PowerPoint-Präsentation - Technische Universität Kaiserslautern
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TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Aufbau und Funktion von Strahlungsmessgeräten 1. 2. 3. 4. 5. Strahlungsdetektoren Informationsverarbeitung Neutronennachweis Funktionskontrolle und Fehlermöglichkeiten Praktische Demonstration (im Praktikum) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 1 1 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Strahlung Strahlungsdetektor Signal Zählende Elektronik Anzahl der Ereignisse für für TEreignis Elektronik Aktivität Signalbewertende Elektronik Strahlungsart Energiespektroskopie Dosis Dosisleistung Nuklidbestimmung Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 2 2 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. 1.1 D e t e k t o r e n – Ü b e r s i c h t Gasentladungsdetektoren Ionisationskammer (, ) Proportionalzählrohr ( ,,) Geiger-Müllerzählrohr (, ) Szintillationsdetektoren FestkörperSzintillatoren meist NaJ:Tl (, ) FlüssigkeitsSzintillationsDetektoren (LSD) (, , ()) H3, C14 Halbleiterdetektoren andere Festkörperdetektoren Silizium-Dioden Photoluminesund –Einkristalle zenzgläser(, ) (, , ) GermaniumEinkristalle ( (), ) Thermolumineszenzkristalle (, ) Filmemulsionen (, ) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 3 3 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Detektoren – Übersicht Vorteile der verschiedenen Detektoren Gasentladungsdetektoren relativ billig großflächige Ausführung möglich Durchflussanordnungen möglich Szintillationsdetektoren Halbleiterdetektoren andere Festkörperdetektoren hoher -Wirkungsgrad hohe Langzeit- billig, klein konstanz sehr geringe Totzeit extrem hohe Energieauflösung und Nuklidempfindlichkeit optimale Anpassung an die Probe (LSD) robust gut für die Dosimetrie geeignet Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 4 4 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN Technische Akademie Südwest e.V. Nachteile verschiedener Detektoren Gasentladungsdetektoren Szintillationsdetektoren nur für gela dene Teilchen geeignet relativ teuer (spez. LSD) -Wirkungsgrad sehr gering groß und unhandlich (LSD) starke Totzeitbegrenzung (bes. GMZ) licht- und feuchtigkeitsempfindlich (NaJ) TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Halbleiterdetektoren Detektoren – Übersicht andere Festkörperdetektoren als -Messplatz (Ge) sehr teuer keine direkte Signalmessung möglich lange Messzeit zur Auswertung wird komplizierte Apparatur benötigt GMZ = Geiger-MüllerZähler LSD = Liquid Scint. Det. Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 5 5 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. 1.2 Gasentladungsdetektoren a) Ionisationskammer Primäre, durch die Strahlung ionisierte Ladungsmenge wird abgesaugt; Ladungsmenge (energieabhängig) reicht i.d.R. nur zum Nachweis von - und Strahlung geringe Nachweisempfindlichkeit, praktisch kein -Nachweis, ggf. Überdruck u.spez. Anordnungen. I-V-Kennlinie Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 6 6 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Gasentladungsdetektoren IonisationskammerBereich Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 7 7 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. 1.2 Gasentladungsdetektoren a) Ionisationskammer Primäre, durch die Strahlung ionisierte Ladungsmenge wird abgesaugt; Ladungsmenge (energieabhängig) reicht i.d.R. nur zum Nachweis von - und Strahlung geringe Nachweisempfindlichkeit, praktisch kein -Nachweis, ggf.Überdruck u.spez.Anordnungen. b) Proportionalzähler EKammer > Egrenz Primär erzeugte Ladungsträger erzeugen weitere (sekundäre) Ionen/Elektronen Hohe Feldstärken durch inhomogene Feldanordnungen,geeignete Gasfüllungen; stabile Spannungsversorgung; Gasdurchflusszähler, großflächig. Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 8 8 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Gasentladungsdetektoren Proportionalgebiet Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 9 9 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Gasentladungsdetektoren c) Geiger-Müller-(Auslöse-)Zähler (GMZ) Ursprüngliches Signal wird durch Ionisationslawine völlig überdeckt Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 10 10 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Gasentladungsdetektoren G.M.