<--- Seite zurück      Umweltprojekte   nächste Seite  -->
Dies ist ein Projekt von Chetan Reinhard Sannyas Meditationzentrum Deutschland
________________________________________________________________________________________

KCL - Prüfstrahler  selber basteln      

Auf der vorangegangenen Seite ergab sich die Forderung einen grösseren Prüfstrahler bzw. Referenzstrahler für Strahlenmessgeräte herzustellen. Kaliumchlorid 
kann ganz gut zum kalibrieren von Strahlenmessgeräten verwendet werden.  Der Literatur entnehme ich : "Kalium enthält zu 0,0118% das Isotop 40K, dieses liefert rund 16000Bq bis 18000Bq pro Kilogramm KCl.". Die Chemikalie Kaliumchlorid gibt es in der Apotheke. Ich besorg mir eine möglichst reine Qualität.

10g davon können z.B. mit einigen Tropfen Pattex vermischt und gleichmässig auf etwa 10cm x 10cm Plexiglasfläche verteilt werden, oder einfach lose auf die Klebefläche eines Klebebandes aufgestreut werden. Dann mit einer dünnen Haushaltsplastikfolie bedecken.(Empfehlung: Im Umgang mit Kaliumchlorid unbedingt Schutzhandschuhe tragen).

Die Teilchenflussdichte die von einer Fläche des Strahlers ausgeht variert etwas mit der Menge des verwendeten Klebers und der Dicke der Plastikfolie mit welcher das Material abgedeckt ist  Jedenfalls der fertige Strahler gibt im Idealfall 0,8 Bq/cm². Oberflächenstrahlung ab. Je nachdem, wie viel Kleber verwendet wurde und wie dick die abdeckende Folie ist, kann eine Aktivität  zwischen 0,5Bq/cm² bis 0,8Bq/cm² direkt über dem Strahler leicht nachgewiesen werden.

Zunächst Vorversuche mit losem KCl :
Kaliumchlorid auf etwa 100cm² Fläche verteilt
Bild1: 10g KCl sind auf 100cm² Fläche verteilt

Es lässt sich auch rechnen :
10g KCl entwickeln 180 Bq
auf 100cm² verteilt ergibt das 1,8 Bq/cm²
das macht 0,9 Bq/cm² auf jeder der beiden Seiten einer dünnen KCl-Schicht.

Es wird also theoretisch ein Messwert von 0,9Bq/cm² erwartet.

In der Praxis muss wegen Absorbtionseffekten mit einem etwas geringeren Wert gerechnet werden.
Ein Wert zwischen 0,5 Bq/cm² bis 0,8 Bq/cm² ist die Regel.


Ein LB1210 zeigt die mit einer grossen Flächensonde über der KCl-Fläche gemessene Impulsrate an:
Messungder Aktivität über 10g KCl auf 100cm²
Bild2: Messung der Aktivität  ionisierender Strahlung an 10g KCl auf 10cm x 10cm mit LB1210...  
           35 Impulse/Sekunde

Zu dem Nuklid Kalium gilt für das Messgerät nach Herstellerangaben  wegen der Ansprechwahrscheinlichkeit des Zählers auf dieses Nuklid ein Kalibrierfaktor von etwa 1/G = 0,027.  Mit diesem Kalibrierfaktor muss die gemessene Impulsrate RATE[1/s] multipliziert werden, um ein Ergebnis in Bq/cm² zu erhalten.

Der Prozess lässt sich im stationären Zustand (Vernachlässigung von Zeitabhängigkeit) und unter Vernachlässigung von Störeffekten also wie folgt beschreiben: (vergl. Prozessmodell im Bild4 auf Seite: http://www.chetan.homepage.t-online.de/sonstig/gluehst2.htm)

y[1/s]  = G * u[Bq/cm²]   ;  (Beschreibung des stationären Messprozesses Störeffekte bleiben hier mal unberücksichtigt)

Umstellung nach u liefert -->

u[Bq/cm²]= y[1/s] * (1/G)   

Das Prozessausgangssignal y=35 wurde am Anzeigeinstrument des Messgerätes abgelesen.
für 1/G wird der werksmässig für dieses Messgerät angegebene Kalibrierfaktor   =0,027 eingesetzt.

also:  

u[Bq/cm²]=  35  * 0,027 

-->

u[Bq/cm²] =  0,945 

Dieses Ergebnis stimmt sehr gut mit dem theoretisch erwarteten Wert von 0,9Bq/cm² überein.

