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Beobachtung radioaktiver Strahlung in meiner Umgebung                         Seite 2

Das Zählrohr  ; Zählrohr und Geigerzähler prüfen

Aufgrund von Anfragen per e-mail habe ich diese zusätzliche Seite für Leser zusammengestellt, welche sich einen eigenen Geigerzähler selbst bauen möchten. Hier wird u.a eine kleine Laboreinrichtung zum überprüfen von Geigerzählern und Messung radioaktiver Strahlung beschrieben, sowie einige Überlegungen und Formeln , welche bei der Überprüfung von Geigerzählern und Zählröhren hilfreich sein können. Es folgt eine teilweise geordnete, teilweise ungeordnete Sammlung von Informationen, zum Thema Geigerzähler und Messung radioaktiver Strahlung zur empfindlichen Messung im unteren Umweltbereich. Es bleibt dem Leser überlassen , sich diese Sammlung an Informationen für sein eigenes Vorhaben zu ordnen bzw. sich geeignete Informationen herauszusuchen. 

Wir sind uns darüber einig, das es darum geht, Veränderungen im Bereich geringer Umweltstrahlung verlässlich zu messen und die Messwerte verschiedener Zählerrohrtypen miteinander vergleichbar zu machen. Es geht darum, ein Gerät zu bauen, mit welchem sich  fast unauffällige und auch stärkere radioaktive Expositionen in unserer näheren Umgebung sicher und sensibel aufspüren lässt. Ein geeignetes Gerät gibt es in verschiedenen Fachhandel für Mineralien-Sammler für vergleichsweise wenig Geld betriebsfertig zu kaufen (kosten ab etwa 100 Euro).  Geräte mit analoger Zeigeranzeige in dieser Preisklasse eignen sich selten, weil diese in der Regel zu unempfindlich kalibriert sind. Häufig werden ausgemusterte Geräte aus Wehrmachtsbeständen in Internet-Auktionen angeboten. Solche alten Geräte sind meist für Kriegszwecke konstruiert und  zweckentsprechend taktisch auf  detektieren von Atomwaffen Angriffen kalibriert. Die Geräte sind häufig von Bastlern als Bauteilespender noch sehr gefragt. Falls der Zählimpuls angezapft werden kann, dann kann so ein Gerät sogar noch leicht mit einem Impulszähler ausgestattet werden.

Für empfindlichere Messungen eignet sich gut ein Dosimeter-Radiometer von Voltcraft mit entfernbarem Gamma-Beta-Filterdeckel und Digitalanzeige oder Geräte vergleichbarer Bauart (z.b.RKSB-104, PKCB-104 oder RADIAN-104).  Mit etwas Glück lässt sich auch mal ein gebrauchter Berthold Geigerzähler (z.B. LB1210B) ersteigern. Diese Geräte sind zwar mit einer analogen Messwertanzeige ausgestattet, haben jedoch eine recht große Sensorfläche von etwa 100cm² und deshalb eine sehr kurze Ansprechzeit und sind sehr empfindlich auf detektieren von Oberflächenkontamination kalibriert. Allerdings muss bei einem 2nd-Hand-Gerät damit gerechnet werden, das Kalibrierung verstellt ist.   Auch kann ein 2nd-Hand-Gerät eine erhöhte selektive Empfindlichkeit auf Gamma-Strahlung haben, ohne das dies dem Gerät sofort anzusehen ist.  In diesem Falle wäre das Gerät für Beta-Strahlung weitgehend unempfindlich und bringt einen Messwert für den natürlichen Gamma-Hintergrund zur Anzeige. 

Wem es darum geht, selbst einen Geigerzähler zu bauen, welcher sowohl quantitativ, als auch qualitativ  vergleichbare Messwerte liefert, der benötigt dazu mehr als nur ein paar grundlegende Kenntnisse in der elektronischen Schaltungstechnik. Die minimale Laborausrüstung könnte etwa folgendes sein:

Es wird dazu auch ein Mini- Labor bestehend aus einem unbelasteten Prüf-Raum benötigt, dessen Wert für die Gamma-Strahlendichte (Hintergrundstrahlung) bekannt ist, weiter ein kalibriertes Vergleichs-Messgerät, eine Vergleichs-Zählröhre aus einem Glaskörper, deren Kennwerte verlässlich bekannt sind und es wird ein Mini-Monitor mit Zähler benötigt, an welchem eine beliebige Zählröhre angeschlossen werden kann sowie ein oder mehrere Beta- Prüfstrahler.

