1
Vorlesung & Praktikum Strahlungsmesstechnik
• Strahlenphysik
• Strahlungsdetektoren
• Strahlungsmessgeräte
• Radioaktivität in der Natur
• Biologische Strahlenwirkungen
• Radon in Gebäuden
• Grundfunktionen von Gammadosisleistungsmessgeräten
• Grundfunktionen von Kontaminationsgeräten
• Gammaspektrometrie
• Neutronenmessungen
• Radonmessungen
Prof. Dr. Sabine Prys
@designed by ps
Naturwissenschaftliche Grundlagen Strahlenschutzkurs, Strahlungsmesstechnik
Experimentalvorlesung Reaktor I
Prof. Dr. Sabine Prys
Strahlenphysik
2
1 Materie & Antimaterie
Name Symbol Ruhe- Ladung Spin mittlere
masse Lebens-
[MeV] dauer [s]
Elektron e- e+ 0,511 -1 +1 1/2 stabil
Müon µ- µ+ 105,6 -1 +1 1/2 2. 10-6
Tau - + 1784 -1 +1 1/2 3. 10-13
Elektron- Neutrino ee ? 0 0 1/2 stabil ?
Müon-Neutrino µµ ? 0 0 1/2 stabil ?
Tau-Neutrino ? 0 0 1/2 stabil ?
Leptonen + Quarks = Grundbausteine der Materie + Antimaterie
1.1 Elektron & Antielektron
3
Name Symbol Ruhe- Ladung Quarkaufbau Spin mittlere
masse Lebens-
[MeV] dauer [s]
Proton p p 938,3 +1 -1 u u d uud ½ stabil
Neutron n n 939,6 0 0 d d u ddu ½ ca. 900
Lambda 1115 0 0 u d s uds ½ 2,6.10-10
Sigma-Plus 1189 +1 +1 u u s uus ½ 8.10-11
Sigma-Minus 1197 -1 -1 d d s dds ½ 1,5.10-10
Sigma-Null 1192 0 0 u d s uds ½ 6.10-20
Xi-Minus 1321 -1 1 d s s dss ½ 1,6.10-10
Xi-Null 1315 0 0 u s s uss ½ 3.10-10
Omega-Minus 1672 -1 -1 s s s sss ½ 8.10-11
Charm-Lambda c c 2280 +1 +1 u d c udc ½ 2.10-13
1.2 Nukleonen & Antinukleonen
1.3 Anti-Materie
• Zu jedem Teilchen gibt es ein Anti-Teilchen(gleiche Masse, aber entgegengesetzte Ladung)
• Tritt ein Teilchen mit seinem Anti-Teilchen in Wechselwirkung, so werden beide vernichtet, es entstehen Photonen oder Mesonen
• Das Photon ist mit seinem Anti-Teilchen identisch
4
2 Nuklidkarte
In der Nuklidkarte werden alle Atomarten (Nuklide) nach Protonen-und Neutronenzahl geordnet.
Aus der Nuklidkarte lassen sich Eigenschaften der Nuklide ablesen, z.B. Stabilität oder radioaktive Zerfallsarten
Z
N
Bildquelle: Karlsruher Nuklidkarte aus Lieser; Einführung in die Kernchemie, 1991
2.1 Nuklidbegriff
AtomeDie stoffliche Welt um uns herum lässt sich zerlegen in kleine -einst als unteilbar geglaubte - Teilchen, die als Atome bezeichnet werden.
NuklideZur Zeit sind ca. 2500 Atomsorten - sogenannte Nuklide - bekannt, die sich auf 118 verschiedene chemische Elemente verteilen. Davon sind nur 274 Nuklide stabil !
Chemische ElementeUnter einem chemischen Element versteht man einen Stoff, der aus Atomen mit gleichen chemischen Eigenschaften aufgebaut ist.
5
2.1.1 Schreibweisen
Schreibweise: ElementMassenzahl
Ordnungszahl
Neutron Nukleonenzahl Ordnungszahl Element
Proton1 1 H
4 2 He
12 6 C
11
42
126
Massenzahl = Nukleonenzahl
2.1.2 Wasserstoffisotope
11
21
31
T
6
Verschiedene Zerfallsarten
Verschiedene Strahlungsarten
Verschiedene Zerfallsprodukte
2.1.3 Bekannte Nuklide
Instabil (radioaktiv) – Zerfall nach verschiedenen Mechanismen
• C-14 Radiocarbonmethode
• I-131 Radiojodtherapie
• Tc-99 Radiologie / Szintigraphie
• Cs-137 Reaktorunfall von Tschernobyl
• U-235 Kernbrennstoff
• U-238 Kernbrennstoff
stabil
• C-12 Radiocarbonmethode
• B-10 Nukleartechnik (Neutronenabsorber)
• H-2 Nukleartechnik (Neutronenmoderator)
2.2 Nuklidkarte
Isotope Nuklide
weisen die gleiche Ordnungszahl auf und gehören damit zum selben chemischen Element.
H1,00794 0,332
H-199,985 0,332
H-20,015 0,00052
H-312,323 a 0,02
He4,002602abs < 0,05
He-30,000137 0,00005
He-499,99986 3 0,02
n 110,25 m 0,8
He-599,99986n
He-6806,7 ms - 3,5
N
Z
Neutronenüberschuss - instabil
7
2.2.1 Kohlenstoffisotope
Bildquelle: Karlsruher Nuklidkarte aus Lieser; Einführung in die Kernchemie, 1991
C
12,011
C 8 C 9126,5 ms+ 3,5..p 8,24;
10,92
C 1019,3 s+ 1,9 718;
1022
C 1120,38 m+ 1,0
No
C 1298,90
0,0034
C 131,10
0,0009
C145730 a- 0,2
No
C 152,45 s- 4,5; 9,8 5298
C 160,747 s-
n 0,79;1,72
Neutronenunterschuss - instabil
stabil Neutronenüberschuss -instabil
2.2.1 Nuklidkarte FZ Karlsruhe
Bildquelle: Karlsruher Nuklidkarte aus Lieser; Einführung in die Kernchemie, 1991
Spaltbare Nuklide
8
2.2.1.1 Nuklidkarte Erläuterungen
Karlsruher Nuklidkarte - Farben und Symbole:
Zerfallsart Zerfallsprodukt Tochternuklid
Massezahl Ordnungszahl
stabile Nuklide A Z
Positronzerfall + A = const Z-1
Elektroneneinfang X-ray) A = const Z-1
Negatronzerfall - A = const Z+1
Alphazerfall
Spontanspaltung sf variiert
Protonzerfall p A-1 Z-1
Isomerenzerfall I A= konstant Z=konstant
2.3 Nuklidgruppen
Isotope Nuklide
weisen die gleiche Ordnungszahl auf und gehören damit zum selben chemischen Element (Z= konstant)
Isobare Nuklide haben jeweils gleiche Nukleonenzahlen (Z = N). Sie finden sich in den Diagonalreihen der Nuklidkarte.
Isotone Nuklide haben gleiche Neutronenzahlen (N = konstant). Sie stehen in den senkrechten Reihen der Nuklidkarte.
Isomere Nuklide haben zwar gleiche Anzahl von Protonen und Neutronen (Z= N = konstant), besitzen aber unterschiedliche Energien im Atomkern.
9
2.4 Zerfallsreihen
Zerfallsreihe: Abfolge von radioaktiven Zerfällen
Uran-Radium-Reihe: Ausgangsnuklid U-238 Endnuklid Pb-206
Uran-Actinium-Reihe: Ausgangsnuklid U-235 Endnuklid Pb-207
Thorium-Reihe: Ausgangsnuklid Th-232 Endnuklid Pb-208
Neptunium-Reihe: Ausgangsnuklid Np-237 Endnuklid Bi-209
Die 4. Zerfallsreihe kommt in der Natur nicht vor, da das langlebigste Glied 237Np dieser Reihe praktisch vollständig zerfallen ist.