Wird 10g KCl auf eine kleinere Fläche zusammengeschoben, dann hatte ich erwartet, das die Impulsrate unverändert bleibt. Denn 10g KCL entwickeln immer noch 180Bq , egal ob zusammengeschoben oder nicht. Zu meiner Überraschung wird jedoch die über der KCL-Schicht messbare Impulsrate kleiner.  (Vermutlich Absorbtionseffekte in der etwas dickeren KCl-Schicht)

10g KCl auf 6cm x 6cm zusammengeschoben
Bild3: 10g KCl wurden auf etwa 6cm x 6cm Fläche zusammengeschoben

Aktivität über 10g KCL auf 6cm x 6cm Fläche
Bild4: Messung der Aktivität ionisierender Strahlung mit LB1210 an
10g KCl auf 6cm x 6cm Fläche zusammengeschoben ...
21 Impulse pro Sekunde

Um eine Teilchenflussdichte der KCL-Oberfläche zu erreichen, die dem theoretisch erwarteten Ergebnis sehr nahe kommt, sollte die KCl-Schicht  also sehr dünn  aufgetragen werden. Mir wurde berichtet, das für KCL-Schichten von geringer als  25mg/cm² Absorbtionsefekte in der Schicht vernachlässigbar sind.  

Zum Abschluss nun noch Überprüfung des Backgr.

Gamma-Hintergrund (ungeschirmt) München im Febr. 2009
Bild5: Messung des Gamma-Hintergrund in München gemessen mit
BZ 100 XEP Zähler ; Berthold LB1210 :  9Imp./Sek. (entspricht ca. 0,17µSv/h)

Nun lässt sich Backgr. als überlagerter Störeffekt auch noch berücksichtigen.
Um die Teilchenflussdichte der Strahleroberfläche zu berechnen wird also von dem oben ermittelten Ergebnis u=0,945 Bq/cm² noch die
Backgr. Impulsrate = 9 /s  mit 0,027 multipliziert und das Produkt aus Impulsrate und Kalibrierfaktor von u subtrahiert.
Es lässt sich so für die gemessene Teilchenflussdichte bezogen auf Kalium das Ergebnis leicht ausrechnen:

u[Bq/cm²]= 0,945 - (9 * 0,027) = 0,945-0,243 = 0,702

u=  0,7 Bq/cm²   <-- Mess-Ergebnis für die radioaktive Flussdichte (Beta-Flussdichte) der Oberfläche (10g hochreines KCl auf 10cm x 10cm gleichmässig verteilt und mit Plastikfolie abgedeckt ; Backgr. ist eliminiert)
============

Weil 10 Gramm  KCl auf einer Fläche von 100cm² verteilt wurden, befinden sich unter 1cm² Fläche genau 0,1 Gramm KCl. Zur Probe lässt sich das in eine Aktivität umrechnen: 0,7Bq/cm² /(0,1g/cm²) =  7 Bq/g  . Weil im Experiment die Strahlung nur oberhalb der Fläche gemessen wurde, muss noch mit 2 multipliziert werden, um die Strahlung auch in der anderen Raumrichtung mit einzubeziehen. Es sind also 14 Bq/Gramm ein erstes Ergebnis für die Aktivität der Probe.  In der Literatur sind für 1 Gramm KCl etwa 17 Bq bis 18 Bq Aktivität  angegeben.  Des etwas geringere Messergebnis von 14 Bq/ Gramm erklärt sich vornehmlich durch Absorbtionseffekte.

