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Universität für Bodenkultur Wien Institut für Sicherheits- und Risikowissenschaften Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik 25.04.2013 1 25.04.2013 1 Praxisseminar Strahlenschutz Teil 4: Messtechnik Markus Drapalik

Praxisseminar Strahlenschutz: Teil 4 Messtechnik · Universität für Bodenkultur Wien Institut für Sicherheits- und Risikowissenschaften 25.04.201325.04.2013. Praxisseminar Strahlenschutz

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Universität für Bodenkultur WienInstitut für Sicherheits- und Risikowissenschaften

Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 125.04.2013 1

Praxisseminar Strahlenschutz

Teil 4: Messtechnik

Markus Drapalik

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 2

Inhalt

Wiederholung

Prinzipien der Messtechnik

Gas Zählrohre

Szintillatoren

Halbleiterzähler

Personendosimeter

Andere Detektionsmethoden

Zusammenfassung

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 4

Ionisierende Strahlung

3 Typen:

Elektromagnetisch: UV, Röntgen, Gamma

Geladene Teilchen: Beta (Elektron), Alpha (He-Kern), (Protonen, Positronen)

Neutronen

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 5

Ionisierende Strahlung

Typische Reichweite/Abschirmung

Gamma: mehrere cm Blei (exponentielle Abschwächung)

Beta: bis zu 10m in Luft, 4mm Glas

Alpha: 10cm in Luft, Papier, Kunststofffolie

Neutronen: Kombination aus Eisen, Wasser/Paraffin, Bor

zusätzlich Schutz vor Sekundärstrahlung (Blei)

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 6

Ionisierende Strahlung

Wirkung

Strahlung zerstört Moleküle im Organismus –

Funktion der

Zellen eingeschränkt, bzw

Zellen werden zerstört

Durch Zerfall der Moleküle Entstehung von Radikalen –

schädigen weitere Zellen

Erbgut besonders anfällig, Gefahr von Mutationen (Krebs) als Langzeitfolgen

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 7

Größen und Einheiten

Radioaktivität: Becquerel [Bq] = [1/s]

Energiedosis: Gray [Gy] = [J/kg]

Äquivalentdosis: Sievert [Sv] = [J/kg]

Qualitätsfaktor: Sievert / Gray = []

Dosisleistung: Sievert pro Zeiteinheit

Dosisfaktor: Sievert / Becquerel

Zählrate (Counts): Impulse pro Zeiteinheit [1/s]

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 8

Typische Dosen und Dosisleistungen

Typische jährliche Dosis in Österreich: ~5mSv

Maximale Dosis im Einsatz: 15mSv

Katastrophendosis: 250mSv

Tödliche Einzeldosis: 7Sv

Brustkorb-CT: 7mSv

Typischer Hintergrund: 50-200nSv/h

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 9

Typische Belastung

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 10

Zerfallsreihen

Zerfall bis zu stabilem Isotop

4 Reihen:

Uran-Actinium (235U)

Uran-Radium (238U)

Thorium (232Th)

Neptunium (237Np)

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 11

Uran-Radium-Reihe

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 13

Messtechnik

http://medienschafe.files.wordpress.com/2011/03/ionisation.jpg

Wie wird Strahlung gemessen?

Strahlung regt Materie an–

Effekt ist messbar

Mögliche Effekte:

Ionisation

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 14

Messtechnik

http://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.251/Didactics/quantenchemie/grafik/Ableitng.gif

Wie wird Strahlung gemessen?

Strahlung regt Materie an–

Effekt ist messbar

Mögliche Effekte:

Ionisation

Angeregte Ladungsträger

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 15

Messtechnik

Wie wird Strahlung gemessen?

Strahlung regt Materie an–

Effekt ist messbar

Mögliche Effekte:

Ionisation

Angeregte Ladungsträger

Ladungsträger-Trennung

http://g-o.de/index.php?cmd=focus_detail2_bild&f_id=509&rang=6&pid=16143

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 16

Messtechnik

Wie wird Strahlung gemessen?

Strahlung regt Materie an–

Effekt ist messbar

Mögliche Effekte:

Ionisation

Angeregte Ladungsträger

Ladungsträger-Trennung

Gemessen wird Spannung oder Licht

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 18

Gas-Zählrohre

Gasgefülltes Zählrohr

Mantel aus Metall

In der Mitte dünner Draht

Einfallende Strahlung ionisiert Gasatome

Quelle: wikipedia

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 19

Gas-Zählrohre

Fenster: meist nur dünneres Metall (für Gamma egal)

Für Alpha und Beta wird Glimmer oder PET-Folie benutzt

Quelle: wikipedia

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 20

Gas-Zählrohre

http://positron.physik.uni-halle.de/VVB/SdM_Dias.html

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 21

Gas-Zählrohre

Vorteile:

gute Empfindlichkeit

„pflegeleicht“, handlich

Nachteile:

Nur einzelne Impulse, keine Energien messbar

Standardtyp nur für Gammastrahlung

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 22

Gas-Zählrohre

Quelle: automess

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 23

Hintergrundstrahlung

Natürlicher Hintergrund ist immer vorhanden

Typisch: 50-200nSv/h

Für exakte Messungen zusätzliche Abschirmung erforderlich

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 24

Inhalt

Wiederholung

Prinzipien der Messtechnik

Gas Zählrohre

Szintillatoren

Halbleiterzähler

Personendosimeter

Andere Detektionsmethoden

Zusammenfassung

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 25

Szintillatorsonde

Szintillation: durch Strahlung angeregte Atome senden (sichtbares) Licht aus

Sehr alte Technik –

Röntgenschirme, Rutherford

Quelle: wikipedia

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 26

Szintillatorsonde

Wird heute durch Photomultiplier

verstärkt und digital detektiert

Quelle: wikipedia

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 27

Szintillatorsonde

Verschiedene Materialien:

organisch

anorganisch

Verschiedene Aggregatszustände:

fest

flüssig

gasförmig

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 29

Szintillatorsonde

Festes Medium

Quelle: automessQuelle: wikipedia

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 30

Szintillatorsonde

Vorteile:

sehr empfindlich (auch Untergrund präzise messbar)

weiter Messbereich

kurze Reaktionszeiten

Je nach Bautyp auch Energie bestimmbar

Nachteile:

unhandlich Quelle: automess

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 32

Halbleiterzähler

Technisch gesehen Diode, Prinzip ähnlich Solarzelle

Ionisierende Strahlung erzeugt Elektron-Loch-Paare

Als Spannung messbar

Quelle: wikipedia

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 33

Halbleiterzähler

Besonders geeignet für Gamma-Spektroskopie

Energie von Gamma-Quant ist typisch für Isotop

Erfordert hochreine Halbleiter (meist Germanium)

Brauchbare Messgenauigkeit erfordert Kühlung (flüssiger Stickstoff)

Präzision ist stark von Messdauer abhängig

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 34

High Purity Ge-

DetektorDer

hochreine

Germanium-

Einkristall

innerhalb

des Gehäuses

hat rund

6 cm

Durchmesser

und 8 cm Länge.

Halbleiterzähler

Quelle: wikipedia

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 35

Gammaspektrometer

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 36

Spektrum von Uran-Erz

Quelle: wikipedia

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 37

Halbleiterzähler

Rauschen: Elektronik, Hintergrund

Nebenpeaks: Paarbildung, Compton-Streuung

Quelle: wikipedia

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 38

Halbleiterzähler

Energieeichung sollte durch Kalibrierung sichergestellt sein, Kontrolle durch typische Linien:

40K: 1460 keV

232Th: 4038 keV

226Ra: 4871 keV

Paarbildung: 511keV

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 39

Halbleiterzähler

Vergleich mit Szintillationszähler

Quelle: www.techniklexikon.net

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 40

Halbleiterzähler

Probenvorbereitung

Spezielle Probenbehälter an Detektorform angepasst

Wohldefiniertes Volumen sollte homogen und dicht befüllt sein

Feuchte Proben schlecht vergleichbar –

Trocknung sinnvoll

Radonmessungen: Aktivkohle

Zerfall bedenken –

ggf. kurze Zeiten zwischen

Probennahme und Messung notwendig

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 41

Halbleiterzähler

Vorteile

Bestimmung der Isotope möglich

Hohe Präzision

Nachteile:

Teils aufwändige Probenaufbereitung

Lange Messzeiten

schlecht mobil möglich

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 43

Personendosimeter

Überwachung der aufgenommenen Dosis

Unterschiedliche Bauweisen

Meist Pflicht für beruflich strahlenexponierten Personen: Radiologie, Nukleartechnik, ggf

Einsatzkräfte

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 44

Personendosimeter

Quelle: www.seibersdorf-laboratories.at

Quelle: wikipedia

Quelle: wikipediaQuelle: www.tacda.org

Thermoluminiszenz-Dosimeter (TLD) Füllfederhalter-

(pen)

Dosimeter

Filmdosimeter

Digitaldosimeter

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 46

Nebelkammer/Blasenkammer

Kammer mit übersättigtem Dampf / Flüssigkeit bei Siedeverzug

Ionisierung führt zu Kondensation / Sieden

Elektrisches Feld lenkt geladene Teilchen ab –

Bahnen mit freiem

Auge erkennbar

Quelle: wikipedia

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 47

Widerstandsplattenkammer

Quelle: wikipedia

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 48

Kalorimeter

Viele Szintillatoren

übereinander

Gesamte Strahlung wird absorbiert

Totale Energie wird gemessen

Quelle: wikipedia

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 49

Tscherenkow-Detektoren

Bremsstrahlung wird gemessen

Können extrem groß

gebaut werden

Neutrino-Detektoren

Quelle: wikipedia

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Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 5125.04.2013 51

Universität für Bodenkultur WienInstitut für Sicherheits-

und Risikowissenschaften

Mag. Markus Drapalik

Borkowskigasse

Baracke 4, A-1190 WienTel.: +43 1 47654-7712, Fax: +43 1 [email protected]

, www.risk.boku.ac.at