-Gebiet Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 11 11 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Gasentladungsdetektoren c) Geiger-Müller-(Auslöse-)Zähler (GMZ) Ursprüngliches Signal wird durch Ionisationslawine völlig überdeckt keine Unterscheidung unterschiedlicher Strahlung große Totzeit durch Ionisationslawine hohe elektrische Nachweisempfindlichkeit (wenn absorbiert) nur geringe Aktivitäten messbar einfach, billig Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 12 12 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Gasentladungsdetektoren G.M.-Gebiet Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 13 13 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. 1.3 Szintillationsdetektoren a) Festkörper -Szintillatoren heute praktisch nur noch NaJ (in Messgeräten, gelegentlich CsJ (nur Detektoreneinheit) hygroskopisch absorbiert und teilweise auch -Strahlen Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 14 14 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Szintillationsdetektoren NaJ-Szintillationsdetektoren : . . . haben sehr viel höhere Nachweisempfindlichkeit für -Strahlung als Gasdetektoren; . . . haben extrem kleine Zeitkonstanten; d.h. Totzeiten, die praktisch nur durch den SEV und die Elektronik bestimmt sind; . . . wurden bei der Spektroskopie (Nuklididentifikation) heute durch den erheblich besser energieauflösenden Halbleiterdetektor ersetzt. Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 15 15 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Szintillationsdetektoren b) Flüssigkeits-Szintillatoren Effizienz des „Leuchtcocktails“ nur ca. 1/100 von NaJ aber: Strahler wird direkt in die Szint. Flüssigkeit eingebracht keine bzw. geringe (Fenster-) Absorptionsverluste Zwei SEV werden in KoinzidenzSchaltung (t =1ns ) betrieben Rauschunterdrückung um ca. einen Faktor 100 Ähnlich hohe Nachweiseffizienz wie NaJ-Szintillations-Detektor Hauptanwendungen: Messung von H 3 - bzw. C 14 - Aktivitäten in chemisch-biologisch-medizinischen Markierungsexperimenten Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 16 16 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. 1.3 Halbleiterdetektoren Neuester, bzgl. der Energieauflösung mit Abstand bester Detektor. Es wird der sog. „Innere Photoeffekt“ , d.h. die strahlungsinduzierte Elektronen -Loch-Paar-Bildung in Halbleiter-kristallen (Si, Ge und InSb) verwendet. Festkörper-Analogon zum Gasentlastungsdetektor Allerdings: viel höhere Dichte (> 1000x) geringere Ionisierungsenergie (Si: 3,6 eV, Ge: 2,9 eV; Gas: 30 eV) viel höhere Nachweiswahrscheinlichkeit, wenn auch nicht ganz so hoch wie NaJ-Kristall Rauschunterdrückung durch Kühlung Heute erhältliche Ausführungen: p, n-Si-Sperrschicht-Detektoren (, ) Si-Oberflächen-Sperrschicht-Detektoren (, ) Reinst-Germanium-Detektoren () Großvolumige (ca. 100cm3) Reinst-Germanium-Detektoren mit entsprechender Abschirmung / Reduzierung des Strahlungsuntergrundes („Bleiburg“), Elektronik (schnelle Verstärker, Vielkanalanalysatoren) und Rechnerausstattungen werden heute zum nuklidspezifischen Nachweis geringster Konzentrationen von Radio-Isotopen verwendet (< 0,1 Bq/kg) Spektrometer 17 Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 17 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. – 14. März 2004 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN Technische Akademie Südwest e.V. Funktionsweise eines HL-Detektors: TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) 1.3 Halbleiterdetektoren 1 - Photon des Ba 133 (E = 360 keV)erzeugt im Ge-Detektor ca. 120 000 Elektron-Loch-Paare Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 18 18 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. 