Aus diesem Experiment halte ich dann folgendes fest:
10g KCl auf 10cm x 10cm Fläche gleichmässig verteilt und mit einer dünnen Plastikfolie abgedeckt (ohne weiteres Klebemittel) liefert in der Praxis einen Prüfstrahler mit etwa  0,7Bq/cm² ausgehend von einer der beiden Schichtoberflächen.  Theoretischer Wert ist etwa 0,9Bq/cm² . Der Unterschied zwischen Praxis und Theorie erklärt sich vornehmlich aus Absorbtionseffekten.

Nun sind die Vorversuche abgeschlossen. Der Kaliumchlorid Prüfstrahler kann hergestellt werden.
Zunächst wird ein stabiles und noch unkontaminiertes Trägermaterial benötigt. Ich nehme gern zum Basteln 3mm starkes Plexiglas. In den Medien wurde berichtet, das in Deutschland neuerdings aus Indien importierter radioaktiver Schrott wiederverwertet wird. Also wird das Trägermaterial sicherheitshalber auf  mögliche Kontamination überprüft.... Wer weiss.  Ist jedoch alles Ok dann wird eine etwa 13cm x 13cm abmessende Platte zurechtgesägt. Auf einer Seite der Platte wird in der Mitte eine 10cm x 10cm grosse Fläche markiert und mit doppelseitigem Klebeband beklebt.  Nun kann eine gewünschte Menge KCl gleichmässig in einer dünnen Schicht aufgestreut werden. (Schutzhandschuhe bei der Bastellei über die Hände !) Nachdem das KCl aufgestreut ist, werden die Randflächen der Platte ebenfalls mit doppelseitigem Klebeband beklebt. Dann wird die ganze Fläche mit einer dünnen Haushaltsfolie überspannt und vorsichtig festgedrückt. Zuletzt wird der Strahler beschriftet. Der Strahler kann nun an einem Ort gelagert werden, zu welchem Personen Zugriff haben, die über Strahlenschutzmassnahmen im Umgang mit radioaktiven Prüfstrahlern informiert sind.  

Einen KCl -Referenzstrahler, welcher auf die beschriebene Weise hergestellt wurde, zeigt das nächste Bild:
radioaktiver Refernzstrahler 0,24Bq/cm² (ca. 2g Kaliumchlorid auf 100cm² Fläche)
Bild6: radioaktiver Prüf- u. Referenzstrahler ; 0,24Bq/cm²
es wurden ca. 2g KCl auf 10cm x 10cm Fläche verteilt

YB-Mini-Monitor Detektor für radioaktive Kontamination misst deutlich überhöhte radioaktive Strahlung an einem Referenzstrahler 0,24 Bq/cm²
Bild7: YB-Mini-Monitor detektiert deutlich überhöhte radioaktive Strahlung an einem 0,24Bq/cm² Referenzstrahler 
(je nach Backgr. 3- bis 6-fach über Backgr.)

Zum Vergleich nun ein paar Messungen an weiterem radioaktiven Material.

Das nächste Bild zeigt eine Messung an einem Strahler mit radioaktiver Glasurschicht (0,09/scm² Teilchenflussdichte).

erkennen überhöhter radioaktiver Strahlung mit YBMM01 Mini-Monitor
Bild8: Detektion überhöhter radioaktiver Strahlung mit YBMM01 Mini-Monitor
(2-3 fach über Backgr. an einem keramischen Strahler mit 0,1/scm² Beta-Teilchenflussdichte sowie ca. 0,2/scm² Gammaflussdichte)

Die in den vorangegangenen Bildern gezeigten Prüfstrahler gestatten wegen vergleichsweise geringer Aktivität und unter Einhaltung gängiger Strahlenschutzmassnahmen einen Einsatz auch für Hobbysten.

Um Ihnen einen Vergleich mit verschiedenen anderen Strahlenquellen zu erleichtern habe ich in den folgenden Bildern Versuche mit  Hochdosis-Strahlenquellen dokumentiert.

EIn kleines Stück Pechblende
Bild9: Ein kleines 0,5 Gramm Stück Radioerz (thoriumreiche Pechblende) liegt in einer Plastikbox ...

