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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
Universität für Bodenkultur WienInstitut für Sicherheits- und Risikowissenschaften
Praxisseminar Strahlenschutz – Teil 4: Messtechnik25.04.2013 2
Inhalt
Wiederholung
Prinzipien der Messtechnik
Gas Zählrohre
Szintillatoren
Halbleiterzähler
Personendosimeter
Andere Detektionsmethoden
Zusammenfassung
Universität für Bodenkultur WienInstitut für Sicherheits- und Risikowissenschaften
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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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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Gas-Zählrohre
Quelle: automess
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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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Szintillatorsonde
Flüssiges Medium
Quelle: http://www.directindustry.com
Quelle: http://www.directindustry.com
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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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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