Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben_Becquerel
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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 2 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 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 3 Wiederholung • • • • • • • • • • • • • • Strahlung Gammastrahlung und Ionisation Isotope Radioaktivität Halbwertszeit Einheiten Wechselwirkung mit Materie Biologische Wirkung Strahlenschäden Nachhaltigkeit im Umgang mit Strahlung Gammaspektroskopie Detektorentypen Halbleiterzähler Szintillatorsonde Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 4 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 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 5 Strahlung Elektromagnetische Strahlung • Nichtionisierende Strahlung: elektromagnetische Wellen bis zum UV-Bereich • Ionisierende Strahlung: Wellenlänge < 100 nm Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor © Wikimedia Commons 6 Gammastrahlung und Ionisation • Elektromagnetische Strahlung – Gammastrahlung • Gamma-Photon – indirekt ionisierend Gammazerfall © Wikimedia Commons Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 7 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) Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 8 Radioaktivität • Radioaktivität ist die Eigenschaft eines instabilen Atomkerns (Radionuklids), sich spontan in andere Atomkerne umzuwandeln. • Bei diesem Prozess tritt ionisierende Strahlung aus Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 9 Halbwertszeit (HWZ) (1) • Die Halbwertszeit ist abhängig von der Aktivität des Elements. • von Mikrosekunden bis Trillionen von Jahren HWZ © Wikimedia Commons Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 10 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 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 11 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 [ ] Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 12 Strahlenbelastung Durchschnittliche Strahlenbelastung der Bevölkerung pro Jahr (Effektivdosis in mSv pro Jahr) © http://www.ages.at Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 13 Strahlenbelastung • Isotope in Nahrung (300 µSv/a) – besonders durch 40K • Atombombentests (<10 µSv/a) • AKW-Unfälle: – Chernobyl: (<10 µSv/a) Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 14 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). Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 15 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) Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 16 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 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 17 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 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 18 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. Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 19 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) Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 20 Halbleiterzähler (1) • Aufbau Ge-Kristall für Gammaspektroskopie © http://www.tu-dortmund.de Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor © Wikimedia Commons 21 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 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 22 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 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 23 Szintillatorsonde (2) Schemata: © Wikimedia Commons Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 24 Szintillatorsonde (3) • Vorteile: – sehr empfindlich, Hintergrund präzise messbar – kurze Reaktionszeiten – Je nach Bauart auch Energie bestimmbar • Nachteile: – unhandlich © http://www.automess.de Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 25 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 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 26 Bodenbelastung durch Cäsium-137 im Jahr 2000 (Umweltbundesamt) Einheit kBq/m² http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/umweltkontrolle/2001/20_radio.pdf Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 27 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 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 28 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 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 29 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 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 30 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 Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 31 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) Radioaktivität begleitet uns unser ganzes Leben - Becquerel-Monitor 32