2.4.1 Die Uran-Radium-Zerfallsreihe
10
2.4.2 Die Uran-Actinium-Zerfallsreihe
2.4.3 Die Thorium-Zerfallsreihe
11
2.4.4 Die Plutonium-Neptunium-Zerfallsreihe
3 Radioaktivität
Eigenschaft bestimmter Stoffe, sich ohne äußere Einwirkung umzuwandeln und dabei charakteristische Strahlungauszusenden
Alpha-Zerfälle Aussenden von He2+ - TeilchenBeta-Zerfälle Aussenden von e-,e+ aus dem KernGamma-Zerfälle Aussenden von Photonen aus dem KernRöntgenstrahlung Aussenden von Photonen aus inneren
ElektronenschalenSpontanspaltung Spaltung eines AtomkernesSpallation Zertrümmerung eines Atomkernesu.a.
12
3.1 Aktivität
Aktivität = Anzahl der Zerfälle pro Sekunde
1 Becquerel = 1 Zerfall pro Sekunde
Symbol : Bq
1 Gramm Radium-226: 37 Milliarden Zerfälle pro Sekunde
37 Milliarden Bq = 1 Curie (Ci)
3.1.1 Statistische Natur des radioaktiven Zerfalls
Aktivität A = statistischer Erwartungswert einer radioaktiven Probe für den Quotienten aus Zahl der radioaktiven Umwandlungen
dN und Zeitintervall dt
Zerfallskinetik = Kinetik 1. Ordnung
Adt
dA
dt
dNA
13
3.1.2 Der radioaktive Zerfall
A = Aktivität zur Zeit t
A0 = Aktivität am Anfang ( t = t0)
= Zerfallskonstante
t½ = Halbwertszeit
= Lebensdauer
= Zerfallszeit bis auf den
e-ten Teil der Ausgangsmenge
Unter Halbwertszeit eines Radionuklids versteht man die Zeit, in der seine Aktivität auf die Hälfte abgeklungen ist
1)2ln(
)(2/1
0
teAtA t
exponentieller Zerfall
A
tt½
3.1.3 Das Zerfallsgesetz
A = Aktivität
= Zerfallskonstante = ln2/t1/2
A(t) = Aktivität nach einer Zeit t
t = vergangene Zeit
A0 = Aktivität am Anfang ( t = t0)
t½ = Halbwertszeit
N(t) = Teilchenzahl nach einer Zeit t
N0 = Teilchenzahl am Anfang
t
t
t
eNtN
eAtA
Adt
dA
0
)2ln(
0
)(
)( 2/1
0,00E+00
5,00E-01
1,00E+00
0 100 200 300 400
0,00E+00
5,00E-01
1,00E+00
0,00 5,00 10,00 15,00
A(t)
A(t)
t
t1/2
14
3.1.4 Die Zerfallskonstante
2/1
)2ln(
t
A(t)
t
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
0 5 10 15
0,3
0,5
0,91/2 A0
1/4 A01/8 A0
Anzahl t1/2
Aktivität Rest-Aktivität
0 1 100 %
1 1/2 50 %
2 ¼ 25 %
3 1/8 12,5 %
4 1/16 6,25 %
5 1/32 3,13 %
6 1/64 1,56 %
7 1/128 0,78 %
8 1/256 0,39 %
9 1/512 0,20 %
10 1/1024 0,1 %
3.1.6 Spezifische Aktivität
• Massenaktivität (Aktivität pro Stoffmengeneinheit)
• Volumenaktivität (Aktivität pro Volumeneinheit)
• Flächenaktivität Oberflächenkontamination (Aktivität pro Flächeneinheit)
kg
Bq
M
N
m
A
dtm
dNA A
M
3m
Bq
V
A
dtV
dNAV
2m
Bq
F
A
dtF
dNAF
15
Cs-134 / Cs-137 Gehalt in Fleisch (BRD 1990)
1,0 Bq / kg Rindfleisch, Kalbfleisch
0,3 Bq / kg Schwein
8,0 Bq / kg Schaf
140 - 820 Bq / kg Reh, Hirsch u.a. Wild
Aktivität
MasseBq kg
3.1.6.1 Massenaktivität
Grenzwert für die Kontamination einer Oberfläche im Kontrollbereich nach StrlSchV
P-32 ( - Strahler): 500 Bq / cm2
3.1.6.2 Oberflächenkontamination
Aktivität
FlächeBq cm2
16
Durchschnittliche Radonbelastung in Innenräumen (D):
50 Bq / m3
Spitzenbelastungen (D):
>200 Bq / m3
3.1.6.3 Volumenaktivität
Aktivität
VolumenBq cm3
Übung zum J-131- Zerfall
Iod-131 hat eine Halbwertszeit von 8 Tagen
Wieviel Bq sind nach 16 Tagen messbar, wenn zum Zeitpunkt t0die Aktivität 100 000 Bq betrug ?
??
17
3.1.7 Die natürliche Aktivität eines Standardmenschen
Radionuklid Aktivität in Bq
K - 40 4 500
C -14 3 800
Rb - 87 650
Pb - 210, Bi - 210, Po - 210 60
Daughters Rn - 220 30
H - 3 25
Be - 7 25
Daughters Rn - 222 15
Sonstige 7
Summe 9 112 (ca. 130 Bq / kg)Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz
3.1.8 Spezifische Aktivität in Nahrungsmitteln
Stoff Aktivität in Bq / kg
KCl 15 944
vegetarische Nahrungsmittel 40*
Rentierleber (Po-210) 222
Paranüsse (Ra- 226) 132
* Mittelwert
Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz
18
3.1.9 Aktivität eines Frühstücks
Nahrungsmittel Aktivität in Bq
120 g Mischbrot 2,0
25 g Camenbert 0,9
25 g Corned Beef (Jugoslawien) 1,2
20 g Nuß-Nougat-Creme 3,2
125 ml schwarzer Tee (Türkei) 6,5
100 g Quark 0,2
25 g Blaubeeren 2,4
Nichtverkehrsfähig !
Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz
3.1.10 Aktivität eines Mittagessens
Nahrungsmittel Aktivität in Bq
150 g Wildfleisch (Niedersachsen) 87,2
60 g Nudeln, gekocht 0,6
200 g Maronen (Niedersachsen) 210,6
20 g Pfirsich (Konserve, Griechenland) 1,0
10 g Preisselbeermus (Skandinavien) 0,0
150 g Vanilleeis 3,0
50 g Kirschen 16,7
Nichtverkehrsfähig !
Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz
19
Übung zum radioaktiven Zerfall
Wieviel ist von den Nukliden nach dem Reaktorunfall am 26. April 1986 heute noch übrig
??Cs 13730,17 a- 0,5; 1,2m,g 0,001
I 1318,02 d- 0,6; 0,8.. 364; 637; 284 ; g ~ 0,7
Pu 239 2,411 *104 a 5,157; 5,144…sf, (52…);e-,m 268,8; f 742,5
26.04.1986
19.09.2011
9277 d = 25,4 a
%9270,99%100)(
%0000,0%100)(
%7699,55%100)(
24110
4,252ln
02,8
92772ln
17,30
4,252ln
etA
etA
etA
3.2 Strahlung–Materie Wechselwirkung
Zwischen Strahlung und Materie bestehen Wechselwirkungen
Strahlung erfährt
Materie erfährt
Die Wechselwirkung ist abhängig von Strahlenart und -energie
AbsorptionSchwächung
StreuungStossprozesse
AnregungIonisation
Kernreaktionen
„Ionisationsbremsung“
20
3.2.1 Ionisierende Strahlung
Strahlung aus dem Zerfall von Radionukliden
Strahlung, die Materie ionisiert
direkt ionisierende Strahlung
geladene Teilchen
indirekt ionisierende Strahlung
ungeladene Teilchen (Photonen, Neutronen)
Teilchen
n Neutronen
P Protonen
He2+ -Teilchen
Elektronen, Positronen
Elektromagnetische Wellen
/ X Gamma, Röntgen
3.2.2 Ionisationsvermögen
indirekt ionisierend
direkt ionisierend
indirekt ionisierend
21
3.2.3 Ionisationsdichte von - Strahlung
Alpha-Strahlung• Dichte Ionisation• Kernreaktionen bei sehr hohen Energien
Beta-Strahlung
• Weniger dichte Ionisation• Röntgenstrahlen bei sehr hohen Energien• Streuung an Atomen mit großem Z
Gamma-Strahlung• Lockere Ionisation• Ionisation nur durch „vorgeschaltete“ Effekte
3.2.4 Linear Energy Transfer (LET)
Spezifischen Ionisation oder LET eines Strahlungsteilchens:
E = übertragene Energie
x = Wegstrecke
v = Geschwindigkeit des Strahlungsteilchens
Beispiel:
Gammastrahlung (Co-60)
250 kV Röntgenstrahlen
10 kV Röntgenstrahlen
Alphastrahlung
2
1~
vdx
dELET
Anzahl der gebildeten Ionenpaare pro mm Wegstrecke
22
- Strahlen
zu berücksichtigende Ionen nicht zu berücksichtigende Ionen
3.2.4.1 Kerma & Energiedosis
Energiedosis [Gy]: H*
Die auf das Volumenelement V übertragenen Energien werden berücksichtigt.