YB-Mini-Monitor...Messung an einem kleinen Stück Pechblende. alle Warnlämpchen leuchten in wenigen Sekunden auf
Bild10: Detektion weit überhöhter radioaktiver Strahlung mit YB-Mini-Monitor direkt an Pechblende.
Alle Warnlämpchen leuchten innerhalb weniger Sekunden auf ! (Strahlung: weit mehr als zehnfach über Backgr.)



Messung radioaktiver Strahlung in knapp einem Meter Abstand von Pechblende
Bild11: Detektion deutlich überhöhter radioaktiver Strahlung mit YB-Mini-Monitor
in knapp 1 Meter Abstand von ca. 0,5 Gramm Radioerz (Strahlung selbst in 1 Meter Abstand noch immer : ca. 2-fach bis 4-fach über Backgr.)

Das nächste Beispiel zeigt einen Thorium-Glühstrumpf

Thorium-Glühstrumpf
Bild12: Thorium-Glühstrumpf in Plastikbeutel verpackt

deutlich überhöhre radioaktive Strahlung in knapp 1 Meter Entfernung von einem Thorium-Glühstrumpf gemessen mit YBMM01
Bild12: Radioaktivität gemessen mit YB Mini Monitor ;
Knapp 1 Meter Abstand vom Glühstrumpf


YB-Mini-Monitor YBMM04
In dem Jahr 2011 habe ich meinen YB-Mini-Monitor in ein großes Gehäuse eingebaut und mit vier Geiger-Müller-Zählröhren vom Typ SBM20 ausgestattet. 
YB-Mini-Monitor YBMM04 mit Netzadapter
YBMM04 mit Netzadapter

Die Rückseite des Gerätes sieht so aus:

YB-Mini-Monitor YBMM04 mit Netzadapter
YBMM04 Rückseite

Die vier SBM20 Röhren sind hinter der durchsichtigen Sensorabdeckung erkennbar.

Im folgenden Text gebe ich Auszüge aus der Mess- und Bedienungsanleitung des YBMM04 wieder. Es sind dort im Text u.a. der Aufbau auch einer mit Kaliumchlorid gefüllten Dose als Gamma-Flächenprüfstrahler und einer mit 600 Bq/Liter aktiven wässrigen Lösung beschrieben.

Auszüge aus der Mess- und Bedienungsanleitung zum YBMM04

3.1.1.3 Messen der Gamma-Quantenflussdichte von Oberflächen

Für Gamma-Strahlung ist der YB-Mini-Monitor etwa 20 mal unempfindlicher, als für Beta-Strahlung. Deshalb sind in einer natürlichen Umgebung häufig sehr lange Messzeiten von mehreren Stunden zur genauen Messung geringer Gamma-Quantenflussdichten sinnvoll.

Im Zubehör zum YB-Mini-Monitor YBMM02 ist ein sog. Gamma-Filter enthalten. Es handelt sich um eine 1mm starke Kupferplatte. Diese Platte ist für Gamma-Strahlung durchlässig und absorbiert Beta-Strahlung. Zur Messung der Gamma- Quantenflussdichte von Oberflächen wird dieser Gamma-Filter zwischen YB-Mini-Monitor und die zu überprüfende Oberfläche gehalten oder gelegt. Dadurch wird das Beta-Fenster des YB-Mini-Monitors geschlossen.

 Gammastrahlung gelangt jedoch durch das geschlossene Beta-Fenster hindurch und die Gamma-Strahlung wird vom YB-Mini-Monitor registriert. Zur näherungsweise Bestimmung eines Messwertes der Gamma-Quantenflussdichte wird wie folgt vorgegangen. Es sind nacheinander zwei Messungen erforderlich. Jede dieser beiden Messungen dauert mindestens 20 Minuten. Ein Ergebnis für die Gamma-Quantenflussdichte einer schwach kontaminierten Oberfläche liegt also frühestens nach 40 Minuten Gesamtmesszeit vor. (Jeweils 20 Minuten für den Nulleffekt und 20 Minuten an der Probe) Je länger die Messzeitspanne gewählt wird, desto genauer wird das Messergebnis.