Der Prüfraum kann z.B. ein Kellerraum oder auch ein beliebiger Wohnraum sein. Entscheidend für die Eignung als Prüfraum ist, das die Wände des Raumes frei von Beta-strahlendem Material sein müssen. Der Raum sollte deshalb auf keinen Fall mit Keramikfliesen gekachelt sein, denn qualitativ minderwertiges Keramik und auch anderes qualitativ minderwertiges Baumaterial enthält erfahrungsgemäss sehr häufig Betastrahler.

Als Beta- Prüfstrahler eignen sich die meisten Keramik Kacheln deshalb sehr gut. Vermutlich werden in verschiedenen Baumaterialien aus Kostengründen gern radioaktiver Müll beigemischt. Kacheln gibt es in den Baumärkten  in den verschiedensten Ausführungen. Ich habe mir hier mit dem Voltcraft -Dosimeter zu Prüfzwecken  Materialien ausgesucht die, mit am Messgerät abgenommenem Filterdeckel unterschiedliche  Zählwerte liefern. Besonders gut geeignet als radioaktive Prüfstrahler erschienen mir häufig Kacheln , die aus Italien importiert wurden. Die Verkäufer in den Baumärkten sind in der Regel recht kundenfreundlich und ich habe immer problemlos und mit freundlicher Genehmigung meine Messungen an den angebotenen Waren durchführen dürfen. Unsere deutschen Baumärkte sind eine Fundgrube für jeden, der  radioaktive Prüfstrahler zur Überprüfung seines Geigerzählers benötigt.

Als fertig kalibriertes Vergleichsmessgerät  für Beta und Gamma Strahlung verwende ich gern das Dosimeter- Radiometer der Firma Voltcraft. Praktisch gleichwertige Geräte sind gelegentlich unter der Bezeichnung RKSB-104  ; RADIAN-104 oder unter ähnlichen Bezeichnungen zu finden. Eben so gut ist der YB-Mini-Monitor zusammen mit dem passenden digitalem Impulszähler als fertig kalibriertes Vergleichsmessgerät einsetzbar.

Wen vornehmlich nur Gamma-Hintergrund intressiert, kann auch den Gamma-Scout als fertig kalibriertes Vergleichsmessgerät einsetzen.  Wie der Name andeutet ist der Gamma Scout  für eine empfindliche und genaue Messung von Strahlung im Gamma-Bereich sehr gut geeignet. Als Kontaminationsmonitor zur Überprüfung von Oberflächen, Baumaterial oder Raumwänden im Wohnbereich eignet sich das Gerät meiner Erfahrung wegen der sehr kleinflächigen Endfensterröhre leider kaum.

Den Mini-Monitor mit Zähler bauen wir uns anhand einer bekannten Geigerzählerschaltung selbst auf oder kaufen ein betriebsfertiges Gerät. Geräte dieser Art  werden von verschiedenen Lehrmittelfirmen angeboten.

Als Vergleichs-Zählröhre eignet sich die  VALVO ZP1320 

Nun haben wir also
1. einen unbelasteten Raum als Prüfraum
2. einige Matten keramische Prüfstrahler
3. ein kalibriertes Vergleichsmessgerät,
4. einen kleinen Mini-Monitor mit Zähler und
5. eine Vergleichs-Zählröhre.

kleines Radioaktivitäts-Messlabor /Erstausrüstung
Bild 1: kleines Radioaktivitäts-Messlabor ; Erstausrüstung

Als erstes überprüfen wir unsere neue eigene Ausrüstung.

Dazu sind mind. die vier folgenden Messungen nötig.