kinetic energy released in matter
Kerma [Gy]: Hx
Übertragene Energien die im Volumenelement V ihren Anfangswert haben werden berücksichtigt
Strahlenart LET[keV/µm]
Bewertungsfaktorq
e-, -, Photonen < 3,5 1
, p, n (je nach Energie) 3,5 – 7,0 1-2
7,0 – 23 2-5
23 – 53 1. – 10
> 53 10 – 20
3.2.4.2 Spezifische Ionisation
Quelle: H. Krieger; Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes
im Medium Wasser
Beispiele
23
3.2.5 Strahlungsschwächung I
Ionisationsvorgänge
lösen alle geladenen Teilchen höherer Energie in gasförmiger, flüssiger oder fester Umgebung aus, wobei sie ihre Energie portionsweise verlieren.
Ionisationsdichte, Ionisierungsvermögen
Anzahl der gebildeten Ionenpaare im Medium: Luft
Messgröße: Ionendosis
Linear Energy Transfer (LET)
Lineares Energieübertragungsvermögen im durchstrahlten Medium pro Wegstrecke
für direkt ionisierende Strahlung
3.2.6 Strahlungsschwächung II
Kinetic Energy Released in Matter (kerma)
Energieübertrag vom Teilchenstrahl auf Absorbersekundärteilchen
Energieabsorption im Absorber biologische Strahlenwirkung
Messgröße: Energiedosis
Wirkung eines Absorbers auf einen Teilchenstrahl
Bremsvermögen (Stoßbremsvermögen, Strahlungsbremsvermögen)
Streuvermögen
Absorbierungsvermögen eines Absorbers in einen Teilchenstrahl
Bremsvermögen, Streuvermögen
Messgröße: Massenschwächungskoeffizient
für direkt ionisierende Strahlung
24
3.2.6.1 Čzerenkov - Strahlung
Čerenkov-Strahlungtritt immer dann auf, wenn geladene Teilchen sich im Medium schneller ausbreiten können als Lichtteilchen (Photonen) in diesem Medium.
3.2.7 Strahlungsschwächung III
Photo-, COMPTON- und Paarbildungseffekte
lösen Photonen höherer Energie in umgebender Materie je nach Ordnungszahl aus, wobei sie ihre Energie portionsweise verlieren.
Kernreaktionen
lösen Neutronen mit entsprechender Energie in entsprechenden Materialien aus, wobei sie in geladene Teilchen umgewandelt werden.
für indirekt ionisierende Strahlung
25
3.3 Strahlungsenergie
1 J = 1 Nm = 1 Ws
1 eV ist die Energie, die ein Elektron aufnimmt, wenn es beim freien Durchlaufen einer Spannung von 1 V beschleunigt wird
1 eV = 1,602 •10-19 J
3.3.1 Energieeinheiten
Energieeinheiten
J Joule 1 J = 1 N.meV Elektronenvolt
kWh Kilowattstunde 1 W = 1 kg.m2/s3 = 1 J/scal Kalorieerg Energieeinheitkg Kilogrammu atomare Masseneinheit
26
3.3.2 Umrechnungsfaktoren
J MeV kWh cal erg kg
1 J 1 6,250E+12 2,778E-07 2,389E-01 1,000E+07 1,113E-17
1 MeV 1,600E-13 1 4,450E-20 3,827E-14 1,602E-06 1,783E-30
1 kWh 3,600E+06 2,247E+19 1 8,600E+05 3,600E+13 4,007E-11
1 cal 4,186E+00 2,613E+13 1,163E-06 1 4,168E+07 4,660E-17
1 erg 1,000E-07 6,242E+05 2,778E-14 2,389E-08 1 1,113E-24
1 kg 8,985E+16 5,610E+29 2,497E+10 2,146E+16 8,987E+23 1
1 u 1,492E-10 9,320E+02 4,146E-17 3,546E-11 1,492E-03 1,661E-27
Quelle: Halliday, Resnik, Walker - Physik, Wiley-VCH Verlag
3.4 Strahlendosis
• Ionendosis
• Energiedosis
• Ortsdosis
• Personendosis
• Dosisleistung
• Abstandsgesetz
27
3.4.1 Strahlendosis: Ionendosis
Ionendosis I = absorbierte Energie in Luft
Definition:
Energiemenge, die durch die Strahlung auf eine Masseneinheit übertragen wird
Symbol: Gy
Alte Einheit: rad (1 Gy = 100 rad)
kg
JGray
11
3.4.2 Strahlendosis: Energiedosis
Energiedosis D = absorbierte Energie in Materie
Definition:
Energiemenge, die durch die Strahlung auf eine Masseneinheit übertragen wird
Symbol: Gy
Alte Einheit: rad (1 Gy = 100 rad)
kg
JGray
11
28
3.4.3 Strahlendosis: Personendosis
Äquivalentdosis H = Zellschädigungsrisiko durch absorbierte Energie im Gewebe
Definition:
Sievert
Energiemenge, die auf einen Menschen übertragen wird,
abhängig von der Strahlenart
Symbol: Sv
Alte Einheit: rem (1 Sv=100 rem)
QDH
H = Personendosis D = Energiedosis Q = Qualitätsfaktoren für Strahlungs- und Gewebeart
3.4.4 Dosisleistung
Unter der Dosisleistung DL versteht man die mit der Zeit aufgenommene (Strahlen)dosis
DL = Dosisleistung D = Energiedosis H = Äquivalentdosis t = Zeit
Ddt
dDDL
Hdt
dHDL
29
3.5 Das Abstandsgesetz
Dosisleistung einer punktförmigen -Strahlungsquelle
hGBq
mµSvNuklid
r
A
dt
dHH HH
2
2
Co-60 351Cs-137 88I-131 59
dH/dt = GammadosisleistungH = Gammadosisleistungskonstante (tabelliert)A = Aktivitätr = Abstand zur Strahlungsquelle
für Gammastrahlen
Dosisleistung eines Cs-137 Strahlers
Beispiel Cs-137
A = 1 GBq r = 10 m
Dosisleistung = ?
??
