A bis A + A zu finden ist. Radioanalytik „-Spektrometrie“ 34-33 7. Bewertung der Ergebnisse Vergleich: Mittelwert A, Messunsicherheit A, Erkennungsgrenze kE, und Nachweisgrenze kN Rundungsregel Die erste unsichere Stelle ist die letzte angegebene Stelle: (20,5345 0,4345) Bq/kg Rundung: (20,5 0,4) Bq/kg (0,044 0,015) Bq/kg Rundung: (0,04 0,02) Bq/kg Beispiel: Vergleich mit Grenzwert oder Vergleichswert Bei Ergebnissen der Inkorporationskontrolle: Ermittlung der inneren Dosis 8. Literaturauswahl 8.1 Allgemeine Lehrbücher Karl Heinrich Lieser, Einführung in die Kernchemie, Verlag, Chemie, Weinheim, Deerfeld Beach (Florida), Basel, 1980 (Chemie-Bibliothek). Gerthsen, Gneser , Vogel, Physik, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1977. 8.2 -Spektrometrie Klaus Debertin, Richard G. Helmer, Gamma- and X-Ray Spectrometry with Semiconductor Detetectors, NorthHolland, Amsterdam, Oxford, New York, Tokyo, 1988.