1.4 Festkörper-Detektoren für Dosismessung Messung der Änderung optischer Eigenschaften von Festkörpern nach Bestrahlung Erhöhung der Absorption (Einfärbung) Erhöhung bzw. Reduzierung der Lumineszenzfähigkeit Vorteil: Robust, klein, billig, für Dosimetrie gut geeignet Nachteil: keine direkte Dosisablesung möglich, zur Auswertung ist eine komplizierte Apparatur notwendig Radio-Photolumineszenz – Dosismeter (RPLD) In silberaktiviertem Phosphatglas werden Lumineszenz-Zentren gebildet, die mit UV-Licht „abgefragt“ werden können orangefarbene Fluoreszenzstrahlung Dosismessung kann beliebig wiederholt werden Löschen durch Thermobehandlung. Thermolumineszenz-Dosimeter (TLD) In bestimmten Kristallen (LiF, CaF2.....) werden durch Bestrahlung LumineszenzZentren gebildet, die bei Erwärmung (200 – 400 C) durch Lichtemission, die proportional zur Energiedosis ist, wieder ausheilen. Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 19 19 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Farbglas-Dosimetrie für die Hochdosisbestrahlung Dosis 0 Gy Dosis 25 kGy Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 20 20 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. 1.5 Photoemulsionen .Schwärzung von Filmmaterial durch ionisierende Strahlung Wegen nichtlinearer Schwärzungskurve Eichung notwendig Wegen der geringen Absorption von normalen Filmmaterial für bzw. Röntgenstrahlung wird in sog. Röntgenfilme mehr Bromund Jodsilber eingebaut! 1.6 Biologische Detektoren sog. „biologische Dosimetrie“ Messung von Blutbild/Chromosomen-Veränderungen erst ab Dosen > 100 mSv möglich ! Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 21 21 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. 2. Informationsverarbeitung 2.1 Zählende Geräte Detektor Impuls Einheitsimpuls digitale Speicherung der Impulszahl Zählrate Geiger-Müllerzähler , -Monitore (Proportional-Zähler) Unterscheidung der Strahlungsart ggf. durch Verwendung charakteristischer Absorber möglich! Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 22 22 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. 2.2. Amplitudenverarbeitende Geräte a.) Kontaminationsmonitore Anzeige in Bq (Imp/s) Umschaltung vom -AP auf + -AP durch Knopfdruck Gasdetektoren (Proportionszähler, ggf. in großflächiger Gasdurchflussbauart; selten IonisationsKammern) -Messung oft nicht erwünscht Ausschluss durch Geometrie, Gasdruck und Zwei-Kammer-Messanordnung (Antikoinzidenz) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 23 23 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. b) Dosisleistungsmessung Ionisationskammer: richtige Dosis, meist schwaches Signal Proportionszähler: gut geeignet, stabile Spannungsversorgung notwendig GM-Zähler: Szintillationszähler: Halbleiterdetektor: Festkörperdetektor: Filmdetektor: billig, leicht-jedoch wegen der stark nicht-linearen Energieabhängigkeit nur bei bekannter Strahlung einsetzbar sehr hohe Empfindlichkeit nur für -Strahlung wegen extremer Energieauflösung und Preis ungeeignet finden als Personen- und Körperteil-(Fingerring) Dosimeter Anwendung Fremdauswertung Personendosimeter Fremdauswertung Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 24 24 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Dosisleistungsmessung Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 25 25 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Kommerzielle Ausführungen von direkt ablesbaren Dosisleistungsmessgeräten: Dosisleistungsmessung Taschengeräte: Stab- oder Füllhalterdosimeter Ionisationskammer kombiniert mit Fadenelektrometer, relativ unempfindlich (Messbereich bis 1 mSv, 2 mSv, 5 mSv, 10 mSv) nur Langzeit – bzw. Stör-Unfall-Kontrolle Taschenwarngeräte: Akustisches Signal bei Überschreitung einer bestimmten Dosis oder Dosisleistung “Warnschreier“ geringe Empfindlichkeit: Ionisationskammer hohe Empfindlichkeit: GMZ (nicht für stärkere Strahlungsfelder geeignet Handgeräte: Ionisationskammern für stärkere, GM-Zähler für schwache Strahlungsfelder Trage- und Standgeräte: Proportionszähler und Szintillationsmessgeräte mit breitem Dosis- und Dosisleistungs-Messspektrum. Eichgesetz (1975) Strahlenschutzdosimeter müssen seit 1.1.1977 im Energiebereich von 5 keV – 3 MeV geeicht sein (Prüfstrahler-Kalibrierung Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 26 26 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. c) Spektrometer Hohe Energieauflösung zur Identifikation des/der strahlenden Nuklide(s) erwünscht Heute nahezu ausschließlich Halbleiterdetektoranordnungen (Ge) Bei entsprechend empfindlicher (hochauflösender) Spektrometeranordnung ist eine äußerst empfindliche, nuklidspezifische Identifikation von strahlender Materie möglich (<0,1 Bq/kg). Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 27 27 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Spektrometer Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 28 28 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Spektrometer Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 29 29 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Spektrometer Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 30 30 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. 3. Neutronennachweis Fehlende Ladung fehlende primäre Ionisation komplizierte, größere Detektoren REM-Counter: Abbremsung von schnellen und epithermischen Neutronen im Polyäthylen, dann 6Li (n, )3HNachweisprozess. Einzig Dosisäquivalent anzeigender Detektor. Messgrenze: ca. 1 Sv/h Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 31 31 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 32 32 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. 4. Funktionskontrolle und Fehlermöglichkeiten Vor Funktionskontrolle Prüfung des Strahlenmessgerätes auf Anpassung an das Messproblem! - geeigneter Detektor - ausreichende Empfindlichkeit geeignete Messbereiche ausreichende Genauigkeit Temperaturfertigkeit Wetter- und Luftfeuchtigkeitsempfindlichkeit Langzeitkonstanz Meist können nicht alle Aufgaben von einem Gerät ausreichend gut gut erfüllt werden; Verwendung mehrerer Geräte bzw. Detektoren. Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 33 33 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Funktionskontrolle und Fehlermöglichkeiten Funktionskontrolle - optische bzw. akustische Anzeige - Nulleffektmessung - Eichpräparate messen Mögliche Messfehler geringer Wirkungsgrad des Detektors Zeitkonstante von Detektor und Nachweiselektronik Zeitkonstante der Anzeige Influenzwirkung Nichtbeachtung von Richtungsabhängigkeiten Absorption im Detektorfenster Strahlungshintergrund Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 34 34 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Beispiel: sog. Kontaminationskontrolle an Salatköpfen nach Tschernobyl-Unfall: Annahme: Kontamination mit: 2000 Bq/kg max. Halbraum erfassbar <1000 Bq/kg Es werden nur 200g (1 Kopf) gemessen < 200 Bq Eigenabsorption / Geometrie < 100 Bq Wirkungsgrad des Detektors (-Str.) tatsächliches Messsignal: < 5 Bq d.h. Sie messen ein Signal in der Größenordnung des Nulleffektes Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 35 35 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. 4. Abschirmung ionisierender Strahlung 4.1 Generelle Bemerkungen Bei der Abschirmung von ionisierender Strahlung muss prinzipiell zwischen der Abschirmung geladener und neutraler (Teilchen–) Strahlung unterschieden werden. Abschirmung geladene Teilchen (, , p): Da die geladene Teilchenstrahlung eine begrenzte Reichweite Rmax in Materie hat, gilt: Rmax = f(E) < dmin dAbs > dmin D(primär) = 0 D. h. auf Grund der endlichen Reichweite Rmax geladener Teilchenstrahlung in Materie existiert eine endliche Dicke dmin, in der die gesamte primäre Teilchenstrahlung absorbiert wird. Ist die Dicke der Abschirmung dAbs größer als diese Dicke bzw. die maximale Reichweite, wird hinter dieser Abschirmung überhaupt keine Primärstrahlung mehr registriert. Die Primärdosis Dp ist null. Durch die Abbremsung der Teilchenstrahlung im Absorber entsteht jedoch immer mehr oder weniger Sekundärstrahlung (Bremsstrahlung). Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 36 36 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Maximale Reichweite Rmax von – bzw. –Strahlung in Luft, Wasser und Aluminium Strahlung/Energie Rmax Luft H2O/Gewebe Al 0,1 MeV 0,1 m 0,1 mm 0,05 mm 1 MeV 3m 5 mm 1,5 mm 10 MeV 39 m 6 cm 20 mm 5 MeV 6 cm < 0,1 mm < 0,1 mm 8 MeV 8 cm < 0,1 mm < 0,1 mm Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 37 37 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Abschirmung neutrale Teilchen (n, ): Die Abschirmung neutraler Strahlung ist niemals vollständig möglich. Die Intensität der Strahlung kann jedoch durch entsprechendes Material und durch eine entsprechend große Abschirmdicke (ggf. Materialkombination) beliebig reduziert werden. Es gilt: Dmax Dtoleranz wenn dAbs dmin Für Abschirmberechnungen ergeben sich daher meist folgende Fragestellungen: Reicht eine vorhandene Abschirmung aus, um bei der betreffenden Strahlungsquellstärke (Aktivität) die Einhaltung der vorgegebenen DosisGrenzwerte zu gewährleisten? Wie stark und aus welchem Material (bzw. Materialkombination) muss die Abschirmung sein, um diese vorgegebenen Grenzwerte einzuhalten? Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 38 38 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. 4.2 Abschirmung von Photonenstrahlung Für den Strahlenschutz und insbesondere für den Strahlenschutz in der Medizin ist die Abschirmung von Röntgen– bzw. –Strahlung von herausragender Bedeutung, da es sich um Strahlung großer Reichweite handelt mit der in vielen Bereichen umgegangen wird. Die Abschirmung von Röntgen– und –Strahlung unterscheidet sich bei gleicher Energie nicht, Wirkung und Abschirmmaßnahmen sind identisch. Sowohl Röntgen– als auch –Strahlung sind elektromagnetische Wellenstrahlung oder Photonen–Strahlung, Für die Absorption ist der Ausdruck „Photonenabsorption“ gebräuchlich. Da die exakte Durchführung von Abschirmberechnungen zu relativ schwierigen mathematischen Problemstellungen führen kann, wird meist von der vereinfachenden Annahme ausgegangen, dass die Quelle punktförmig ist (i.d.R. nur geringer Fehler!). Bei der Berechnung erweist es sich als problematisch, die Erzeugung von „Sekundärphotonen“ zu erfassen, die durch Streu– und Wechselwirkungs prozesse im Abschirmungs– oder Umgebungsmaterial entstehen. Ihr Einfluss wird mit Hilfe des sog. Aufbaufaktors B erfasst Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 39 39 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Die verschiedenen Strahlungsanteile, die bei der Abschirmungsberechnung berücksichtigt werden müssen, sind: 1) durchgehende Strahlung 2) im Abschirmmaterial absorbierte Strahlung 3) gestreute Strahlung Absorber 3a exponierender Strahlenkegel Quelle 3b (a) 1 2 3a) im Abschirmmaterial heraus3c gestreute Strahlung, die durch den Streueffekt nicht die Person trifft d 3b) im Abschirmmaterial erzeugte („aufgebaute“) „Sekundär“– Strahlung, die aufgrund der r Streuung die Person trifft Q 3c) in der Umgebung (im Boden) aufgebaute „Sekundär“–Strah lung, die aufgrund der Streuung r die Person trifft Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 P (b) 40 40 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Die Dosisleistung Dges, der eine Person P im Abstand r von einer Photonenquelle der Aktivität A ausgesetzt ist, muss als Summe von „Einzel“–Dosisleistungen D(E) für alle von der Quelle emittierten Photonenenergien E berechnet werden. . Dges = D E D E = A p E 0,01 k E E . D ges Gesamt–Dosisleistung [Sv/h], emittiert die Quelle Photonen verschiedener Energie, so ergibt sich E ges als Summe der Teil– Dosisleistungen. . · D(E): Teil–Dosisleistung, die von Photonen mit der Energie E erzeugt wird [Sv/h] · A Aktivität der „Punktquelle“ [Bq] · E: Energie der emittierten Photonen · p(E): Wahrscheinlichkeit für die Emission eines Photons der Energie E pro Zerfall in [%] · k(E): Dosisleistungsumrechnungsfaktor für Photonen der Energie E [Svcm2 s h–1] (tabelliert) 2 4 B E, b exp – b r cos B(E, b): Aufbaufaktor für das verwendete Ab schirmmaterial und die verwendete Abschirmgeometrie in Abhängigkeit von E und b (tabelliert für viele Materialien) · deff = d / cos: effektive Weglänge in der Abschirmung · b = (E) . deff: Abschirmweglänge in Relaxationslängen, o. Dimension · (E): linearer Schwächungskoeffizient für Pho tonen der Energie E für das verwendete Abschirmmaterial [cm–1] · d: Dicke der Abschirmung : Durchdringungswinkel der Strahlung 41 Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung + Praktikum, WS 2006/07 41 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. – 14. März 2004 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Berechnung der Dosisleistung (vereinfacht) D= Ak E 4r 1 2 B E, b exp – b 2 3 Teil (1) der obigen Gleichung stellt die Dosisleistung dar, die von einer Quelle der Aktivität A im Abstand r erzeugt wird, wenn keine Abschirmung vorhanden ist und keine Strahlung durch streuende Umgebung aufgebaut wird. k(E), die energieabhängige Dosisleistungs–Aktivitäts– Proportionalitätskonstante, kann für verschiedene Isotope/Isotoplinien aus Tabellen oder aus der entsprechenden graphischen Darstellung entnommen werden. Für eine Punktquelle ergibt sich die bekannte Abnahme der Dosisleistung mit dem Abstand von der Quelle proportional zu 1/r2. Teil (2) erfasst die Erhöhung der Dosisleistung durch Aufbaustrahlung, die entweder im Absorber oder in der Umgebung (Wände, Boden, Geräte etc.) durch Streuung zur exponierten Person gelenkt wird. Für Ephoton < 500 keV kann B(E, b) in erster Näherung vernachlässigt und durch einen 20 %igen Zuschlag zur Abschirmdicke ausgeglichen werden. Für große Photonenenergien (z. B. Co 60) muss B(E, b) berücksichtigt werden (tabelliert für gängige Materialien). Teil (3) beschreibt die dosisvermindernde Wirkung der Abschirmung. Sie wächst exponentiell (überproportional) mit der Dicke d und der Absorptionsfähigkeit (E) ( b = (E) . deff ) Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 42 42 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Aber auch diese vereinfachte Gleichung für die Dosisleistung kann nicht nach d aufgelöst werden das wäre wünschenswert!! Zur Vermeidung zeitraubender Prozeduren werden die Gleichungen gewöhnlich für einen Annahme–(Schätz–)Wert von d gelöst und dieser Vorgang wird ggf. solange wiederholt, bis die geeignete Abschirmdicke d ermittelt ist, die die Dosisleistung auf den vorgegebenen Dosisleistungswert (gesetzliche Vorschrift oder Auflage) reduziert. Die Abschirmungsberechnungen müssten theoretisch für jede der vom Strahler emittierten Energien durchgeführt werden. Praktisch geschieht dies meist nur für die durchdringendste (i. Allg. die höchste) Energie. Beispiel: notwendigen Abschirmdicken Ein Transportbehälter ist für den Transport von Mn 52 (Emax = 1,4 MeV) mit einer Aktivität von 3,71010 Bq dann erlaubt, wenn die Dosisleistung im Abstand von 1 m weniger als 10 Sv/h beträgt. eine Bleiwandstärke von 110 mm ist erforderlich. Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 43 43 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Absorptionsmechanismen Der lineare Schwächungskoeffizient setzt sich gemäß: =++ aus den Absorptionskoeffizienten (Photoeffekt–Koeffizient), Streukoeffizienten Paarbildungskoeffizienten zusammen. Jeder dieser drei Koeffizienten beschreibt einen charakteristischen Wechselwirkungsprozess der Photonen mit dem Absorbermaterial, bei dem das Photon Energie verliert. Die Photoeffektabsorption (ein Absorberatom–Hüllenelektron wird durch das Photon angeregt/ionisiert) bildet i. d. R. (EPh < 1 MeV) den Hauptabsorptionsmechanismus. Der Streukoeffizient wiederum setzt sich additiv aus den drei Anteilen, klassischer Rayleigh–Streuung kl, Comptonstreuung Cs und der Comptonabsorption Ca zusammen. Paarbildungkoeffizient ein Photon erzeugt zwei Elektronen! ist erst für EPh > 1 MeV relevant! Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 44 44 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Beispiel : Massenschwächungskoeffizient / von Blei (Pb) , sowie seine Zusammensetzung aus den einzelnen Schwächungsanteilen gemäß der Schwächungskoeffienten Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 45 45 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Massenschwächungskoeffizient µ / für: Blei (Pb = 11,3 g/cm3), Kupfer (Cu = 8,9 g/cm3), Aluminium (Al = 2,7 g/cm3) Luft (Luft = 0,0013 g/cm3). Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 46 46 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Massenschwächungskoeffizient /, Halbwertsdicke d1/2 und 1/100-Dicke d1/100 (Dicke des Absorbermaterials, das die Intensität der eingestrahlten Photonen auf die Hälfte bzw. ein Hundertstel abschwächt) für einige Photonenenergien und Absorbermaterialien. Achtung, hinter großflächigen Abschirmungen werden of erheblich geringere Werte der Schwächung gemessen ( Aufbaufaktor, “Linsenwirkung“ durch Streuung). / cm2/g Energie Strahlung MeV Al Cu d1/2 mm Pb Al Cu d1/100 mm Pb Al Cu Pb Fe(K) 0,006 94 98 420 0,03 0,01 0,001 0,2 0,06 0,01 W(K) 0,06 0,3 1,5 5 10 0,6 0,1 67 4 0,8 Ir 192 0,3 0,1 3 7,7 0,2 50 1,4 Co 60 1,33 0,5 12 Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 82 47 47 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Faustformel zur groben Abschätzung der Dosisleistung für eine Quelle der Aktivität A: Für eine grobe Abschätzung der Dosisleistung im Abstand r = 1 m in Luft von einer Quelle ionisierender Strahlung mit der Aktivität A (keine Aufbaustrahlung B(E, b) = 1) wird für die Dosisleistungsumrechnungs– (spezifische Gammatrahlen–) Konstante ein Wert von = k / 4 = 0,25 mSv m2 h–1 GBq–1 verwendet. Dieser Wert führt für Photonenenergien zwischen 0,01 MeV und 2 MeV zur Überschätzung der Strahlenwirkung mit der sog. Faustformel: 4 GBq, 1 m 1 mSv/h 4 MBq, 1 m 1 Sv/h 4 kBq, 1 m 1 nSv/h Dnat, extern ≈ 100 nSv/h 400 kBq in 1m Die Faustformelabschätzung sollte Anlass geben zu: - „sicherheitshalber“ eine vorhandene Abschirmung wirklich einzusetzen oder einfache („Bleiziegel“–) Abschirmungen aufzubauen - genauer über Exposition bzw. Abschirmung nachzudenken (Rechnung) - - sich selbst bzw. Mitarbeitern zu verdeutlichen, dass eine Exposition z. B. im Vergleich zur natürlichen Belastung vernachlässigbar ist Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 48 48 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. 4.3 Abschirmung von –Strahlung Aufgrund der bereits geschilderten grundsätzlichen WW-Eigenschaften geladener Teilchen, ( hier Elektronen mit Materie) Erzeugung von sekundärer „Bremsstrahlung“ durch Wechselwirkung sollte eine Abschirmung für –Strahlung aus einer dicken Abschirmung aus leichtem Material (schwache WW, wenig Bremsstrahlung)und einer dünnen Abschirmung aus schwerem Material bestehen. Im leichten Material soll die –Strahlung vollständig absorbiert werden (d1 > Rmax) und dabei wenig sekundäre Strahlung erzeugen ( Abschirmmaterial mit kleiner Kernladungszahl Z). Im schweren Material soll die erzeugte Brems-/ Sekundärstrahlung absorbiert werden ( großes Z). Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 49 49 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Technische Akademie Südwest e.V. Reichweite der –Strahlung von P32 (E = 1,7 MeV) Luft H2 O Al NaJ Cu Pb g/cm3 0,0013 1 2.7 3.7 8.92 11.35 R,max 6.0 m 7.6 mm 3 mm 2 mm 0.9 mm 0.67 mm Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 50 50 TECHNISCHE TECHNISCHEUNIVERSITÄT UNIVERSITÄTKAISERSLAUTERN KAISERSLAUTERN Technische Akademie Südwest e.V. 4.4 Abschirmung von –Strahlung TAS Dr. Hans-Jochen Foth (Dr. Bernd Schröder) Eine Abschirmung gegen –Strahlen ist entbehrlich, da aufgrund der geringen Reichweite in Materie die –Strahlung bereits durch die Kleidung bzw. die tote Hornhautschicht der Haut absorbiert wird. Die direkte Kontamination der Körperoberfläche muss jedoch unbedingt vermieden werden, da sich sonst die Gefahr der Inkorporation ergibt, die aufgrund der großen relativen biologischen Wirksamkeit der –Strahlung im Gewebe (Q–Faktor = 20) schlimme Folgen haben kann. 4.5 Abschirmung von Neutronen–Strahlung Für die Abschwächung von Neutronen (Berechnung schwierig !!) eignen sich auf Grund der fehlenden elektrischen Wechselwirkung nur leichte Elemente (Energieverlust durch direkte Übertragung von Energie im elastischen Stoß); besonders alle Stoffe, die Wasserstoff enthalten (H2O, Plastik, Paraffin usw.). Blei ist dagegen nahezu wirkungslos für die Abschirmung von Neutronenstrahlung. Bei der Abschwächung von Neutronen entsteht eine sehr harte –Strahlung (n, –Reaktionen), die durch eine zweite, für –Strahlung geeignete Abschirmung (z. B. Blei) abgeschwächt werden muss. Fachkunde im Strahlenschutz, Vorlesung WS 2006/07 22. Lehrgang im Strahlenschutz 07. +– Praktikum, 14. März 2004 51 51