30
4 Zerfallsarten
Zerfallsart TochternuklidMassenzahl Ordnungszahl
– Zerfall M – 4 Z - 2 – Zerfall M Z + 1 – Zerfall M Z - 1 – Zerfall M Z
Radioaktiver Verschiebungssatz
4.1 Zerfallswege in der Nuklidkarte
-
+p
n
31
4.2 Alpha-Zerfall
)784,4(
)186,0()601,4(42
22286
22688
42
22286
22688
MeVHeRnRa
MeVMeVHeRnRa
5,5 %
94,4%
bis 15 000 km/s
4.2.1 - Zerfallsgleichung
Äußere Bestrahlung unbedeutendAbschirmung durch Papier
Inkorporation gefährlich
HeYX MZ
MZ
42
42
32
4.2.2 - Strahlung
• Teilchenart He- 4 Kerne
• Radionuklide Z> 80: Pu - 239, Ra - 226, Rn - 222, Am - 241, Po - 210, U - 235
• Energie MeV
• Reichweite bei 5 MeV ca. 3,5 cm (Luft)
geradlinige Bewegung
• Energieabgabe starke Wechselwirkung, 35 eV pro Ionenpaar, 100 000 -200 000 Ionenpaare pro Teilchen
• Wechselwirkung Ionisation, Anregung
• Gefahren Inkorporation, Schleimhäute
• Schutz Abschirmung mit Papier, Abstand > 10 cm
4.2.3 - Zerfallsschema
http://atom.kaeri.re.kr/cgi-bin/decay?Ra-226%20A
33
4.2.4 - Spektren
Examples of Energy Spectra and Isotopic Resolution In the energy calibration of the E detectors with a 228Th an source, an energy resolution (FWHM) of 34 keV at 5.684 MeV was easily obtained. This resolution was obtained at the end of an experiment after the 28 mg/cm2 protective Pb absorbers were removed. A (GIF 13 kB) spectrum of this calibration for one of the Si strips can be seen here
http://www.chemistry.wustl.edu/~dgs/mball/Si-Wall.html#spectra
4.2.5 Absorption von - Strahlung
Ionisation umgebender Materie
Streuung bei kleinen Teilchenenergien um kleine Winkel
Reichweite schwergeladener Teilchen Länge der Teilchenbahn
1 2 3 4 5 6 7 8Wegstrecke [cm]
Ione
npaa
re p
ro c
m20
00
40
00
600
0
HeeHe 2
34
4.3 Beta-Zerfall
eBaCs 01
13756
13755
4.3.1 -Zerfallsgleichung
Äußere Bestrahlung von untergeordneter BedeutungAbschirmung durch Plexiglas, Aluminium
eYX MZ
MZ
011
eYX MZ
MZ
011
35
4.3.2 -Strahlung
• Teilchenart Negatronen, Positronen
• Radionuklide H - 3, C - 14, Sr - 90, Cs - 137 Tl - 204, Co - 60
• Energie keV ... MeV
• Reichweite bei 1 MeV ca. 4 m (Luft)
• Energieabgabe kontinuierlich
• Wechselwirkungen schwächere Wechselwirkung,
4-8 Ionenpaare pro mm Luft
(kev – MeV) Ionisation, Anregung,
(MeV – GeV) Rückstreuung, Bremsstrahlung,
• Gefahren Streustrahlung, Hautexposition, Schleimhäute, Inkorporation
• Schutz Abschirmung mit Al, PMMA
4.3.3 -Zerfallsschema
http://atom.kaeri.re.kr/cgi-bin/decay?Cs-137%20B-
36
4.3.4 -Spektren
Betateilchen besitzen ein Energiespektrum
beim Betazerfall entstehen Neutrinos ()
Zerfallsenergie verteilt sich auf Betateilchen und Neutrinos
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Energie [MeV]
Rel
ativ
e H
äufig
keit
20 4
0 6
0 8
0 1
00
Häufigste Energie
Maximale Energie
E
maxE
max3
1EE
4.3.5 - Dosisleistung
für -Strahlen gilt bei Punktquellen ein modifiziertes Abstandsgesetz:
H = - Dosisleistungskonstante (tabelliert)H = - Dosisleistungsfunktion (tabelliert)A = Aktivität des Strahlers = Dichte des umgebenden Mediumsr = Abstand vom StrahlerEmax = maximale Beta-Energie
HA
rH
( , , )maxr E2
Quelle: H. Krieger – Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes
37
4.3.5.1 Y-90 - Dosisleistungsfunktion in Luft
0 50 100 150 200 250 300 3505,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
9,5
Betadosisleistungsfunktion
für Y-90 in Luft
r [cm]
[mS
v*m
2/G
Bq
*h]
Quelle: H. Krieger – Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes
Fitting Interface For NIST Hahn 2D:
a = 8.9832993866831981E+00
b = -2.6518831350761529E-01
c = 2.2887656037887229E-03
d = -3.7021929872605583E-06
f = -2.8688716986352482E-02
g = 2.3353289340732712E-04
h = -2.7724545361995389E-07
R-squared: 0.99586831458
4.3.5.2 Fit für Y-90 -Dosisleistungskonstante in Luft
32
32
1 xhxgxf
xdxcxbay
Quelle: www.zunzun.com
38
R = Reichweite der – Strahlung [g/cm2]
E kin = maximale – Energie [MeV]
= Dichte des Mediums [g/cm3]
0,095– [MeV]E * 0,526 ][g/cm R kin 2
Zahlenwertgleichung, keine physikalische Gleichung !
4.3.6 Empirische -Reichweite I
Quelle: Grundkurs Strahlenschutz von Claus Grupen
4.3.7 Wechselwirkungen von –Strahlung mit Materie
• MeV - GeV-Bereich:
– Wechselwirkungen mit Atomkernen Kernreaktionen
– Erzeugung von Röntgen(brems)strahlung
• keV – MeV Bereich:
– Ionisierung der umgebenden Materie
– Inelastische Streuung mit Hüllenelektronen
– Elastische Streuung an Atomen mit großem Z
• Elastische Streuung an der Atomhülle (Rückstreuung)
• Elastische Streuung an Atomkernen (COULOMB-Streuung)
• Cerenkov-Strahlung
39
4.3.8 Schwächung von –Strahlung
in umgebender Materie:Ionisation, Anregung, Streuung, Bremsstrahlung
in Luft:Ionenpaare pro cm () = 10-2 – 10-3 • Ionenpaare pro cm ()
Reichweite () in Luft: cm -Strahlung: dicht ionisierend
Reichweite () in Luft: cm – m -Strahlung locker ionisierend
4.3.9 - Schwächungsgesetz
Annahme: monoenergetische Betastrahlung schwächt sich exponentiell ab entsprechend:
dµeII 0
Absorptionskurve für Sr-90 Strahlung, 2,3 MeV in Al
40
4.3.10 Absorption von -Strahlung
Flächendichte r = d . Empirische Formel (wenn x > 0,3 g/cm2)
Emax maximale Beta-Energie [MeV]
r Flächendichte [g/cm2]
d Absorberdicke [cm]
r Absorberdichte
x maximale Reichweite im Absorber
Massenabsorptionskoeffizient µEmpirische Formel (wenn E in MeV, und 0,1 MeV ≤ E ≤ 3,5 MeV, µ [cm2/g])
25.085.1max xE
5.1max
15
E
Claus Grupen, Grundkurs Strahlenschutz, Vieweg Verlag
4.3.10.1 -Absorptionskurven in verschiedenen Materialien
Sr-90
41
4.3.11 Messung von - Strahlung
Messverfahren:
• Gasionisationsdetektoren mit dünnen Fenster
• Flüssigszintillationsdetektoren
• Filmdosimeter
• PIN-Diodendetektoren
Probleme:
• Streustrahlung
• Bremsstrahlung
Elektronisches Personendosimeter EPD MK2
Technisches Datenblatt Personendosimeter MPA / NRW
42
Elektronisches Personendosimeter EPD MK2
Technisches Datenblatt Personendosimeter MPA / NRW
Elektronisches Personendosimeter EPD MK2
Technisches Datenblatt Personendosimeter MPA / NRW
43
4.3.12 Bremsstrahlung
Photonenstrahlung durch Abbremsprozesse
4.3.13 Röntenspektrum
Wolfram Anode
44
4.4 EC-ZerfallEC = electron capture
00101 YeX M
ZMZ
4.5 Gamma-Zerfall
BaBam 13756
13756
45
4.5.1 -Zerfallsgleichung
Äußere Bestrahlung maßgeblichAbschirmung durch Blei
XX MZ
MZ
*
4.5.2 -Strahlung
• Teilchenart Photonen (m = 0, Z = 0)
• Quellen Am - 241, Co - 60, I - 131, Ba - 133, Ba - 137m, Tc - 99m
• Energie keV ... MeV
• Reichweite theoretisch • Energieabgabe geringe LET, paketweise, Schwächung exponentiell
• Wechselwirkungen Streuung, Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildungseffekt,
• Gefahren Körper-Exposition, Inkorporation
• Schutz Abschirmung mit Pb und Materialien mit großem Z
Häufig Begleiterscheinung anderer Zerfallsarten !LET = „linear energy transfer“
µdeII dµ 2ln
2/10
Ebenso X-Strahlung
46
4.5.3 -Zerfallsschema
http://atom.kaeri.re.kr/cgi-bin/decay?Cs-137%20B-
4.5.4 -Zerfallsdiagramm Co-60 (I)
47
4.5.5 -Zerfallsdiagramm Co-60 (II)
4.5.6 -Zerfallsdiagramm Co-60 (III)
Weitere Nukliddaten bei: http://www.marcoschwarz-online.de/
48
4.5.7 -Spektrum
stark gespreiztes Cs-137 Spektrum
E [keV]
cps
4.5.8 Absorption von -Strahlung
Mechanismen zur Absorption von Photonen:
Photoeffekt bei kleinen Photonen-Energien < 1 MeV
(vollständige Absorption in der Atomhülle)
COMPTONeffekt bei mittleren Photonen-Energien < 10 MeV
(inkohärente Streuung in der Atomhülle)
Paarbildungseffekt bei großen Photonen-Energien > 1,022 MeV
(vollständige Absorption im COULOMB-Feld des Atomkerns)
Kern-Photoeffekt bei sehr großen Photonen-Energien > 6 MeV...< 20 MeV
(Herausschlagen von n oder p aus dem Kern, bzw. Spaltung )
Abhängig von der Dichte des Mediums !