 Die Gamma-Quntenflussdichte U[1/scm²] berechnet sich aus den beiden Zählergebnissen Zbackgr (Nulleffekt) und Zprobe sowie der Messzeitspanne T und nach Umrechnung mit einem  Kalibrierfaktor Ky = 0,12 näherungsweise zu :

 U[1/s/cm²] = Ky/T * (Zprobe – Zbackgr)

In einem folgenden Beispiel wurde die Gamma-Flussdichte über 450 Gramm Kaliumchlorid gemessen, welche in einer Dose mit den Abmessungen 15cm x 10cm x 2,5cm (LxBxH) zu einer etwa 2,5cm dicken Kaliumchloridschicht geformt wurde. Theoretisch ergibt sich die Gamma-Flussdichte über einer der Dosenoberflächen wie folgt:

 450g KCl entsprechen 7650 Bq Aktivität.

Der Gamma-Anteil ist ca. 10% . Damit ist der Gammafluss Φy  aus den 450g KCl

Φy = 765 [1/s]

 Die Hälfte in kürzestem Abstand über einer der beiden Dosenoberflächen :

 Φy = 765 [1/s] /2

 Φy = 383 [1/s]

===========

 Die Gamma-Quantenflussdichte bezogen auf die Abmessung einer der beiden grossen Oberflächen dieser mit KCl gefüllten Dose ist :

 φy = 383 [1/s] /10[cm] /15[cm]

 φy = 2,55 [1/s/cm²]

===============

 3.1.1.4 statistische Messfehlerabschätzung:

Der zufällige Messfehler +-s wird anhand einer Theorie nach Poisson abgeschätzt. Es lässt sich zeigen, das +-s proportional der Quadratwurzel aus der Summe der beiden Zählergebnisse Zprobe  und Zbackgr ist.

 I.    +-s = Ky/T * SQRT(Zprobe+Zbackgr)

WEITERES     (Herleitung von  I.  nach dem Fehlerfortpflanzungsgesetz)

3.1.2 Messen der Aktivität von Stoffproben

 3.1.2.1 Messen der Aktivität von wässrigen Lösungen

(z.B. Trinkwasser überprüfen)
 
Der YB-Mini-Monitor mit Impulszähler liefert Ihnen ein für die private Anwendung sehr genaues und sensibles Messergebnis auch bei Kontaminationen mit Beta-Strahlenden Nukliden. Bitte berücksichtigen Sie, das Alpha-Strahlung vom YB-Mini-Monitor wegen geringer Ansprechwahrscheinlichkeit der Zählröhre auf Alpha-Strahlung nicht detektiert wird.

Zur Messung von Stoffproben benötigen Sie eine Plastikschale mit einem Fassungsvermögen von etwa einem Liter. (Haushaltswaren) . Die Abmessungen der Schale könnten sein : 16cm x 11cm und etwa 6cm Höhe. Auf eine mm-genaue Abmessung oder Form kommt es dabei nicht an. Die Höhe der Schale sollte jedoch vom Boden bis zum Rand mind.5cm bis maximal etwa 7cm betragen. Die Schale wird mit der Stoffprobe (Messgut) bis knapp unter den Rand gefüllt (ca. 800ml bis 1 Liter Stoffprobe). Gemüse und andere feste Nahrungsmittel sollten kleingeschnitten oder mit dem Mixer püriert werden und fest eingedrückt werden.

 Messung: Das Messgerät zeigt infolge der Umgebungsstrahlung (Hintergrundstrahlung) einen sog. Nulleffekt an. Dieser Nulleffekt sollte zuerst festgestellt werden. Der Messwert für den Nulleffekt wird später vom Messwert für die Stoffprobe abgezogen Füllen Sie zur Messung des Nulleffektes die Messschale mit destilliertem Wasser. Decken Sie die gefüllte Messschale mit Aluminiumfolie ab. Die Aluminiumabdeckung schützt die empfindliche Elektronik des YB-Mini-Monitor vor Feuchtigkeit durch verdunstendes Wasser. Setzen Sie den YB-Mini-Monitor mit der silbergrauen Sensorfläche nach unten auf eine mit destilliertem Wasser gefüllte und mit Alu-Folie abgedeckte Plastikschale.  Schalten Sie den YB-Mini-Monitor ein. Starten Sie eine Stoppuhr und setzen Sie den Impulszähler auf Null (RESET-Taste) .