Das kalibrierte Strahlenmessgerät wird ohne Gamma-Filter für alle Messungen eingesetzt.. Der Einfachheit halber wird ein gängiger Messbereich verwendet (z.b. Messbereich auf µSv/h einstellen). Wir messen die Gamma-Strahlendichte im Prüfraum. Wie der Messvorgang durchzuführen ist, das wird in der Bedienungsanleitung des kalibrierten Messgerätes beschrieben. Es wird dazu wird eine möglichst lange Messzeitspanne gewählt. Das sind bei dem abgebildeten Dosimeter mind. 560 Sekunden . Bei anderen Geräten kann die Messzeitspanne je nach aktiver Sensorfläche varieren. Je grösser die aktive Sensorfläche ist, desto kürzer kann die Messzeitspanne bei gleicher Messgenauigkeit gewählt werden. Der YB-Mini-Monitor erlaubt beliebig lange Messzeitspannen. Das führt bei entsprechender Sorgfalt bei der Durchführung der Messung  zu numerisch recht genauen Messergebnissen. Aber auch andere Messgeräte sind geeignet. Der abgelesene Zählerwert wird auf die kürzere Messzeitspanne normiert und als R_gamma notiert (z.b. R_gamma=13 das entspricht 0,13µSv/h und ist also der 100 Fache Wert der neuen Äquivalentdosisleistung -Gamma Strahlendichte, die wir in unserem Prüfraum gemessen haben.)  Da es hier darum geht, das Prinzip der Berechnung zu zeigen, rechne ich der Einfachheit mit dieser normierten Größe ohne physikalische Einheit.

Nun legen wir das Gerät mit entferntem Gamma-Filterdeckel auf eine Matte unserer keramischen Prüfstrahler und messen auf die gleiche Weise den Messwert M_gammabeta. Angenommen wir erhalten  M_gammabeta=31 (was 0,31µSv/hentspricht.)  In diesem Messwert ist natürlich auch noch der Wert für die Gamma-Hintergrundstrahlung enthalten, welcher abgezogen werden muss, um den Strahlenwert zu erhalten, der von der Prüffläche ausgeht.

Wir können nun nach folgender Formel I.die Beta-Strahlendichte (Kennwert) M_beta berechnen, die von den keramischen Prüfstrahlern ausgeht:

I.     M_beta =  (M_gammabeta-R_gamma)/(1 - f*G)   mit :  f*G= Beta-Strahlungsdämpfung des Messgerätes
                                                                                      f =  0,012 cm²/mg  Beta Strahlendämpfung von Glas
                                                                                     G= Glas-äquivalente Areal Density in (mg/cm²)
(in dieser Formel ist f = 0,012 cm²/mg ein empirisch ermittelter Näherungswert,  für die Beta-Strahlendämpfung von Glas. Die Formel hat sich für verschiedene Röhren mit einer Glaswandstärke zwischen 30mg/cm² bis etwa 70mg/cm² als praktisch gezeigt und wird  jedoch ausdrücklich nicht als physikalisch gültiges Gesetz sondern als Faustformel für eine unkomplizierte praktische Anwendung angegeben.)

 In der Formel I. sei

D_beta = 1-f*G  ein Wert für die Durchlässigkeit der Röhrenwand  für Beta-Strahlung.

Dann lässt sich schreiben:

II . M_beta =(Mgammabeta-R_gamma)* (1/D_beta)

Sei  D_gamma ein Wert für die Durchlässigkeit der Röhrenwand für Gamma-Strahlung , dann ergibt sich das Verhältnis :

D_s=  D_gamma/D_beta    als  die "Selektive Durchlässigkeit" der Röhrenwand.

Die Durchlässigkeit der Röhrenwand  für Gammastrahlung wird mit D_gamma = 1 angenommen.
Dann ist:

D_s=1/D_beta

und

III. M_beta=(Mgammabeta-R_gamma)* D_s

Ist die Zählröhre in ein Messgerät eingebaut dessen Messwertanzeige proportional zur Zählrate der Zählröhre ist, dann lässt sich zeigen, das die Empfindlichkeit des Messgerätes für eine bestimmte Strahlungsart  proportional zur Durchlässigkeit der Röhrenwand für diese Strahlungsart ist.
Für die Empfindlichkeit eines Geiger-Müller Messgerätes für Gamma-Strahlung ergibt sich hieraus:
E_gamma=p1*D_gamma  ;      p1= Proportionalitätsfaktor
und
E_beta=p*D_beta

Wird das Verhältnis der Empfindlichkeiten E_gamma/E_Beta =E_s analog zur Selektiven Durchlässigkeit, die "Selektive Empfindlichkeit" genannt, lässt sich analog zu III. schreiben:

IV.   M_beta =(Mgammabeta-R_gamma)* E_s

Ist ein Geiger-Müller-Zähler  für Beta-Strahlung in gleicher Weise empfindlich, wie für Gamma-Strahlung, dann ergibt sich

das Verhältnis der beiden Empfindlichkeiten E_Gamma/E_Beta als die Selektive Empfindlichkeit E_s in der Nähe zu 1

und es vereinfacht sich IV. zu :

M_beta=Mgammabeta-R_gamma



Hier gibt es noch eine Umrechnungstabelle zur Glaswanddicke für ein Geiger-Müller Zählrohr. 
Areal Density
mg/cm²
Thickness (mm)
30 0,05
60 0,10
90 0,15
Tabelle 1: Umrechnungstabelle  
Areal Density (mg/cm²)  <-->
Glaswanddicke (mm) 

Ich setze mal voraus das Radiometer ist korrekt kalibriert, und technisch Ok mit den richtigen Röhren bestückt. Dann ist bei diesem Radiometer des im Bild1 links abgebildeten Typs der Wert G in der Nähe von Null. Auf diese Weise ist die Selektive Durchlässigkeit der Röhrenwand  nahe 1.. Da wir mit entferntem Gamma-Filter gemessen haben, ist die Selektive Empfindlichkeit dieses Messgerätes für Strahlung von einer Oberfläche ebenfalls nahe 1 . Auf diese Weise läst sich vereinfacht rechnen:  M_beta = M_gammabeta-R_gamma.  In unserem Beispiel ergibt sich anhand der Beispielmessung für die Beta Strahlendichte der Prüfstrahlermatte: M_beta = 31-13 = 18  Dieser Wert wird  am besten gleich auf die Prüfstrahlermatte notiert.

Nun haben wir schon zwei Kennwerte unserer Ausrüstung zur Verfügung:
1. R_gamma =13   die Gamma-Strahlendichte in unserem Prüfraum  ; hier Hgamma(µSv/h)=0,13µSv/h
2. M_beta   =18  die Beta Strahlendichte, die von der Prüfstrahlermatte ausgeht.(normierter Kennwert); 
                            entspricht hier Hbeta(µSv/h)=0,18µSv/h  

An dieser Stelle schreibe ich die Einheit µSv/h fett. Dies bedeutet, das Gamma- und Betastrahlung gleich gewichtet sind.  Es wurde also ohne Gamma-Strahlenfilter gemessen. Bei Bedarf ergibt sich eine Umrechnung durch die Multiplikation mit dem normativ festgelegten Strahlungswichtungsfaktor wR

H(µSv/h) =  wRgamma * Hgamma(µSv/h)  +  wRbeta * Hbeta(µSv/h)

Strahlungswichtungsfaktoren für  verschiedene Strahlungsarten können der folgenden Tabelle entnommen werden
(Quelle der Tabelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Sievert_(Einheit) )
Art der Strahlung Energiebereich Strahlungswichtungsfaktor wR
Photonen, Strahlungsart γ (Gamma) alle Energien 1
Elektronen und Myonen alle Energien 1
Neutronen, Zerfallsart β (Beta) < 10 keV 5
10 keV – 100 keV 10
> 100 keV – 2 MeV 20
> 2 MeV – 20 MeV 10
> 20 MeV 5
Protonen, außer Rückstoßprotonen > 2 MeV 5
Alphateilchen, Spaltfragmente, schwere Kerne alle Energien 20

Um den Kennwert M_beta in die Beta-Strahlungsflußdichte der Oberfläche umzurechnen wird M_beta durch 155 (scm²) dividiert . Es ergibt sich daraus die Beta-Strahlungsflußdichte der Oberfläche ( Teilchen pro Sekunde pro Quadratzentimeter) . Für den Prüfstrahler in unserem Beispiel errechnet sich :

Y = M_beta/D  = 18/155 = 0,116 (1/scm²)    ; Y= Beta-Strahlungsflußdichte der Oberfläche in (1/scm²)
                                                                        M_beta = normierter Kennwert für die Beta Strahlenflußdichte der  Oberfläche (1)
                                                                        D = 155 (scm²)  Umrechnungsfaktor

Für den Fall, das eine der Leserinnen und Leser Anmerkungen dazu hat, bitte ich um Nachricht an meine e-mail.




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Chetan Reinhard
Sannyas
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(letzte Textänderung auf dieser Seite : 02.09.2009)