49
4.5.8.1 Photo-, COMPTON- und Paarbildungseffekt
4.5.8.2 Photoeffekt
2/7
5
~E
ZPhoto
Photoelektron
Wirkungsquerschnitt Z Ordnungszahl E Photonenenergie
Einfallendes Photon
Photon
50
4.5.8.2.a Photoeffekt - animiert
4.5.8.3 COMPTONeffekt
COMPTON elektron
EEcmE
constEcmE
COMPTONe
COMPTONe
1~),(
~),(
2
2
Wirkungsquerschnitt Z Ordnungszahl E Photonenenergie θ Einfallswinkel
Einfallendes Photon
GestreutesPhoton
51
4.5.8.3.a COMPTON effekt -animiert
4.5.8.4 Paarbildungseffekt
Elektron
Einfallendes Photon
Positron
2~022,1 ZMeVE Paar
Wirkungsquerschnitt Z Ordnungszahl E Photonenenergie
Bremsstrahlung
52
4.5.8.4.a Paarbildungseffekt –animiert
4.5.9 Schwächung von - Strahlung
Der Schwächungsfaktor für ungestreute Strahlung:
Schwächungsfaktor
ungeschwächte Dosisleistung
geschwächte Dosisleistung
u
u
H
H
S
0
u
u
H
HS 0
53
4.5.9.1 Das Schwächungsgesetz
Schwächungsfaktor
ungeschwächte Dosisleistung
geschwächte Dosisleistung
Massenschwächungskoeffizient
Schichtdicke
Halbwertsschichtdicke
Zahl der Halbwertsdicken2/1
2/1
0
n
d
d
H
H
S
u
u
21
21
21
0
0
2ln
dnd
d
SeH
H
eHH
ud
u
du
4.5.9.2 Der Schwächungsgrad I
ln dH/dt
d/
54
4.5.9.3 Der Schwächungsgrad II
2log
log
2loglog
2ln
21
21
21
21
21
0
u
u
ud
u
Sn
nS
dndd
SeH
H
4.5.9.4 Massenschwächungskoeffizient
H H ed
0
µ = linearer SchwächungskoeffizientPhotoeffekt / Comptoneffekt / Paarbildungseffekt
µ/ = linearer Massenschwächungskoeffizientµtr/ = linearer
Massenenergieübertragungskoeffizientµen/ = linearer
Massenenergieabsorptionskoeffizientµen = µtr(1-G) G = Bremsstrahlungsanteilµen Energiedosis
55
4.5.9.5 Der Aufbaufaktor
scatcen
scatcabsccompt
paircomptphoto
A
abs
scatabsA
dA
df
f
efHH
,
,,
0
1~
4.6 Zerfall durch Spontanspaltung
Kerne mit M ≥ 232 können durch Einwirkung kosmischer Neutronen
spontan zerfallen
2 Tochterkerne mit Massenverhältnis 1,4 oder mehrere Bruchstücke (=Spallation)
Freisetzung von Neutronen
56
4.6.1 Neutronen
• Begriffe und Einheiten• Neutronenquellen• Neutroneneigenschaften• Messungen• Rechnungen
4.6.1.1 Begriffe und Einheiten
• Neutronenquellstärke S [n/s]
• Neutronenfluenz F [n/cm2]
• Neutronenfluss [n/s.cm2]
• Neutronenenergie E [MeV]
• Dosiskonversionsfaktoren ??
57
4.6.1.2 Entstehung freier Neutronen
• Entstehung bei Ra-Be-Quellen:
• Entstehung bei Fusionsreaktionen
nCBe 10
126
42
94
MeV
nHeTD
58,17
10
42
31
21
4.6.1.3 Neutronenquelle SUR-100
1 600 a
222Rn
bis 12 MeV
235U
226Ra / Be -Präparat ~ 3,7 . 108 Bq
9Be (,n) 12C
58
4.6.1.4 Neutronenstrahlen
• Teilchenart Neutronen
• Radionuklide spaltbare Nuklide
• Energie eV ... MeV
• Reichweite energieabhängig
• Energieabgabe durch Moderation
• Wechselwirkungen Moderation, Konversion
• Gefahren Ganzkörperexposition
• Schutz Abschirmung mit B, Gd, Pb
4.6.1.5 thermische und schnelle Neutronen
Freie Neutronen ½ = ca. 11,5 min Zerfall:
thermische Neutronen
thermisches Gleichgewicht mit umgebendem Medium
Energie ca. 2,5 10-2 eV
Geschwindigkeit ca. 2,2.103 m/s
schnelle Neutronen
Energie > 0,1 MeV bis ca. 2 MeV,
Geschwindigkeit bis ca. 2.107 m/s
Grobeinteilung der Energiegruppen
59
4.6.1.6 Energiegruppen von NeutronenFeineinteilung der Energiegruppen
Neutronen Energiebereich Geschwindigkeit[km / s]
Subthermisch < 0,02 eV < 2,2
Thermisch 0,0252 eV 2,2
Epithermisch < 0,5 eV < 9,8
Intermediär 0,5 ev – 10 keV 9,8 - 1400
Schnell > 10 keV > 1400
Relativistisch > 5 MeV
H. Krieger; Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes; Teubner Verlag, 3. Überarb. Aufl. 2009; , S 231
4.6.1.8 Neutronentemperaturen
• kalte Neutronen
– 25 K (-248.16 °C) = 0.35 nm
• thermische Neutronen
– Energie < 10 eV
– 300 K (26,84 °C) = 0.1 nm
– Ekin ~ 2,5.10-2 eV
– v ~ 2200 m/s
• heiße Neutronen
– z.B. 2000 - 2400 K (1726.84 - 2126.84 °C) = 0.04 -0.08 nm
60
4.6.1.9 Neutronenspektrum des Reaktors SUR-100 (lin/log)
Reaktor SUR-100, Neutronenspektrum im Kern19,9% U-235: U-235: 683 g, U-238: 2734 g
Moderator: HD-PE
0,00E+00
5,00E+06
1,00E+07
1,50E+07
2,00E+07
2,50E+07
1,00E-09 1,00E-08 1,00E-07 1,00E-06 1,00E-05 1,00E-04 1,00E-03 1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00 1,00E+01
Energie in MeV
n/c
m^
2
Thermische Neutronen
Schnelle Neutronen
Neutronenenergie in MeV
Neu
tron
enflu
ssdi
chte
in n
/cm
2.s
Quelle: Diplomarbeit Eidam
4.6.1.10 Neutronenspektrum des Reaktors SUR-100 (log/log)
Total Neutron Core Spectrum
1.0E+03
1.0E+04
1.0E+05
1.0E+06
1.0E+07
1.0E+08
1.0E-09 1.0E-07 1.0E-05 1.0E-03 1.0E-01 1.0E+01
Energy [MeV]
Flu
x [
n/s
.cm
2 ]
61
4.6.1.11 Neutronenwechselwirkungen
Wechselwirkungen zwischen Neutronenstrahlen und ihrer Umgebung :
• Streuungscattering
– Elastische Streuung (10 keV - 1 MeV) scat, el
( Neutronenmoderation) scat, inel
– Inelastische Streuung (1 MeV - 10 MeV)
• Absorptionabsorption
– Einfang ohne Spaltung ( Neutronenaktivierung) capture
– Spaltung, binär ( Kettenreaktion) fission
4.6.1.12 Wirkungsquerschnitte I
Der Wirkungsquerschnitt ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer
(nuklearen) Reaktion
Scheinbare Angriffsfläche eines Zielkerns für einankommendes Teilchen
Dimension: Flächeneinheiten
224101 cmbarn
62
Scheinbare Angriffsfläche eines Zielkerns für ein ankommendes Teilchenkernartabhängig
energieabhängig, temperaturabhängigreaktionsabhängig
n .