 Für ein angemessen genaues Ergebnis sollten 60 Minuten (1 Stunde) lang gemessen werden !

 1 Stunde Messzeit für ein angemessen genaues Ergebnis +- 100 Bq/Liter

In dem ersten Messdurchgang ist destilliertes Wasser bis knapp unter den Rand in die Messschale eingefüllt. Nach genau 60 Minuten (1 Stunde) Messzeit lesen Sie den Zählerwert am Impulszähler ab. Notieren Sie sich diesen Wert für den Nulleffekt als Zbackgr

Nun wird die Messschale entleert und mit dem Messgut (Probe) bis knapp unter den Rand aufgefüllt (800ml bis 1 Liter Messgut) . Die Schale wird nun ebenfalls wieder mit Alu-Folie abgedeckt. Die Messung wird nun wie oben beschrieben wiederholt. Nach 60 MINUTEN (1 Stunde) Messzeit lesen Sie den Wert Zprobe am Zähler ab.

Nun bilden Sie die Differenz aus Zprobe minus Zbackgr 

 A = (Zprobe – Zbackgr) 

Wenn es sich bei dem strahlenden Nuklid um Kalium-40 handelt, dann ist das so bestimmte Messergebnis A ein guter Näherungswert für die spezifische Aktivität A’ der Stoffprobe. Dieser Näherungswert gilt für Kalium. Enthält die Stoffprobe ein anderes  Nuklid als Kalium, dann ist das Messergebnis A mit einem passenden Multiplikationsfaktor  zu multiplizieren

Beispiel

Trinkwasser auf Radioaktivität überprüfen
Der YB-Mini-Monitor ist auch sehr gut geeignet, um Trinkwasser auf radioaktive Kontamination  zu überprüfen. Eine Frischhaltebox mit 1 Liter Fassungsvermögen wird dazu benötigt.
 
1 Liter Frischhaltebox

A) Zunächst wird die Box mit 1 Liter destilliertem Wasser bis knapp unter den Rand gefüllt und mit Aluminiumfolie abgedeckt.  Der YBMM04 Mini-Monitor wird oben aufgesetzt. Die Messung A) wird mit einer Stoppuhr auf eine volle Stunde kontrolliert. Nach Ablauf einer Stunde wird der Zählerstand Z0 am Impulszähler abgelesen. Das Ergebnis dieser sog. Nullmessung wird später von dem Ergebnis aus der nächsten Messung B) abgezogen.

B) Nun wird die Box entleert und mit 1 Liter Trinkwasser gefüllt.  Die Messung B) beginnt nach RESET am Impulszähler . Auch jetzt beträgt die Messzeitspanne 1 Stunde.  Das Ergebnis ist der Zählerstand Zp. Aus der Differenz  Zp-Z0 lässt sich die spezifische Aktivität des Trinkwassers in der Einheit [Bq/Liter] ablesen. 

Trinkwasser auf Radioaktivität überprüfen

A) 1 Liter destilliertes Wasser

Beispiel:

Z0 = 4269 /h

B) 1 Liter Trinkwasser

Zp = 4270 /h
Zp - Z0 = 1 Bq/Liter
Zur  Probe habe ich 35 Gramm Kaliumchlorid in 1 Liter destilliertem Wasser aufgelöst. Kalium besitzt eine natürliche Radioaktivität, welche nachweisbar ist...

Werden 35g KCL in einem Liter destilliertem Wasser aufgelöst, dann erhalten wir einen Referenzstrahler mit einer spezifischen Aktivität von etwa  600 [Bq/Liter] 

C) 35g KCl in 1 Liter Wasser
     (ca. 600 Bq/Liter)

Zp = 4870 /h
Zp - Z0 = 601 Bq/Liter


Fortsetzung folgt....




<--- Seite zurück                                          
Hinweise und Anmerkungen erbitte ich per e-mail an : chetan@t-online.de                                                   nächste Seite  -->
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

HOME         IMPRESSUM

(letzte Textänderung auf dieser Seite : 16.10.2011)