4.6.1.13 Wirkungsquerschnitte II
4.6.1.14 Spaltbare Materialien
- Strahler:
Isotop ½ Häufigkeit ther
[barn]
U-234 2,446 . 105 a 0,005 %
U-235 7,038 . 108 a 0,720 % 582
U-238 4,468 . 109 a 99,275 % < 0,0005
Pu-239 2,411 . 104 a 743
Pu-240 6,55 . 103 a 0,03
Pu-241 14,4 a 1009
Pu-242 3,763 . 105 a < 0,2
Pu-243 4,956 h 196
63
4.6.1.15 Spaltquerschnitte für Uran-235
thermische Neutronen:
E = 2.5 . 10-2 eV spalt ~ 1000 b
E~ 10-1 eV spalt ~ 250 b
schnelle Neutronen:
E> 106 eV spalt ~ 1- 2 b
U-235
thermische Spaltung
4.6.1.16 Spaltquerschnitte für Uran-238
thermische Neutronen:
E = 2.5 . 10-2 eV spalt ~ 0,0005 b
schnelle Neutronen:
E~ 2-3 . 106 eV spalt ~ 0,5 b
U-238
schnelle Spaltung
64
4.6.1.17 für U-235 und U-238
4.6.1.19 Kettenreaktion
65
4.6.1.20 Neutronenabsorber
Regelstäbe / -platten (Kernreaktorsteuerung)
Cd 113Cd (n,) 114Cd
In / AgHf
B4C , B2O3 10B (n,) 7Li
Kernschutz (Kernreaktorstörfall)Na2B10O16 .10 H2O
Biologische Abschirmung (SUR-100): H3BO4
4.6.1.22 Neutronenmoderation
Abbremsenschneller Neutronenauf thermischeGeschwindigkeit
66
4.6.1.23 Wirkungsquerschnitte III: Neutroneneinfang und -streuung
Element einf streu
H-1 0,33 38 (Gas)
H-2 0,00046 7
B-10 755 4
Gd-64 46 000 -
4.6.1.25 Neutronenaktivierung
• Neutronenaktivierungsanalyse
Zerstörungsfrei Materialanalysen
Qualitätssicherung
Aber auch: Strahlenbelastungen
67
4.6.1.26 Nukliderzeugung
thermische Neutronenaktivierung
Beispiele Mo-98 (n,) Mo-99 Te-130 (n,) Te-131
ZM
ZM
ZM
ZM
A n B
A n B
1
1
( , )
4.6.1.28 Wirkungsquerschnitte V: Thermische Neutronenaktivierung
n,th
[barn]
Fe-56 2,8
Cu-63 4,5
Cu-65 2,2
Mn-55 13,4
As-75 4,5
Mn-55
68
4.6.1.29 Neutronenaktivierung mit anschließendem -Zerfall
Masse = MOrdnungszahl = Z
+ 1+ 1
Aktivierung durch thermische n:
- Energie -Intensität
0,84660 MeV 99,001,81120 MeV 30,002,11260 MeV 15,5
4.6.1.30 Mn-55 Aktivierung
FeMnnMn h 5658,25655 ),(
69
75As (n,) 76As 76Se + + 26,3 h
- Energie - Intensität
0,55910 MeV 44,60,56280 MeV 1,600,65710 MeV 6,40
4.6.1.31 Beispiel 1
63Cu (n,) 64Cu 64Ni K / 12,8 h
- Energie - Intensität
0,00756 MeV 14,01,34576 MeV 0,48
79Br (n,) 80mBr 80Br + 4,4 h
- Energie - Intensität
0,03700 MeV 400,04890 MeV 0,3
4.6.1.32 Beispiel 3
70
197Au (n,) 198Au 198Hg + + 2,7 d
- Energie - Intensität
0,00999 MeV 1,270,07082 MeV 1,380,41180 MeV 95,53
32S (n,p) 32P 32S + 14,3 d
4.6.1.33 Beispiel 4
eeM
NHmttA ttL
'' 1),(
4.6.1.34 Spezifische Aktivität nach Probenbestrahlung
A = erzeugte Aktivität (Bq)
t = Bestrahlungszeit (s)
t' = Zerfallszeit (s)
m = Masse des Mutternuklids (g)
H = Isotopenhäufigkeit des Mutternuklids (%)
NL = Avogadro‘s Zahl (mol-1)
= Wirkungsquerschnitt (barn)
= Neutronenflussdichte (n.cm-2.s-1)
M = Atommasse des Mutternuklids (g.mol-1)
= ln2 / t1/2
71
M
NHmA
tt
L
2/1
2
11
4.6.1.35 Sättigungsaktivität bei konstantem
Bestrahlung mit thermischen Neutronen während t / t1/2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 t / t 1/2
A
Radionuklid Häufigkeit Zerfallsart Halbwertzeit t1/2
Tritium 0,00013 % - 12,346 a Ra - 226 / 1,6 . 103 a
I - 131 - / 8,04 d Cs - 134 / 2,06 a
2,09 h U - 235 0,720 % , sf * 7,030 . 108 a U - 238 99,28 % , sf 4,468 . 109 a
4.7 Beispiele für Zerfälle
* sf bedeutet spontaneous fission = Spontanspaltung
Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz
72
5 Strahlenschutz
Aufenthalt
Abstand
Abschirmen
5.1 Strahlenbelastungen
kosmische Strahlungterrestrische Strahlungnatürliche Inkorporationentotale natürliche Strahlenbelastungmedizinische AnwendungenIndustrieaktivitätenTschernobylKernwaffentestsFlügeArbeitsumgebungfossile Energieerzeugungnukleare EnergieerzeugungIndustrieproduktetotale zivilisatorische StrahlenbelastungSumme
2,12
0,010,010,005
0,0010,0012,036
0,0050,002
4,136
0,002
0,30,41,4
Mean Effective Dose Rate [mSv/a]
Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz
73
5.1.1 Terrestrische Strahlung
Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz
Gebiet
DeutschlandKerala, Tamil, Nadu (Indien) Espirito Santo (Brasilien) Ramsar (Iran)
JahresmaximalwerteJahresmittelwert
66
[mSv/a] 5
55
175860
[mSv/a]0,4
4
5.1.2 Kosmische Strahlung
Hamburg München Zugspitze Großglockner
1 2 3 4 5Höhe über Meeresspiegel [km]
Dos
isle
istu
ng [m
Sv/a
]0,
5
1,
0
1,5
2
Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz
74
5.1.3 Natürliche Strahlenexposition
Effektive Dosisleistung [mSv/a]extern intern total
kosmisch1000 m ü.d.M 0,4 0,4
0 m ü.d.M 0,27 0,27Radionuklide 0,02 0,02
terrestrischK-40 0,18 0,17 0,35
Rb-87 0,006 0,006U-nat 0,12 1,17 1,29
Th-nat 0,14 0,08 0,22Total
0,71 1,45 1,89 2,16
Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz
5.1.4 Beispiele für Äquivalentdosen
7000 mSv Strahlentod LD1004000 mSv Schwere Strahlenkrankheit LD501000 mSv "Strahlenkater„250 mSv Schwellendosis (erste klinische Effekte)200 mSv/a Maximale natürliche Strahlenbelastung (Brasilien, Monazit)0,01 mSv 3 h Flug 10 km Höhe
20 mSv/a Grenzwert für berufliche Strahlenbelastung (Kategorie A)6 mSv/a Grenzwert für berufliche Strahlenbelastung (Kategorie B)
0,3 mSv/a Grenzwert für Belastung aus kerntechnischen Anlagen2,0 mSv/a Mittlere Strahlenbelastung durch medizinische
Anwendungen2,1 mSv/a Mittlere natürliche Strahlenbelastung D <3 mSv/a Zusätzliche natürliche Strahlendosis
(Beton-, Granitbauten)
Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz
75
5.1.5 Strahlenbelastung beim Fliegen
Effektive Dosis durch Höhenstrahlung auf ausgewählten Flugrouten Abflug Ankunft Dosisbereich* [µSv]
Frankfurt Gran Canaria 10 - 18 Frankfurt Johannesburg 18 - 30 Frankfurt New York 32 - 75 Frankfurt Rio de Janeiro 17 - 28 Frankfurt Rom 3 - 6 Frankfurt San Francisco 45 - 110 Frankfurt Singapur 28 - 50
* Die Schwankungsbreite geht hauptsächlich auf die Einflüsse von Sonnenzyklus und Flughöhe zurück.
Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz
5.1.6 Strahlenbelastung bei der Raumfahrt
Flug Flugdauer [h] Dosis [mSv]
Erdumkreisung APOLLO VII 260 3,6
Erdumkreisung SALJUT 6 / IV 4 200 55
Mondumkreisung APOLLO XI 147 5,7
Mondlandung APOLLO XI 195 6
Mondlandung APOLLO XIV 209 15
Quelle: Volkmer – Radiaoaktivität und Strahlenschutz
76
5.2 Körperdosen
Energiedosis E
Äquivalentdosis H = Q*E
• Wichtung durch Strahlungswichtungsfaktoren wR
Schutzgrößen, Organdosen
• Wichtung durch Qualitätsfaktor Q (bzw. Wichtungsfunktion Q(L)) H*(10), H`(0,07), Hp(10),Hp(0,07)
operative Messgrößen, Äquivalentdosen
5.2.1 Organdosis
• Produkt aus der mittleren Energiedosis in einem Organ, Gewebe oder Körperteil und dem Strahlungs-Wichtungsfaktoraus StrlSchV. Beim Vorliegen mehrerer Strahlungsarten und -energien ist die Organdosis als Summe nach genauen Vorschriftenzu ermitteln
R
RTRT DwH ,
77
5.2.2 Strahlungswichtungsfaktoren
Strahlenart Strahlenenergie Wichtungsfaktor wR
Photonen, alle Energien 1Elektronen, Myonen alle Energien 1
Protonen*, Pionen > 2 MeV 2
Alpha, schwere Kerne, Spaltprodukte 20
Neutronen energieabhängig !
*außer Rückstoßprotonen
Quelle: StrlSchV
5.2.2.1 Wichtungsfaktoren für Neutronen
Nach ICRP 103 gilt für Neutronen verschiedener Energiebereiche:
MeVEe
MeVEMeVe
MeVEe
w
nE
nE
nE
R
n
n
n
502,35,2
5010,170,5
12,185,2
6/)]04,0[ln(
6/)]2[ln(
6/)][ln(
2
2
2
zurück
78
5.2.3 Das Konzept der effektiven Dosis HE
Für den ganzen Körper ergibt sich der Wert 1
HE = effektive Dosis (HE wird in der StrlSchV mit E abgekürzt. Wegen der internationalen Konventionen wurde in diesem Kontext darauf verzichtet.);
HT = Äquivalentdosen für spezielle Körperteile beim Menschen; DT,R = Organenergiedosis;wT = Gewebe-Gewichtungsfaktoren, die das stochastische Risiko
berücksichtigen;wR = Strahlungswichtungsfaktoren, die die Strahlenart berücksichtigen
T R
R,TRTT
TTE DwwHwH
n
1TT 1w
5.2.4 Gewebewichtungsfaktoren
Organ/Gewebe Gewebe-Gewichtungsfaktor wT
Keimdrüsen 0.20Knochenmark (rot) 0,12Dickdarm 0,12Lunge 0,12Magen 0.12Blase 0,05Brust 0,05Leber 0,05Speiseröhre 0,05Schilddrüse 0,05Haut 0,01Knochenoberfläche 0,01Andere Organe u. Gewebe1,2) 0.05
79
5.2.5 Qualitätsfaktoren Q
Qualitätsfaktor Q(L) (quality factor)Faktor, der die biologische Wirksamkeit einer Strahlung auf der Grundlage der Ionisationsdichte entlang den Spuren geladener Teilchen im Gewebe kennzeichnet. Q ist definiert als eine Funktion des unbeschränkten LET (L) geladener Teilchen in Wasser:
Bei der Definition der Organdosen wurde Q durch den Strahlungs-Wichtungsfaktor ersetzt. Q wird jedoch nach wie vor für die Definition der Äquivalentdosis (Dosismessgrößen) verwendet.
Quelle: ICRP 103
5.3 Stochastisches Risiko
Organdosen & effektive Dosen mit Wichtungsfaktoren
Nicht messbare Schutzgrößen
Bildet mittleres stochastisches Risiko einer Bevölkerung ab
Gekoppelt mit Grenzwerten im StrlSch
Äquivalentdosen
Messbare „operationelle“ Größe
Bildet kein mittleres stochastisches Risiko einer Bevölkerung ab
Umgebungsäquivalentdosis
Konservativer Schätzwert für Schutzgröße „Körperdosis“
Dosis, die eine Person erhalten würde, wenn sie sich am Meßort im Strahlenfeld aufhalten würde
80
5.4 ICRU - Kugel
• kugelförmiges Phantom von 30 cm Durchmesser aus IRCU-Weichteilgewebe
• gewebeäquivalentes Material der Dichte 1g/cm3
• Zusammensetzung
– 76,2 % Sauerstoff
– 11,1 % Kohlenstoff
– 10,1 % Wasserstoff
– 2,6 % Stickstoff.
5.5 H*(10) und H*(0,07,)
Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10)
Diese entspricht am interessierenden Punkt im Strahlungsfeld der Äquivalentdosisleistung die in 10 mm Tiefe der ICRU-Kugel erzeugt würde.
Richtungs-Äquivalentdosis H*(0,07,).
Diese entspricht am interessierenden Punkt im Strahlungsfeld der Äquivalentdosisleistung die in 0,07 mm Tiefe auf einer festgelegten Richtung der ICRU-Kugel erzeugt würde
81
5.6 Hp(10) und Hp(0,07)
Der Messwert für die Tiefen-Personendosis Hp(10)liefert bei Ganzkörperexposition mit durchdringender Strahlung einen Schätzwert für die effektive Dosisund die Organdosen.
Der Messwert für die Oberflächen-Personendosis Hp(0,07) liefert bei Teilkörperexposition mit Strahlung geringer Eindringtiefe einen Schätzwertfür die lokale Hautdosis.
5.7 Operative Größen
Ortsdosis PersonendosisPhantommessung Körpermessung
Äquivalentdosis
Umgebungs-ÄquivalentdosisH*(10)
Richtungs-ÄquivalentdosisH‘(0,07, )
Tiefen-personendosisHp(10)
Oberflächen-personendosisHp(0,07)
* richtungsunabhängig ‘ richtungsabhängig(10) Messung in 10 mm Tiefe (0,07) Messung in 0,07 mm Tiefe
82
5.8 Dosisbegriffe der StrlSchV nach §3
• a) Äquivalentdosis
• b) effektive Dosis
• c) Körperdosis
• d) Organdosis
• e) Ortsdosis
• g) Personendosis
5.8.1 Äquivalentdosis
• Produkt aus der Energiedosis (absorbierte Dosis) im ICRU-Weichteilgewebe und dem Qualitätsfaktor der Veröffentlichung Nr. 51 der International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU report 51, ICRU Publications, 7910 Woodmont Avenue, Suite 800, Bethesda, Maryland 20814, U.S.A.). Beim Vorliegen mehrerer Strahlungsarten und -energien ist die gesamte Äquivalentdosis die Summe ihrer ermittelten Einzelbeiträge;
83
5.8.2 Effektive Dosis
• Summe der gewichteten Organdosen in den in Anlage VI Teil C angegebenen Geweben oder Organen des Körpers durch äußere oder innere Strahlenexposition;
5.8.3 Körperdosis
• Sammelbegriff für Organdosis und effektive Dosis. Die Körperdosis für einen Bezugszeitraum (z.B. Kalenderjahr, Monat) ist die Summe aus der durch äußere Strahlenexposition während dieses Bezugszeitraums erhaltenen Dosis und der Folgedosis, die durch eine während dieses Bezugszeitraums stattfindende Aktivitätszufuhr bedingt ist;
84
5.8.4 Ortsdosis
• Äquivalentdosis, gemessen mit den in Anlage VI Teil A angegebenen Messgrößen an einem bestimmten Ort;
5.8.5 Ortsdosisleistung
• Ortsdosisleistung: In einem bestimmten Zeitintervall erzeugte Ortsdosis, dividiert durch die Länge des Zeitintervalls;
85
5.8.6 Personendosis
• Äquivalentdosis, gemessen mit den in Anlage VI Teil A angegebenen Messgrößen an einer für die Strahlenexposition repräsentativen Stelle der Körperoberfläche;
5.9 Personendosimeter
• Gleitschatten-Filmdosimeter
• Elektronische Dosimeter
• Phosphatglasdosimeter
86
5.10 Tragen der Personendosimeter
5.11 REM - Counter
Neutronendosismessgerät
87
Personendosimeter DMC 2000 GN
• Messung: / n
– der Tiefen-Personendosis Hp(10),
– der Tiefen-Personendosisleistung und
– der Aufenthaltsdauer in diesem Bereich.
• Anzeige von
– Dosis, Dosisleistung (falls aktiviert), Alarmen
– und, bei Störung, Meldungen zu nachgewiesenen Fehlern.
• Verwaltung von Alarmen und Voralarmen
Personendosimeter DMC 2000 GN
88
5.12 Strahlungsdetektor
Radioaktiver Zerfall, Strahlung
Ansprechvermögen
Detektor, Zählereignisse, Zählraten
Kalibrierung in Normgrößen
5.12.1 Photonendosiskonversionsfaktoren
Gamma Dose Conversion CoefficientsICRU 47, 1992a
1.000E-06
1.000E-05
1.000E-04
1.000E-02 1.000E-01 1.000E+00 1.000E+01
Energy [MeV]
[mS
v.cm
2]
89
5.12.2 Neutrondosiskonversionsfaktoren
Neutron Dose Conversion CoefficientsICRP 74
1.000E-05
1.000E-04
1.000E-03
1.000E-02
1.00E-09 1.00E-07 1.00E-05 1.00E-03 1.00E-01 1.00E+01
Energy [MeV]
[mS
v.cm
2]
5.13 Strahlenschutzbereiche
• Sperrbereich: H > 3 mSv/h
• Kontrollbereich: H > 6 mSv/a
H > 3 µSv/h
• Überwachungsbereich: H > 1 mSv/a
H > 0,5 µSv/h
90
5.13.1 Isodosisleistungslinien
Bildquelle: Forschungszentrum Karlsruhe
Übungsfragen 1
1. Wo in der Nuklidkarte findet man die stabilen Nuklide ?2. Nennen Sie die drei Isotope des Wasserstoffs ?3. Besitzen die Isotope des Wasserstoff unterschiedliche physikalische Eigenschaften? Warum ?4. Besitzen die Isotope des Kohlenstoff unterschiedliche chemische Eigenschaften ? Warum ?5. Wie ist das Anti-Photon beschaffen 6. Wie ist das Anti-Wasserstoff-Atom aufgebaut ? 7. Was versteht man unter isomeren Nukliden ? 8. Was versteht man unter Radioaktivität, was ist in diesem Zusammenhang Aktivität ?9. Welche physikalische Einheit hat die Aktivität ? 10. Was versteht man unter einer nuklearen Kettenreaktion ?11. Was ist Alpha-Strahlung ?12. Woher kommen die Elektronen bei Beta-Strahlung ?13. Was ist die physikalische Dimension für den radioaktiven Zerfall ?14. Was für Strahlendosen kennen Sie?
91
Übungsfragen 2
15. Wie ist die Einheit für die Äquivalentdosis definiert ?
16. Wie ist die Einheit für die Energiedosis definiert ?
17. In welchen Einheiten kann man Strahlungsenergie angeben ?
18. Was versteht man unter Dosisleistung
19. Wie groß ist die Dosisleistung in 2 m Abstand eines punktförmigen Cs-137 Strahlers, der eine Aktivität von 20 000 Ci aufweist ?
20. Was ist die mittle Jahresdosis in Deutschland ?
21. Wie hoch ist die tödliche Dosis ?
22. Wie groß ist die Aktivität eines Standardmenschen ?
23. Wie dick muss eine Bleischicht sein um einen Co-60 Strahler mit einer Dosisleistung von1 Sv/h auf 1 mSv/h abzuschirmen ?
24. Was versteht man unter dem Aufbaufaktor ?
25. Warum wird Gammastrahlung durch Blei besser abgeschirmt als durch Eisen ?
26. Was versteht man unter Oberflächenkontamination ?
Übungsfragen 3
27. Was versteht man unter dem Kerma ?
28. Was versteht man unter einer Äquivalentdosis
29. Welche operativen Dosisgrössen kennen Sie
30. Was ist die ICRU Kugel, wozu dient sie ?
31. Welche Einheit hat der Neutronendosiskonversionsfaktor ?
32. Welche Neutronen sind gefährlicher, langsame oder schnelle ?
33. Was versteht man unter dem Ansprechvermögen eines Strahlungsdetektors ?
34. Welche Strahlenschutzbereiche kennen Sie ?
35. Was versteht man unter einem stochastischem Risiko ?
92
Literatur
1. Grupen, K.; Grundkurs Strahlenschutz; Springer-Verlag 20082. Krieger, H. Grundlagen der Strahlungsphysik; Vieweg + Teubner Verlag 20093. Vogt – Schultz; Grundzüge des praktischen Strahlenschutzes, Hanser-Verlag
19924. Dobrinski - Krakau – Vogel; Physik für Ingenieure5. Haliday – Resnick - Walker; Physik; Viley VCH 2001, ISBN 3-527-40366-36. De Pree; Physics made simple; Broadway Books; 2004, ISBN 0-7679-1701-47. Browne; Physics for Engineering and Science; McGraw Hill, 1998, ISBN 0-07-
008498-X B. Bröcker; DTV-Atlas zur Atomphysik; DTV-Verlag, 19938. Volkmer – Kernenergie Basiswissen; Volkmer – Radiaoaktivität und
Strahlenschutz 9. Koelzer, Lexikon der Kernenergie
@ CURS
Information Server
designed by S. Prys2013
;-)